SHRP 试验在我国沥青老化研究中的进展

石浩东，刘忠根

（吉林建筑大学交通科学与工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

SHRP 研究项目旨在提高高等级道路性能，其核心是模拟沥青胶结料在使用寿命期间的路用性能，通过RTFOT 和PAV 分别模拟沥青短期（拌合、施工阶段）老化和沥青长期(运营阶段)老化，以期将室内沥青老化分析同沥青在拌合、铺筑、运营阶段的路用性能联系起来[1]；其以135℃下的旋转粘度作为沥青混合料施工和易性的评价指标，保证沥青在泵送和拌合时具有足够的流动性；以动态剪切流变试验作为评价沥青在路面使用中的高、中温区的流变特性（抗车辙性、抗疲劳性）；以弯曲梁流变试验作为评价沥青低温流变特性（低温抗裂性）。相对于沥青传统三大指标试验，针入度、软化点、延度仅针对特定温度下的沥青性能，SHRP 试验能够全方位、深层次地研究沥青老化、及其在高、中、低温下的宏观力学性能，更好地表征沥青的路用性能，对沥青路面修建、养护、及再生具有重要意义。基于此，文章总结了基于SHRR 试验的沥青老化研究进展。

1 影响沥青老化的因素

沥青是通过原油蒸馏而获得的一种具有粘弹性力学性质的材料，主要化学成分为饱和组分、芳香组分、胶质和沥青质（SARA）[2]。沥青的老化在宏观上表现为变硬、变脆，进一步增加了沥青混合料的硬度，从而引起沥青路面的疲劳和低温损伤[3-4]。在微观上表现为轻质化学组分的挥发、氧化、聚合，使得沥青中饱和组分、芳香组分的减少及胶质和沥青质的增加。

对于不同种类的沥青，周志刚等[5]基于老化前后的中温失效温度及针入度指标，得出SBS 沥青抗老化性能优于普通沥青。热氧老化作为沥青的主要老化方式，许培俊等[6]分别在 135℃，150℃，163℃温度下进行沥青的老化试验，数据结果表明随着温度的上升，沥青老化程度加剧。谭志远[7]在不同老化方式对沥青性能影响的研究中发现，热-氧耦合作用是引起沥青老化的主要因素，在老化的初期热-氧耦合作用起主导作用，而后期以紫外线老化为主。Prabir Kumar Das 等[8]基于原子力显微镜试验发现经紫外线处理后的沥青粘附力降低，粘度增加，老化程度加深，同时也认为紫外线是沥青长期老化中的重要因素。钱国平等[9]在对沥青水老化的研究中发现，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老化程度加深，降低了沥青的低温抗裂性能。

综上所述，影响沥青老化的因素可分为内部因素和外部因素。内部因素主要是指沥青的种类，对于标号及产地来源不同的沥青，其化学成分上具有差异，表现为抗老化性能的优劣。外部因素主要包括：温度、氧气、紫外线、压力及水，这些因素即综合作用于沥青，加剧沥青的老化，又在沥青的不同的老化阶段起着主导作用。其中热氧老化主要影响沥青的前期老化性能，紫外线和压力在沥青的长期老化中作用更为明显。

2 沥青模拟老化与实际老化关系

在模拟沥青短期老化研究中，国内外通常采用薄膜烘箱（TFOT）或旋转薄膜烘箱试验（RTFOT），相比于TFOT，杨洪滨[10]在研究中也发现RFOTF 能够使沥青老化更加充分和均匀。对于模拟沥青的长期老化，在20 世纪90 年代SHRP 研究项目的成果压力老化试验（PAV）已成为业内学者所普遍接受的模拟沥青长期老化的标准试验，即将经旋转薄膜烘箱试验后的残留沥青样品放入PAV 中，在2.1 MPa 的压力下老化20 h 来模拟沥青路面运营5 年左右的沥青老化性能。

粟培龙[11]在对西安市 4 条分别服务 2，4，6，7 年的沥青路面进行老化沥青的抽提，并与经RTFOT 后的老化的基质沥青的针入度、软化点、延度、旋转粘度、劲度模量数据的综合比对发现，RTFOT180 min相当于运营2 年~3 年的沥青路面中的老化沥青，RTFOT360 min 基本相当与实际使用6 年的道路中老化沥青，同时PAV（RTFOT 残留物）在模拟沥青长期老化的效果中大约相当于RTFOT 老化270 min的效果。伍育钧等[12]对#70 沥青进行压力老化试验，结合沪宁高速运营3 年~8 年的沥青混合料抽提后的老化沥青，进行沥青三大指标试验时发现PAV 老化时间X 与道路龄期Y 关系：Y=0.002 X2+0.276 X。刘文昶等[13]通过将一定厚度的沥青放于自然环境下老化，得出自然老化60 d～90 d 沥青，大致相当于室内 RTFOT 老化300 min；自然老化 120 d～140 d 的沥青老化程度相当于PAV 老化20 h。Qian Y 等[14]在对香港6 条服役期限不同的SMA 及WC 沥青路面进行回收抽提，并与室内模拟老化沥青相比对，从沥青流变性数据分析得出；1 个PAV 老化周期并不能较好的模拟实际使用5 年的抽提沥青性能，传统的PAV 方法低估了沥青粘结剂在香港气候条件下的长期现场老化。

