新疆地区常用沥青短期老化低温性能的评价

布海玲，刘 涛，杨三强

(1.新疆农业大学 机械交通学院，新疆 乌鲁木齐 830052； 2.干旱荒漠区公路工程技术交通行业重点实验室 新疆交通科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)



新疆地区常用沥青短期老化低温性能的评价

布海玲1，刘 涛2，杨三强2

(1.新疆农业大学 机械交通学院，新疆 乌鲁木齐 830052； 2.干旱荒漠区公路工程技术交通行业重点实验室 新疆交通科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

以新疆地区4种常用沥青为例，应用BBR试验仪器，通过对RTFOT试验前后沥青低温性能指标的对比分析，得出4种沥青短期老化前后低温性能的排序，及改性沥青对短期老化的敏感性大于基质沥青，且短期老化对沥青松弛性能的影响大于对沥青劲度的影响。

道路工程；短期老化；低温性能；劲度模量；评价对比

新疆地区道路以沥青路面为主，但是由于其冬季寒冷的特殊气候条件使得沥青路面低温开裂现象尤为明显。随着西部大开发战略不断推进，新疆地区沥青路面在承受不断加大重载压力的情况下，低温开裂问题逐渐加剧。沥青结合料低温抗裂性能是影响沥青路面低温开裂的重要因素[1]。著名的SHRP研究成果证明了沥青性能对低温问题的直接贡献率为80%[2]。然而，现行规范中没有考虑到沥青在施工过程中的短期老化对沥青低温性能的影响。

笔者以新疆地区4种常用沥青为例，应用弯曲梁流变仪(BBR)测定沥青短期老化前后低温性能指标，以此评价短期老化对沥青低温抗裂性能的影响。

1 试 验

1.1 试验原理

弯曲梁流变仪(BBR)应用工程上梁的理论测量沥青小梁试件在低温蠕变荷载作用下的劲度[3]。SHRP研究认为，当沥青的劲度模量S超过一定值就会呈现脆性状态，则容易出现开裂；而m值表示的是沥青劲度随时间的变化，m值越大表示在该温度下的路面收缩时材料的松弛性能感应越强，相当于降低了劲度的材料，使得材料拉应力减小，同时减小了低温开裂的可能性[4]。因此，SHRP规范要求沥青样品在试验温度下60 s时的弯曲劲度模量S≯300 MPa，劲度曲线斜率m≮0.3[5]。

旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)主要是模拟沥青在加热拌和及铺筑过程中的老化。热拌沥青混合料的施工方式是沥青最主要也是最常规的使用方式，在拌和过程中的老化是最重要的，通常称为热老化[6]。在此过程中沥青以薄膜形式裹覆在集料和填料的表面，在高温的作用下极易发生氧化和组分挥发。旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)反应的就是这个阶段沥青的老化情况。

1.2 试验方案

选用新疆地区4种常用沥青，其中包括两种基质沥青(克拉玛依70#和90#沥青)和两种改性沥青(SBS改性沥青和橡胶沥青)。采用弯曲梁流变仪(BBR)，按照规范分别对原样沥青及旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)后的残留物进行小梁弯曲蠕变试验，测定劲度模量S和劲度曲线斜率(松弛性能[7])m值，并对试验结果进行对比分析。

2 试验结果及分析

旋转薄膜烘箱试验前后小梁弯曲蠕变试验，基质沥青老化前后试验结果如表1，改性沥青老化前后试验结果如表2。

表1 基质沥青试验结果

表2 改性沥青试验结果

2.1 基质沥青短期老化试验结果分析

2.1.1 劲度模量S对比分析(图1)

图1 基质沥青老化前后劲度模量S值变化Fig.1 Changes of the stiffness modulus before and after short-term aging belong to base asphalt

从图1中可以看出：

1)在-18～-30 ℃温度范围内克拉玛依70#和90#沥青的劲度模量随温度的降低而增大；

2)克拉玛依90#沥青老化后的劲度模量高于老化前，而克拉玛依70#沥青老化后的劲度模量低于老化前；

3)克拉玛依70#沥青老化前后劲度模量均高于克拉玛依90#沥青老化前后的劲度模量；

4)在-18 ℃时基质沥青在老化前后的劲度模量差别不大，随温度的降低，老化前后的劲度模量差别逐渐变大，且在劲度模量达到300 MPa之前基质沥青老化前后的劲度模量差别很小。

2.1.2m值对比分析(图2)

图2 基质沥青老化前后m值变化Fig.2 Changes of the m-value before and after short-term aging belong to base asphalt

