炭黑改性沥青的老化特性及其混合料路用性能的分析

文/新疆交通规划勘察设计研究院 珠力克

沥青的老化性能对于其耐久性以及沥青路面的使用寿命具有重要的意义，该研究针对基质沥青以及掺量为10%的炭黑（包括未造粒与造粒）改性沥青（制备温度为150℃，制备时间为1h）分别进行了薄膜烘箱试验（TFOT），压力老化容器（PAV）试验与自然气候老化试验。通过对比老化前后沥青试样的性能，研究了炭黑对沥青短期热氧老化、长期热氧老化以及自然气候老化性能的影响。该研究还将炭黑改性沥青制备为混合料试件，通过试验分析了炭黑对沥青混合料性能的影响。

炭黑改性沥青的老化性能研究

该研究炭黑采用卡博特N880造粒和未造粒两种炭黑，沥青采用SK70沥青。为了进行老化性能评价，特定义以下指标：

炭黑改性SK-70沥青的老化性能如表1所示。与基质沥青相比，未造粒炭黑改性沥青在TFOT老化后的质量变化率、软化点增量和粘度老化指数均明显减小，而残留针入度比与残留延度比显著增大，这些均表明未造粒炭黑改性沥青的耐短期热氧老化性能有明显改善。对于TFOT老化后的造粒炭黑改性沥青而言，其质量变化率与基质沥青几乎相同，残留针入度比与残留延度比显著增大，软化点增量和粘度老化指数有所减小，这也表明造粒炭黑改性沥青具有较好的耐短期热氧老化性能。

PAV老化后，两种炭黑的加入均使得沥青的残留针入度比与残留延度比大大增加，而软化点增量和粘度老化指数明显减小，表明未造粒炭黑与造粒炭黑对沥青的耐长期热氧老化性能也具有较为显著的改善作用。

从表1还可以看出，在自然气候老化（自然暴晒约35h+雨水作用约10h）后，未造粒炭黑改性沥青与造粒炭黑改性沥青同样表现出了较大的残留针入度比与残留延度比，以及较小的软化点增量和粘度老化指数。此外，两种炭黑改性沥青相比，造粒炭黑改性沥青的残留针入度比与残留延度比更大，而软化点增量和粘度老化指数更小。这表明两种炭黑均改善了沥青的耐自然气候老化性能，其中造粒炭黑的改善效果更为明显。

表1 炭黑改性SK-70沥青的老化性能

表2 沥青混合料级配设计

综上可知，两种炭黑对沥青的耐短期热氧老化性能、耐长期热氧老化性能以及耐自然气候老化性能均具有显著的改善作用，可以作为较好的抗老化剂应用于沥青材料中。

炭黑改性沥青混合料的性能评价

原材料

矿质集料选用优质石灰岩矿料，沥青选用SK-70基质沥青，炭黑同上。采用干法外掺试验，即在混合料拌和过程中作为外掺剂添加至沥青混合料中，掺量为沥青质量的10%。为达到均匀拌和的目的，炭黑在矿质集料首次拌和时连同矿粉一同加入矿质集料中。

配合比设计

沥青混合料类型采用密级配沥青混凝土AC-13，初拟了三组级配设计方案后经过比选最终确定了用于试验的矿料级配，如表2和图1所示。

采用马歇尔试验分别确定对照组沥青混合料和炭黑改性沥青混合料最佳沥青用量分别为4.51%和4.49%。

性能评价

水稳定性：采用浸水马歇尔试验评价沥青混合料的水稳定性，分别测试60℃水浴条件下浸水马歇尔残留稳定度，如表3所示。结果表明，掺入炭黑后，混合料残留稳定度下降幅度约为12.65%，炭黑的掺入会使混合料的水稳定性在一定程度上有所下降。

图1 沥青混合料级配曲线

表3 炭黑对沥青混合料水稳定性的影响

高温稳定性：采用车辙试验评价沥青混合料的高温性能，测试环境温度60℃，轮压0.7MPa下的动稳定度，如表4所示。结果表明，掺入炭黑后，沥青混合料的动稳定度增幅为38.75%，炭黑的加入显著提高了沥青混合料的高温抗车辙变形能力。

表4 炭黑对沥青混合料高温稳定性的影响

低温抗裂性：采用小梁弯曲实验，通过测定小梁试件的最大弯拉应变来评价沥青混合料的低温性能，如表5所示。从表5可以看出，炭黑的加入使得沥青混合料的抗弯拉强度与弯拉应变均有所减小，表明炭黑的加入降低了沥青混合料的低温抗开裂性能。

表5 炭黑对沥青混合料低温抗裂性的影响

结语

两种炭黑对沥青的耐短期热氧老化性能、耐长期热氧老化性能以及耐自然气候老化性能均具有显著的改善作用，可以作为较好的抗老化剂应用于沥青材料中。炭黑的加入显著提高了沥青混合料的高温抗车辙性能，但对其水稳定性和低温抗开裂性能却有不利影响。