热氧老化对油砂沥青公路承载性能的影响*

陈 波，徐成桂

（1.成都理工大学 工程技术学院 资源勘查与土木工程系，四川 乐山 614000；2.成都理工大学 工程技术学院 基础教学部，四川 乐山 614000）

前 言

伴随我国交通事业迅猛发展，作为优良路面胶结材料的沥青消耗总量逐年增加，为缓解全球石油能源枯竭，油砂沥青作为一种新型非常规石油资源得到了广泛应用[1，2]。油砂沥青是高硫、低酸、高金属、高沥青含量的归属特稠油范围的油品，具备低温性能较好、蜡含量低等优质特点，是生产道路沥青的一种优质原料。但是油砂沥青在搅拌、运输、公路铺设以及公路使用过程中，会不可避免地产生老化现象，影响油砂沥青公路承载性能以及使用寿命[3，4]。

国外对油砂沥青公路承载性能研发始于1950年，如多伦多大学的Dads首次研究将纤维应用于沥青混合料中，用于预防沥青路面的反射裂缝。1962年通过对沥青混合料进行不同温度的测试发现热氧老化的存在。我国是1990年以后随着对沥青混合料意识的加强，研究在沥青混合料中加入纤维，增加热氧老化的抗性。

热氧老化是油砂沥青的最主要老化方式之一，其存在于油砂沥青公路铺设前后以及公路投入使用的各个阶段。油砂沥青热氧老化分为描述沥青混合材料在搅拌、运输、公路铺设过程中产生老化的短期热氧老化和公路在实际服役过程中受环境因素以及车辆荷载影响下产生老化的长期热氧老化[5]。油砂沥青热氧老化后，轻组分减少，重组分增多，改变了自身胶体结构，会直接影响油砂沥青公路的承载性能[6]。伴随高分子化学技术的飞速发展，用途不同，材料各异的抗老化剂相继产生，亦是油砂沥青公路采取的抗热氧老化能力的主要方式。其中受阻胺类抗老化剂具备捕获自由基、单线态氧功能以及分解氢过氧化物的作用，可显著提升高分子材料耐老化性能，阻止油砂沥青进一步热氧老化[7～9]。

低温环境下，温度会对油砂沥青公路混合料性能产生极大影响，但目前低温对油砂沥青材料的弯拉性能等影响公路承载力的相关研究较少[10，11]。本文利用油砂沥青混凝土进行小梁弯曲试验，分析不同热氧老化程度的油砂沥青在不同低温条件下的破坏弯曲应变性能，评价油砂沥青公路承载性能，并通过在油砂沥青中加入受阻胺类抗老化剂，分析不同含量的受阻胺抗老化剂加入后，长期热氧老化对油砂沥青公路承载性能的影响。

1 实验部分

1.1 试验用原材料

试验用油砂沥青为长炼70#油砂沥青，选自内蒙古扎赉特旗图牧吉油砂矿产；矿粉和集料分别采购于三友兄弟非金属有限公司和若豪保温材料有限公司；受阻胺类抗老化剂选自北京加成助剂研究院生产的GW-944。油砂沥青性能指标如表1所示，集料物理性能指标如表2所示，受阻胺类抗老化剂GW-944质量指标如表3所示。

表1 油砂沥青性能指标Table 1 The performance index of the oil sand asphalt

表2 集料物理性能指标Table 2 The physical performance index of the aggregate

表3 受阻胺类抗老化剂GW-944质量指标Table 3 The quality index of hindered amine antiaging agent GW-944

1.2 试件制备

将油砂沥青分成两份，一份直接进行热氧老化模拟，另一份加热融化后，利用剪切机高速搅拌，并在油砂沥青中加入油砂沥青含量的0、0.3%、0.5%、0.7%的受阻胺类抗老化剂GW-944，搅拌20min，置于温度为70℃恒温干燥箱中，自流平形成油砂沥青薄膜，选用澳大利亚IPC公司生产的型号为UTM-25试验机系统为试验设备，利用《公路工程沥青混合料试验规程》设计标准尺寸，棱柱体小梁试件尺寸大小为250mm×30mm×35mm，跨径大小为200mm。试件制作完成后，采用热氧老化模拟试验方法进行试件热氧老化。

