微观尺度下浇筑式沥青混合料超热老化机理

郝增恒

（1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆 400067）

浇筑式沥青混合料作为应用最广的钢桥面铺装材料具有施工温度高、矿粉含量高、沥青含量高等特点［1］，其混合料拌和及施工温度高达240℃，超出《公路沥青路面施工技术规范》中规定的普通沥青混合料最高施工温度近50℃.超热温度对改性沥青的老化冲击程度较大［2－4］，明显延长的拌和时间和较高的拌和运输温度将导致老化加剧.而且，随着老化温度的升高，沥青氧化与挥发速率都明显改变，在常规老化温度下产生较小作用的轻质组分挥发在超热温度下很有可能对老化起到明显的加速作用.同时，由于浇筑式沥青混合料孔隙率基本为零，而且采用专业的密闭设备运输，使其接触氧气的机会大大减少，从而又降低了氧化速率［5］.浇筑式沥青混合料在拌和、运输阶段一直处于“超热、低氧”状态，在这一工况下其超热老化机理尚存在一些理论空白，力学性能衰变规律亦有待探寻.

1 超热老化状态下浇筑式沥青红外光谱分析

为了从微观尺度观察不同超热温度对浇筑式沥青老化的影响程度，采用不同超热温度拌和后得到的抽提回收沥青进行了FTIR 分析［6］，结果见图1.

图1 超热温度对浇筑式沥青红外光谱的影响规律Fig.1 Influence of epithermal aging temperature on FTIR spectrum for the modified asphalt extracted from Gussasphalt

由图1可见，随着超热温度的提高，酸酐的羰基特征吸收峰（1798cm－1）和亚砜官能团特征吸收峰（1000～1050cm－1）峰面积显著增加.双键在氢过氧化物的作用下与硫醇官能团反应生成硫醚官能团，而硫醚官能团又可以被氧化成亚矾官能团.可见，亚砜官能团的多少直接证明了超热氧化程度的大小.随着超热温度的提高，SBS特征峰吸收峰聚丁二烯嵌段的—C ═ C—H 弯曲吸收峰（913cm－1）逐渐减弱，说明SBS发生了断链分解反应.

2 超热温度下浇筑式沥青挥发速率分析

浇筑式沥青在不同温度下的恒温TG 分析见图2.由于有N2保护，在整个TG 分析过程中，浇筑式沥青未发生氧化，而且在250℃时也未发生分解［7］，因此，试验过程中浇筑式沥青的质量损失全部为轻质组分挥发所致.

3 超热温度下氧化与挥发贡献机理分析

采用FTIR和TG 联用的表征方法研究浇筑式沥青在不同超热温度下轻质组分挥发速率及氧化影响进程［8－10］.浇筑式沥青在实际拌和和运输过程中的氧气浓度可以通过在拌缸或运输车内安装的氧气浓度传感器及氧气浓度检测仪进行实时监测.

图3为不同超热温度下浇筑式沥青的质量损失率.从图3可以看出，随着超热温度的提高，浇筑式沥青质量损失率明显增加，在163℃恒温1h的质量损失率只有0.65%，而在250℃恒温1h的质量损失率达到6.01%，显示超热温度对浇筑式沥青轻质组分挥发的影响比常规沥青老化明显.

图3 不同超热温度下浇筑式沥青的质量损失率Fig.3 Mass loss of the modified asphalt extracted from Gussasphalt at different epithermal aging temperatures

以羰基 C═ O 的生成速率为研究对象对超热状态下浇筑式沥青饱和分进行了红外光谱定量衰变分析.为了消除量对峰强的影响，本文以0 min 时2924cm－1处的羰基峰强为参比，探索了超热温度下不同氧气浓度和不同老化时间对浇筑式沥青超热老化进程的影响规律.试验条件：在不同气氛保护下50℃恒温后，以10℃／min 的升温速度升温至240℃，并恒温1h.

图4为不同气氛下浇筑式沥青饱和分的羰基生成速率变化曲线.由图4可见，在氧气氛围下浇筑式沥青饱和分羰基含量的增加速率明显高于空气中的增加速度，在接近20min的时候，氧化反应已基本全部完成，而在空气氛围中，这一氧化反应则需要40min.

图4 不同气氛下浇筑式沥青饱和分的羰基生成速率变化曲线Fig.4 Carbonyl content of saturates in Gussasphalt processed in different atmosphere

从图3，4可以看出轻质组分的氧化反应和挥发在浇筑式沥青的全部老化过程中所起的作用.由图3可见，在不同超热温度恒温1h内，轻质组分挥发速率减幅很小，挥发贯穿于整个老化过程.由图4可见，在氧气氛围、240℃恒温的前20min，浇筑式沥青饱和分羰基峰强基本趋于稳定，说明后期的氧化反应已不再是其性能老化的主要原因，后期老化主要是轻质组分挥发所致；在空气氛围中，只有在240℃恒温接近30min时，饱和分羰基峰强才基本趋于稳定，并且后期羰基峰强增加速率仍然高于氧气氛围中的增加速率，这说明在240℃恒温30min后，浇筑式沥青饱和分在空气气氛下的氧化反应已不再是其老化的主要原因，后期老化主要是由于轻质组分挥发所致.

4 结论

（1）经历超热老化的浇筑式沥青羰基和亚砜基红外光谱特征峰明显增加，聚丁二烯—C ═ C—特征峰面积明显减小，SBS断链明显，在超热温度下氧化反应程度明显增大，并且不同超热温度间氧化反应程度差异也比较明显；在超热温度下，浇筑式沥青的轻质组分挥发速率明显高于普通老化温度下的挥发速率.

（2）浇筑式沥青在运输过程中一直处于少氧状态，并且运输时间一般为45min～1h，因此，在运输过程中的超热老化是由于其轻质组分的氧化和挥发所致，运输车要尽量密闭、隔绝空气，以减缓氧化反应的发生，而减缓由于轻质组分挥发导致的老化则只能靠降低超热温度来实现，并且效果明显.

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