综上所述，通过RTFOT 和PAV 模拟沥青老化，随着试验时间的增加，沥青老化程度加深，呈规律性变化；能够在一定程度上通过室内试验模拟实际工程中沥青的老化程度，对沥青路面的施工和养护具有一定的指导意义。但由于沥青路面的老化受到所处路面的的原材料，结构层位，气候环境、交通荷载等因素的影响及缺乏广泛的理论和试验研究，建立沥青模拟老化和实际老化的量化关系仍需进一步研究。

3 老化时间对沥青力学性能影响

3.1 粘度随老化时间变化规律

SHRP 试验通过旋转粘度试验测量沥青胶结料的粘度，评价沥青胶结料的施工和易性，根据Superpave 胶结料规范，在温度135℃时其粘度≤Pa·s。

藏芝树等[15]在对中海油#90 沥青的研究中发现，经 RTFOT（85 min，60℃）老化后，沥青粘度增加40%；经过 RTFOT（85 min，60℃）+PAV（20 h），旋转粘度增加了69%。张陈等[16]在对中石油AH-50，AH-70，AH-90 室内 RTFOT 老化后，3 组标号不同沥青135℃下粘度分别提高19.3%，61%，42%。应容华等[17]对经RTFOT 老化后的沥青试样分别进行不同时间的PAV 老化得出：沥青粘度随PAV 老化时间增长而升高，通过拟合数据得出PAV 老化时间T 的粘度方程：

式（1）：η 为粘度，Pa·s；e 为自然指数；T 为 PAV 老化时间，h；Hr为粘度试验温度，℃。

孙世恒[18]在对 AH-50，AH-70，AH-90 沥青进行RTFOT 老化后，根据经验指数公式：M=AeBt拟合135℃下旋转粘度与室内老化时间关系，得出对应标号沥青老化拟合方程见表1，且基于粘度指标而言#70 沥青抗老化性能最好。

表1 老化拟合方程

综上所述，沥青旋转粘度随模拟老化时间的增长而升高，在RTFOT 与PAV 老化试验中指数关系模型能够很好的描述沥青的旋转粘度与老化试验时间的量化关系；由于沥青的成分复杂，对于不同型号不同产地的沥青，其关系模型中的常量应进行适当调整。

3.2 高温性能随老化时间变化规律

SHRP 试验采用动态剪切流变仪（DSR）评价沥青胶结料粘性和弹性特征，其以复数剪切模量（G*）、相位角（δ），及 G*/sinδ 为抗车辙因子（高温劲度系数）作为评价沥青抵抗永久变形及疲劳开裂能力的表征。

余琦等在对AH-70 基质沥青进行RTFOT 及PAV 试验老化中发现，在相同的DSR 测试温度下不同老化时间的基质沥青随着老化时间的增长沥青车辙因子增大；在不同老化时间沥青试验组中发现车辙因子随DSR 测试温度升高而逐渐减小；且PAV老化后较RTFOT 老化后车辙因子增幅更为明显，表明经PAV 老化沥青老化程度更高；同时试验数据具有良好的相关性，在对数据拟合分析后得出车辙因子 G*/sinδ 与 RTFOT 和 PAV 老化时间 T 及 DSR 试验温度t 关系：

张陈等在对中石化昆仑AH-50，AH-70，AH-90 沥青经 RTFOT 老化后在 50℃～100℃中每隔 3℃共17 个试验温度下进行动态剪切试验，其试验结果表明3 种标号沥青车辙因子随RTFOT 老化后增加，且随着动态剪切试验温度升高而增大，在相同的试验条件下，抗车辙因子AH-70 较AH-50 高，AH-90 较 AH-50 低。曾凡奇[19]在对壳牌 AH-70 和泰普克AH-90 沥青室内老化研究中发现，其他试验条件相同的情况下G*/sinδ 随老化时间具有很好的线性递增关系且G*/sinδ 差值越来越明显；同时随着剪切试验温度的升高，G*/sinδ 呈指数递减，分析试验数据得出G*/sinδ 与老化时间T 及试验温度t 间的关系为：G*/sinδ=（AT+B）×eCt，其中基质沥青的 C值约为-0.130（RTFOT），-0.140（PAV）。孙世恒在对#50，#70，#90 基质沥青的研究中发现，在仅以RTFOT 老化时间为因变量时，动态剪切模量G*随老化时间增长而增大，相位角减小，G*/sinδ 呈指数增大；仅以DSR 试验温度为变量时，动态剪切模量G*随温度升高而减小，相位角增大，G*/sinδ 减小；标号不同的沥青其动态剪切模量G*在老化前后变化程度并不相同。