从图2可以看出：

1)在-18～-30 ℃温度范围内克拉玛依70#和克拉玛依90#沥青的m值随温度的降低而减小；

2)克拉玛依90#沥青老化后的m值小于老化前，克拉玛依70#沥青老化后m值的减小变缓；

3)克拉玛依90#沥青老化前后的m值均大于克拉玛依70#沥青老化前后的m值。

2.1.3 基质沥青短期老化前后模型分析

分别建立基质沥青老化前后指标与温度T的回归模型，如表3。依据模型分别计算基质沥青老化前后的临界温度如表4。

表3 基质沥青低温指标回归模型

表4 基质沥青临界温度

注：TS=300为S=300 MPa时的临界温度；Tm=0.3为m=0.3时的临界温度。

通过临界温度对比分析得出：克拉玛依70#沥青比90#沥青的S值达到300 MPa的温度高，但温度差距不大，m值也存在同样的情况；基质沥青老化前后的S值临界温度变化不大，克拉玛依90#沥青老化后m值的临界温度有较大提高。

以上的对比分析可以说明：克拉玛依90#沥青的低温抗裂性能优于70#沥青；老化后克拉玛依90#沥青的低温抗裂性能优于老化后70#沥青；老化降低了基质沥青的低温抗裂性能；对基质沥青而言，老化对劲度模量的影响主要表现在温度较低(-24 ℃以下)的状况下，而老化对松弛性能(m值)的影响表现在整个温度变化过程中。

2.2 改性沥青短期老化试验结果分析

2.2.1 劲度模量S对比分析(图3)

图3 改性沥青老化前后劲度模量S值变化Fig.3 Changes of the stiffness modulus before and after short-term aging belong to modified asphalt

从图3可以看出：

1)在-24～-36 ℃温度范围内SBS改性沥青和橡胶沥青的劲度模量随温度的降低而增大；

2)随着温度的降低，在达到一定低温时，改性沥青会出现老化后沥青的劲度模量高于老化前的劲度模量，且对于SBS改性沥青来说发生这一现象的温度高于橡胶沥青；

3)老化后橡胶沥青的劲度模量低于老化后SBS改性沥青的劲度模量；

4)在-24 ℃时改性沥青在老化前后的劲度模量差别不大，随温度的降低，老化前后的劲度模量差别逐渐变大。

2.2.2m值对比分析(图4)

图4 改性沥青老化前后m值变化Fig.4 Changes of the m-value before and after short-term aging belong to modified asphalt

从图4可以看出：

1)在-24～-36 ℃温度范围内SBS改性沥青和橡胶沥青的m值随温度降低而减小；

2)SBS改性沥青m值减小的速率小于橡胶沥青，且SBS改性沥青m值大于橡胶沥青；

3)SBS改性沥青m值大于老化后的SBS改性沥青；

4)随温度的降低橡胶沥青的m值变化趋于平缓，而老化后橡胶沥青的m值随温度的降低变化逐渐加剧；

5)老化后橡胶沥青的m值大于老化后SBS改性沥青的m值。

2.2.3 改性沥青短期老化前后模型分析

分别建立改性沥青老化前后指标与温度T的回归模型，如表5。依据模型分别计算改性沥青老化前后的临界温度如表6。

表5 改性沥青低温指标回归模型

(续表5)

沥青类型S回归模型m回归模型SBS改性沥青薄膜烘箱老化后Log(S)=-0.0852T-0.1399R2=0.9766Log(m)=0.0244T+0.1650R2=0.9852橡胶沥青薄膜烘箱老化后Log(S)=-0.0730T+0.1773R2=0.9933Log(m)=0.0242T+0.1917R2=0.9429

表6 改性沥青临界温度

通过临界温度对比分析得出：老化前后的SBS改性沥青分别比老化前后的橡胶沥青的S值达到300 MPa的温度高，但温度差距不大，改性沥青S值达到300 MPa时的温度均低于-30 ℃；老化后的SBS改性沥青m值降到0.3时的温度最高，其次是橡胶沥青，SBS改性沥青m值降到0.3时的温度最低。

以上的对比分析可以说明：SBS改性沥青的低温抗裂性能优于橡胶沥青；老化后橡胶沥青的低温抗裂性能优于老化后SBS改性沥青；老化对SBS改性沥青的影响大于对橡胶沥青的影响，即橡胶沥青在老化前后的低温抗裂性能相对稳定；对于改性沥青而言，老化对沥青的劲度模量和松弛性能(m值)的影响表现在整个温度变化过程中，但老化对沥青劲度模量的影响随温度的降低逐渐加大。

3 结 论

1)通过对比分析可以得出：原样沥青低温抗裂性能强弱关系为SBS改性沥青>橡胶沥青>克拉玛依90#沥青>克拉玛依70#沥青；而经过短期老化后的沥青低温抗裂性能强弱关系为橡胶沥青>SBS改性沥青>克拉玛依90#沥青>克拉玛依70#沥青。由此可以看出，短期老化前后改性沥青的低温抗裂性能均优于基质沥青，但是SBS改性沥青与橡胶沥青的低温抗裂性能排序在短期老化前后发生了改变，究其原因可能是SBS改性沥青化学组成成分中不饱和成分多于橡胶沥青，相对于橡胶沥青不够稳定，在短期老化作用下容易发生聚合和氧化，从而影响了SBS改性沥青的低温抗裂性能。具体在短期老化作用下各沥青的化学成分发生了怎样的变化还需进一步研究。

