水分对沥青老化的影响分析

钱国平，黎正富，韦 慧，李 崛

(长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410114)

沥青路面在长期使用的过程中，由于受到各种自然因素的影响，特别是在水分、紫外线及氧气等的作用下，沥青材料因发生许多复杂的物理、化学变化而逐渐老化和硬化，导致路面处开裂损坏等。在现有的研究成果中，紫外线和氧气对沥青老化的影响研究得较多，而水分对沥青老化的影响研究得尚少[1-4]。

Tyaxler[5-6]等人列出引起沥青老化的15种原因中包含了水的作用，并发现水会在时间、加热、氧气及阳光等因素的综合作用下加速沥青的老化。吕伟民[7]认为，在雨水的作用下，沥青中的可溶性物质被冲洗掉，会造成沥青的老化变质。段明[8]等人认为，水的pH值对沥青中沥青质、酸性分的油-水界面张力的影响很大。李海军[9]等人在沥青的压力老化试验中加入水分因子，并采用美国战略性公路研究计划中的高温车辙因子和低温劲度模量等参数指标，表征在沥青路面使用过程中的雨水和地下水等潮湿因素对沥青老化性状的影响。谭志远[10]等人提出一种热、氧、水、光的老化模拟方法对沥青进行老化，并与路面自然老化得到的回收沥青进行了指标对比。作者为探究水对沥青老化的影响，拟提出沥青水老化试验模拟方案，针对70#基质沥青和橡胶沥青开展不同时长的水老化试验，探究水分在压力老化过程中的存在形式及其对老化的加速程度。并用沥青老化前、后的常规指标变化，分析沥青的老化程度及其规律。采用动态剪切流变试验，测试样品的疲劳因子G*sinδ，表征老化后沥青的中温疲劳性能。通过低温弯曲梁流变试验的劲度模量，探究老化后沥青的低温性能。

1 试验部分

1.1 试验材料

为研究水对不同沥青的影响，试验采用2种沥青：70#基质沥青和橡胶沥青。其中，橡胶沥青为自行制备，制备工艺为：先将70#基质沥青加热至熔融状态，然后掺入基质沥青质量20%的橡胶粉，搅拌2～3 min后，使橡胶粉充分分散到基质沥青中，用高速剪切仪以4 000 转/min旋转剪切90 min，放置于160 ℃烘箱中，溶胀发育1.5 h[11-12]。将70#基质沥青和制备的橡胶沥青进行常规性能试验，其结果见表1，各项指标均满足规范要求。

1.2 水老化试验

沥青老化的模拟分为2个阶段：① 通过短期老化试验，模拟沥青在生产、运输及施工过程中的老化；② 通过压力老化试验，模拟使用过程中的长期老化。

表1 原样沥青的技术指标Table 1 Technical index of the asphalt

采用薄膜加热试验模拟短期老化，试验采用的盛样盘内径为140 mm，每盘盛沥青(50±0.5) g。由于沥青在生产、运输及施工过程中不存在水分的影响，因此，短期老化不施加水因素。

将短期老化后的沥青进行压力老化试验。采用压力老化模拟沥青在使用过程中的长期老化。该过程中沥青会经受来自大气、降水及地下水等因素的水分作用，因此，在该阶段施加水因素。加水压力老化是通过在盛样盘的沥青表面以水雾形式喷洒沥青质量的5%的水，然后将带水的沥青盛样盘放入压力容器中进行长期压力老化试验。在高温作用下，部分水变成水蒸气，充斥于整个压力容器中，形成高压水蒸气环境，以模拟沥青水老化，研究水对沥青老化的影响。试验模拟过程如图1所示。

图1 水老化试验模拟过程Fig.1 Simulation process of the water aging for the asphalt

在高温、高压下，压力容器内的部分水蒸发为水蒸气，使得容器内的气体为高压水蒸气和高压空气的混合体。同时，高温、高压环境使得沥青成熔融态，沥青与水汽进行充分交换，将水汽压入熔融沥青中，在沥青内部出现密集的气泡，如图2所示。从图2中可以看出，在沥青老化过程中，沥青与水蒸气充分接触，并以高温水蒸气形式在沥青内部长期停留。

将常规压力老化和有水参与的压力老化后的沥青刮出盛入不锈钢杯中，低温加热，并稍微搅拌去除气泡，分别对其进行性能试验，对比研究水对沥青老化的影响。

图2 压力老化后的沥青内部孔隙Fig.2 Pitch internal porosity after pressure aging

2 结果与分析

2.1 水对老化后沥青常规性能的影响

对压力老化后的沥青进行针入度试验，试验条件为25 ℃(100 g，5 s)，试验结果如图3所示。

图3 针入度对比Fig.3 The penetration versus pressure aging time

从图3中可以看出，随着老化时间和试验进程的推进，沥青的针入度逐渐降低，且水会加速沥青针入度的降低。在压力老化开始5 h后，基质沥青中，有水组的针入度比无水组的小2.21。随着老化的进行，针入度的差距增加，压力老化至20 h，有水组的针入度比无水组的小3.94。试验表明：基质沥青压力老化20 h的针入度与有水分参与的14 h的压力老化相当，推断有水参与相当于加速压力老化约5 h。水分加速老化的过程同样可以在橡胶沥青中体现，压力老化20 h，针入度之差为2.5，有水参与相当于加速沥青老化5 h。