1.3 热氧老化模拟试验方法

1.3.1 短期热氧老化

采用RTFOT模拟油砂沥青短期热氧老化过程。遵循《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0610，于室内条件下，采用小型拌合机拌制油砂沥青混合料，并依据21～22kg/m2松铺系数将油砂沥青混合料均匀铺设于搪瓷盘中，放置于温度设定条件为135℃±3℃烘箱中，在强制通风环境下加热4h，加热过程中每间隔1h翻拌一次，加热完成后取出，完成短期热氧老化试验[12]。

1.3.2 长期热氧老化

长期热氧老化用于模拟油砂沥青路面服役过程中的老化过程，采用PAV方式进行模拟。在短期热氧老化基础上，依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0702-2011，进行混合料成型[13]，并于常温条件下自然冷却6h，冷却充分后脱模处理，置于恒温烘箱中，在强制通风条件下，加热温度为85℃±3℃，加热5d，完成长期热氧老化试验。

1.4 小梁弯曲试验

模拟车辆荷载作用下，油砂沥青混凝土路面承载能力。分析油砂沥青公路弹性层状可知，在面层厚度达到13cm时，荷载重复作用可显著增长面层应变，迅速增至路面断裂，符合应力控制模式[14]。

试验开始之前，将热氧老化完成的油砂沥青混凝土小梁试件置于环境箱中，同时实施4h以上的保温，试验温度选择-15℃和-35℃，使用常应变进行加载，速率维持在5.5mm/min。实验中若油砂沥青混凝土小梁达到最大弯拉强度，即视其达到极限承载力，此时认为该试件被破坏[15]。根据小梁试件尺寸大小，计算油砂沥青混凝土小梁破坏时的印象公路承载性能的弯拉强度KB、弯拉应变ωB以及弯曲劲度模量FB，计算式分别如下：

式中，j、b分别表示试件跨中断面试件高度、宽度，单位为mm；QB、G、d分别表示时间破坏时的最大荷载（N）、试件跨度（mm）、时间破坏时的跨中挠度。

2 结果与讨论

2.1 热氧老化时间对油砂沥青常规性能影响

热氧老化时间对油砂沥青部分常规性能影响结果如表4所示。

表4 热氧老化时间对油砂沥青部分常规性能影响结果Table 4 The effect of thermal oxidative aging time on the conventional performance of oil sand asphalt

分析表4数据可知，伴随热氧老化时间的增加，油砂沥青的针入度下降、软化点温度上升、135℃黏度增加、10℃、15℃延度减小。结果表明，随着热氧老化时间增加，油砂沥青常规性能均呈现恶化态势，说明热氧老化对油砂沥青混合料性能影响很大。

2.2 不同温度下，热氧老化时间对试件破坏时弯拉强度影响

-15℃、-35℃条件下，模拟热氧老化影响试件弯拉强度的结果如图1所示。

图1 不同温度下热氧老化时间对试件弯拉强度影响Fig.1 The effect of thermal oxidative aging time on the bending tensile strength of specimens at different temperature

从图1可以看出，小梁弯曲破坏试件在-15℃、-35℃两种温度条件下产生的弯拉强度破坏趋势。伴随热氧老化时间增加，试件弯曲强度呈现先增大后减小的变化趋势，即在短期热氧老化时间内，弯拉强度增长，超出短期热氧老化时间达到长期热氧老化时间，弯拉强度降低，且该变化程度较为缓慢。弯拉强度变化趋势在-15℃、-35℃两种温度条件下的变化大致相同。伴随热氧老化时间增加，相比于-15℃，-35℃温度下的试弯拉强度更高；同等热氧老化程度下，试件处于-35℃温度下的弯拉强度更强。

2.3 不同温度下，热氧老化时间对试件破坏时最大弯拉应变的影响

-15℃、-35℃条件下，模拟热氧老化影响试件最大弯拉应变的结果如图2所示。

图2 不同温度下热氧老化时间对试件最大弯拉应力影响Fig.2 The effect of thermal oxidative aging time at different temperature on the maximum bending stress of the specimen