2)短期老化能够明显降低基质沥青的低温抗裂性能。

3)短期老化对SBS改性沥青的影响大于对橡胶沥青的影响，即橡胶沥青在短期老化前后的低温抗裂性能相对稳定。

4)对基质沥青而言，短期老化对劲度模量的影响主要表现在温度较低(-24 ℃以下)的状况下，对松弛性能(m值)的影响表现在整个温度变化过程中；而对于改性沥青而言，短期老化对沥青的劲度模量和松弛性能(m值)的影响表现在整个温度变化过程中，但短期老化对沥青劲度模量的影响随温度的降低逐渐加大。由此说明改性沥青对短期老化的敏感性大于基质沥青，且短期老化对沥青松弛性能的影响大于对沥青劲度的影响。

[1] 董瑞琨,孙立军.考虑老化的沥青结合料低温感温性指标[J].中国公路学报,2006,19(4):34-39. Dong Ruikun,Sun Lijun.Low temperature susceptibility indexes of asphalt binder with different aging degree[J].China Journal of Highway and Transport,2006,19(4):34-39.

[2] Asphalt Institute.Performance Graded Asphalt Binder Specification and Testing Superpave Serise No.1(SP-1)[R].Lexington:Asphalt Institute,1994:36-48.

[3] 封基良.沥青BBR小梁试验的流变分析[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2006,30(2):205-208. Feng Jiliang.Rheological analysis of asphalt tested by bending beam pheometer[J].Journal of Wuhan University of Technology:Transportation Science & Engineering,2006,30(2):205-208.

[4] 朱春阳,杨 毅,刘学建.不同标号沥青的弯曲梁流变试验对比分析研究[J].中外公路,2007,27(4):289-291. Zhu Chunyang,Yang Yi,Liu Xuejian.Comparison analysis and research of different grade asphalt with bending beams rheological test[J].Journal of China & Foreign Highway,2007,27(4):289-291.

[5] 李志栋,黄晓明.应用Superpave沥青标准预测低温开裂[J].中外公路,2004,24(3):100-103. Li Zhidong,Huang Xiaoming.Application of superpave asphalt standard in forecasting the low temperature cracking[J].Journal of China & Foreign Highway,2004,24(3):100-103.

[6] 苗其东,姚强,载鑫.浅论模拟沥青加热拌和老化的两种试验方法[J].石油沥青,2009,23(5):63-67. Miao Qidong,Yao Qiang,Zai Xin.Shallow theory of two kinds of test method with the simulate asphalt heating ageing of mixing[J].Petroleum Asphalt,2009,23(5):63-67.

[7] 栾自胜,雷军旗,屈仆,等.SBS改性沥青低温性能评价方法[J].武汉理工大学学报,2010,32(2):15-18. Luan Zisheng,Lei Junqi,Qu Pu,et al.Evaluation methods of SBS modified-asphalt binders[J].Journal of Wuhan University of Technology,2010,32(2):15-18.

[8] 周进川,张智强,饶枭宇.SBS 改性沥青抗裂特性的SHRP 试验研究[J].重庆交通学院学报,2005,24(1):50-52. Zhou Jinchuan,Zhang Zhiqiang,Rao Xiaoyu.Study on SHRP SBS modified asphalts’ anti-cracking characteristics[J].Journal of Chongqing Jiaotong University,2005,24(1):50-52.

[9] 詹小丽,张肖宁,卢亮,等.沥青临界开裂温度的研究[J].公路,2007(3):125-128. Zhan Xiaoli,Zhang Xiaoning,Lu Liang,et al.A study on critical cracking temperature of asphalt[J].Highway,2007(3):125-128.

Short-Term Aging Effect on Cryogenic Property of Common Asphalt in Xinjiang

Bu Hailing1, Liu Tao2, Yang Sanqiang2

(1. College of Machinery & Transport, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, Xinjiang, China; 2. Key Laboratory of Highway Engineering Technology in Arid & Desert Region Ministry of Transport PRC, Xinjiang Communications Science Institute, Urumqi 830000, Xinjiang, China)

Taking four kinds of common asphalt in Xinjiang area as examples, the BBR test instrument was used to conduct a study. Low temperature performance of the asphalt before and after short-term aging can be sorted out through the comparison and analysis of the low temperature performance indicators before and after RTFOT experiment. Meanwhile, it can be found that the sensitivity of the modified asphalt on short-term aging is greater than the base asphalt and short-term aging effect on the property of asphalt relaxation is greater than the effect on asphalt stiffness.

road engineering; short-term aging; low temperature performance; stiffness modulus; evaluate and contrast

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.11

2013-10-23；

2014-01-03

新疆自治区科研机构创新发展专项资金项目(2012022)

布海玲(1987—)，女，河北承德人，硕士研究生，主要从事道路工程方面的研究。E-mail：bhl0808@126.com。

U416.217

A

1674-0696(2015)02-050-04