综上所述，沥青作为一种粘弹性材料，DSR 试验能够对其粘弹性定量描述，随着老化时间及试验温度的升高，沥青变脆，粘性增大，而弹性降低；在试验结果上表现为复数剪切模量及抗车辙因子升高、相位角降低且各试验数据与老化时间具有很好的相关性，在实际路用性能上表现为抗车辙能力提升，低温开裂性能下降。

3.3 低温性能随老化时间变化规律

SHRP 试验基于应用梁的原理，开发了弯曲梁流变仪（BBR），测量沥青在极低温下的劲度，其以蠕变劲度模量S 和m 值为评价沥青低温抗裂性的指标。蠕变劲度是测量沥青抵抗恒载的能力，m 值是测量加载后沥青劲度变化的速率。

曾凡奇在对壳牌AH-70 和泰普克AH-90 沥青老化后低温性能的研究中发现，在RTFOT，PAV，RTFOT+PAV3 种老化方式中，沥青在-18℃的BBR试验温度下的弯曲劲度模量S 随老化试验时间的增长而增大，蠕变速率m 随之减小。藏芝树等在对中海油AH-90 沥青研究中发现，RTFOT+PAV 老化较RTFOT 老化后沥青弯曲劲度模量S 提高20%，RTFOT 老化后沥青较高温无氧老化后沥青提高41%,蠕变速率m 分别下降5%，7%，表明沥青在短期老化中低温性能下降较长期老化下降明显，应控制拌合施工时温度。张争奇等[20]对4 组沥青在经RTFOT 短期老化和RTFOT+PAV 长期老化的沥青分别进行了BBR 试验，根据试验结果分析得出老化前后沥青低温性能指标弯曲劲度模量S 变化见表2。

表2 老化前后沥青劲度模量S 变化表 %

由表2 分析可知，长期老化引起的弯曲劲度模量S 增量要比短期老化的大，表明沥青低温劲度值的增长主要在长期老化阶段。田小革等[21]对泰普克AH-70 沥青进行RTFOT+PAV 老化后进行BBR 试验时发现，随着试验温度的升高同一老化时间的沥青蠕变劲度S 降低,蠕变速率m 升高；同一测试温度下不同老化时间的沥青，老化时间越长，沥青蠕变劲度S 增大，蠕变速率m 降低，在-10℃～-15℃有一定的变异性。李海军等[22]在对壳牌AH-70 和泰普克AH-90 沥青BBR 试验中发现，同测试温度下经RTFOT+PAV 老化后的沥青较只进行RTFOT 的沥青其蠕变劲度S 老化前后增幅更大，表明沥青在长期老化中低温性能及抗疲劳性能下降更多。

综上所述，随RTFOT 和PAV 试验时间的增加，沥青低温抗裂性降低，表现为蠕变劲度S 增大，而蠕变速率m 在RTFOT 中随时间降幅较大，在PAV中较小。因此表明沥青在高温有氧环境老化速率更快，在实际施工过程中应注意拌合施工的时间和温度控制；但从长期路面性能来看，PAV 老化程度更深，蠕变劲度增幅更大，沥青的低温性能下降更多。

4 总结与展望

1）室内试验模拟沥青老化与实际沥青老化具有较好的相关性，当前国内有关沥青室内老化与工程实际老化建立模型关系的试验基础来源于沥青传统三大指标，而SHRP 流变试验指标与实际路面使用性能联系更为紧密，因此在未来的研究中应以沥青的流变性能指标建立模拟老化与实际老化的对应关系。

2）经室内老化后的基质沥青，高温力学性能随老化时间增长而增强，经验指数模型能够很好的描述沥青的高温力学性能与老化时间及试验温度之间关系。由于我国沥青的分级采用针入度等传统指标，但相同标号的基质沥青其老化后流变性能指标并不能表示出一致性，因此在未来研究中应根据沥青标号、产地对模型参数进行调整，进一步探索普适性老化模型。

3）经室内老化后的基质沥青，低温路用性能随老化时间增长而降低，且长期老化对其影响较大；在同一试验温度下，随着老化时间的增长，蠕变劲度S 增大，蠕变速率m 降低。由于缺乏试验数据，及BBR 试验数据离散型较大，对于构建沥青老化时间与低温性能指标间的量化关系仍需进一步探索。