分析图2可知，同等热氧老化条件下，-15℃温度条件下的最大弯拉应力是-35℃温度条件下最大弯拉应力的1.05倍左右。说明温度越低，试件最大弯拉应力越小，承载性能越差。同等温度下，随着热氧老化时间增加，试件最大弯拉应变减小，分析产生该种现象的原因可能是由于油砂沥青的胶结材料老化而形成的，热氧老化条件下，油砂沥青胶质含量下降，轻质组分挥发减少，重质组分含量增加，导致油砂沥青胶结料弹性增强，黏性降低。若处于温度较低环境下，油砂沥青胶结料会呈现较大脆性，此时若施加外界荷载，抗剪切和抗弯拉性能变差，承载性能降低。油砂沥青胶结料的热氧老化缩小了油砂沥青混合料自身即与石料间的粘结力，产生断裂现象，降低弯拉应变。

2.4 不同温度下，热氧老化时间对试件破坏时弯曲劲度模量的影响

-15℃、-35℃条件下，模拟热氧老化影响试件弯曲劲度模量的结果如图3所示。

图3 不同温度下热氧老化时间对试件弯曲劲度模量影响Fig.3 The effect of thermal oxidative aging time on the bending stiffness modulus of specimens at different temperature

从图3可以看出，温度一定前提下，热氧老化前的试件弯曲劲度模量小于热氧老化开始后，且伴随热氧老化时间逐渐增加，试件弯曲劲度模量逐渐上升，弯曲劲度模量与热氧老化阶段间呈现显著指数变化关系。不同温度条件下，热氧老化方式对应的回归方程为S'=axebt，其中b的取值区间为0.157～0.239，即短期热氧老化与长期热杨老化方式的温度与试件弯曲劲度模量之间变化趋势大致相同。

2.5 GW-944对试件延度影响

图4 不同GW-944含量下试件延度Fig.4 The ductility of specimen with different GW-944 contents

图5 不同GW-944含量下试件延度增加幅度Fig.5 The increase range of ductility of specimen with different GW-944 contents

油砂沥青延度指标变化是是评价热氧老化程度对油砂沥青试件承载性能重要指标之一。且油砂沥青公路路面开裂与低温延度具备相关性。不同含量的受阻胺抗老化剂GW-944作用下，油砂沥青15℃延度变化情况如图4所示，延度增加幅度变化情况如图5所示。

分析图4、图5可知，受阻胺抗老化剂GW-944的添加对热氧老化前的试件低温延度影响较小，伴随GW-944的添加含量的增加，延度嘴边变化为6mm，GW-944的添加含量为0.3%、0.7%时，延度变化幅度分别为-0.81%、0.30%。受阻胺抗老化剂GW-944的添加对热氧老化后的试件低温延度改善效果显著，伴随GW-944的添加含量的增加，延度呈现出先增大后减小，在GW-944的添加含量为0.5%时延度最大，为91mm，延度提升36%左右。结果表明受阻胺抗老化剂GW-944的添加改善了热氧老化油砂沥青的低温性能，增强了油砂沥青试件承载能力。原因在于油砂沥青的热氧老化过程中，受阻胺抗老化剂吸收光并将其转变为氮氧自由基，促进了油砂沥青再生以及稳定功能，有效阻止油砂沥青的热氧老化。

3 结 论

本文研究了热氧老化对油砂沥青公路承载性能的影响，通过一系列试验可得出以下结论：

（1）随着热氧老化时间增加，油砂沥青试件常规性能均呈现恶化态势；

（2）-15℃和-35℃两种温度条件下，伴随热氧老化时间增加，可显著影响试件承载性能，其中试件弯曲强度先增大后减小、最大弯拉应变减小、弯曲劲度模量增加；且同等热氧老化程度下，试件处于-35℃温度下的弯拉强度更强，最大弯拉应力较小，弯曲劲度模量较大。

（3）受阻胺抗老化剂在GW-944的添加含量为0.5%时，对油砂沥青再生以及稳定功能达到最佳状态，显著提升热氧老化后的试件延度增强试件承载性能。