相关研究[13-14]表明：当沥青25 ℃针入度下降到20 h时，路面将出现严重的破坏。从基质沥青来看，压力老化20 h后，有水压力老化沥青针入度已下降为20。此时路面将出现严重的裂缝，裂缝的产生使水分更易进入路面内部并在内部积蓄，形成恶性循环，缩短路面的使用年限。

软化点是表征沥青耐热性能的指标。从图4中可以看出，水分的作用使得沥青软化点升高。其中，压力老化20 h后，水分导致70#基质沥青的软化点提升2.7 ℃，橡胶沥青的软化点提升3.5 ℃。常规压力老化20 h的沥青软化点与有水压力老化15 h相当。

图4 软化点对比Fig.4 Softening point versus pressure aging time

2.2 水对沥青中温疲劳性能的影响

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20-2011)》和美国战略性公路研究计划，对沥青压力老化后的沥青进行中温疲劳性能试验。以疲劳因子G*sinδ评价沥青的抗疲劳性能，疲劳因子对比如图5所示。

图5 压力老化20 h时，中温疲劳因子的对比Fig.5 Medium temperature fatigue factor after pressurized aging vessel for 20 hours

G*sinδ达到5 000 kPa的温度越低或者同温度下的G*sinδ越小，表明其抗疲劳性能越好。从图5中可以看出，橡胶沥青的中温性能优于70#基质沥青的。有水压力老化沥青的疲劳因子均大于常规压力老化沥青的。将G*sinδ等于5 000 kPa时的温度定义为疲劳极限温度，在70#基质沥青中，有水参与的压力老化沥青的疲劳极限温度为21.8 ℃，而常规压力老化沥青的疲劳极限温度为20 ℃，有水参与使70#基质沥青的疲劳极限温度提升了1.8 ℃。在橡胶沥青中，有水与无水沥青的疲劳极限温度分别为18 ℃和15.8 ℃，有水参与使橡胶沥青的疲劳极限温度升高了2.2 ℃。表明：有水参与会降低沥青的抗疲劳特性。在高温多雨地区，沥青的老化更易引起沥青路用性能的下降，因此，在类似环境地区，对沥青路面的早期预防性养护应适时提前进行。

2.3 水对沥青低温性能的影响

用弯曲梁流变仪测得低温劲度模量。从-6 ℃开始，以-6 ℃为温度差逐级下降，直到劲度模量S<300 MPa时结束试验。试验结果如图6所示。

低温劲度模量反映沥青的低温性能。若沥青材料的劲度较大，则沥青材料呈现脆性，路面在冬季低温条件下容易产生开裂破坏。从图6中可以看出，随着温度的降低，劲度模量S逐渐增加。表明：随着温度的降低，沥青的低温抗裂性能逐渐变差。无水压力老化后，70#基质沥青在-18 ℃时的劲度模量为423 MPa；而有水压力老化后，70#基质沥青在-18 ℃时的劲度模量为449 MPa。橡胶沥青整体的低温抗裂性好于70#基质沥青的，但其中水分的作用规律与70#基质沥青中的相同。在-24 ℃时，有水压力老化后橡胶沥青的劲度模量比无水压力老化后的高23 MPa。因此，在温差较大、降水较多的地区(如：湖南)，夏季高温炎热且雨水充沛，水分能加速沥青的老化；而冬季冰冻严寒，沥青路面更易产生疲劳裂缝。

3 结论

通过试验，得出水分会加速沥青的老化，对高温湿热地区沥青路面的设计、施工及养护具有一定的指导意义。

1) 在压力老化过程中，在沥青盛样盘表面施加沥青质量的5 %的水分，进行沥青水老化模拟试验。该试验方法使高压水蒸气与沥青充分交换，可以模拟沥青在长期使用过程中水分对沥青性质的变化。

2) 相比于常规压力老化试验，有水压力老化导致70#基质沥青和橡胶沥青的针入度比常规压力老化后的分别小2.21和2.5。软化点试验表明：压力老化20 h后，水分使得70#基质沥青软化点提升了2.7 ℃，使得橡胶沥青软化点提升了3.5 ℃。水分使得橡胶沥青的针入度下降、软化点增加，整体加速压力老化约5 h。

3) 随着老化程度的加深，沥青的复数模量增加、相位角减小。有水参与的作用使得沥青的复数模量较无水参与的增量更大，其相位角更小。有水参与使得沥青的疲劳极限温度下降，降低了沥青的抗疲劳性能。

4) 有水压力老化沥青的劲度模量大于常规压力老化沥青的，表明水分的作用使沥青变硬、低温劲度增加及老化程度加深，降低了沥青的低温抗裂性能。

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