沥青加速老化流变特性及化学特性研究

作者简介：彭吉瑞（1992—），工程师，主要从事道路工程研究工作。

为研究沥青结合料在不同RTFOT老化时间下的流变特性和化学特性，文章选用70#沥青和SBS改性沥青为研究对象，采用动态剪切流变试验和傅里叶红外光谱试验开展研究，得出结论如下：70#沥青和SBS改性沥青两种沥青结合料的135 ℃布式旋转黏度、64 ℃车辙因子、19 ℃疲劳因子及羰基指数均随着RTFOT老化时间呈指数规律增加；沥青老化是一个加速过程，随着老化程度加深，沥青各项指标快速增加或衰减；通过指数模型拟合试验指标与RTFOT老化时间之间的关系，发现除疲劳因子外，其余指标的RTFOT老化方式与PAV老化方式相当的等效时间均为240 min左右，在实践中可考虑采用240 min RTFOT老化代替PAV老化。

道路工程；沥青结合料；沥青老化；流变特性；化学特性

U414.1A180644

0 引言

沥青路面在长期服役过程中，受到自然环境的影响，沥青将会发生热氧老化作用。沥青结合料的热氧老化作用还伴随着聚合、触变、脱水和分离，是一个复杂的化学变化过程［1］。在沥青老化过程中，来自环境的氧气扩散并与沥青发生化学反应，使沥青变得更硬、更脆，从而改变其性质，可能会导致疲劳和裂缝等损伤，并导致路面性能下降。在实验室中模拟这些老化条件，并预测沥青结合料长期老化，对沥青路面的设计、施工有一定的参考作用。美国标准ASTM D2872［2］和我国规程JTG E20-2011［3］采用旋转薄膜烘箱老化（RTFOT）模拟沥青的短期老化，ASTM D6521［4］和JTG E20-2011［3］采用压力老化（PAV）模拟沥青的长期老化。然而，PAV较长的时间消耗以及昂贵的设备使用费用，局限了长期老化试验的推广和应用。因此，研究人员一直在尝试简化长期老化试验以利于长期老化试验的推广应用。Migliori F等［5］对低标号沥青在PAV中老化1至40 h的性能变化开展研究，结果表明：RTFOT老化相当于PAV老化5 h。Wu等［6］通过在60 ℃下不同时间的PAV试验，探讨了基质沥青和SBS改性沥青性能变化。经过流变学分析，研究得出结论：老化时间对SBS改性沥青的影响与其基质沥青密切相关。Behera等［7］使用普通实验室烘箱模拟短期和长期老化，采用了六种沥青结合料，包括聚合物和胶粉改性沥青。根据车辙和疲劳性能试验结果，普通沥青在85 ℃下的烘箱老化3～4 d，改性沥青在烘箱老化4～5 d，相当于PAV老化20 h。目前，对PAV试验替代方案的研究较少，且所采用的老化沥青评价方法比较有限。因此，本文通过增加RTFOT老化时间，并基于流变性能试验和傅里叶红外光谱试验，探索RTFOT代替PAV进行沥青长期老化试验的可能性。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

目前，我国应用较为广泛的沥青结合料分别为70#沥青（主要在南方地区应用较多）和SBS改性沥青。两种沥青的基本技术指标见表1。

1.2 老化方案

为探讨RTFOT代替PAV进行长期老化所需的老化时间，设置5个RTFOT老化时间，分别为80 min、160 min、240 min、320 min、400 min。同时设置PAV老化参考组，PAV老化流程为先进行RTFOT老化80 min，然后进行100 ℃下20 h的标准PAV试验。

1.3 试验方案

1.3.1 布式旋转黏度

对不同老化时间的RTFOT老化沥青样品以及PAV老化沥青样品开展布式旋转黏度试验，以测试不同老化状态的沥青结合料的黏度变化情况。试验温度为135 ℃，试验过程参考我国规范JTG E20-2011的要求进行。

1.3.2 动态剪切流变试验

主要测试沥青试样的高温流变性能和中温流变性能，获得的参数为复数模量G*和相位角δ。高温流变性能样品直径为25 mm、间隙为1 mm，加载频率为10 rad/s，采用应变控制，应变控制在10%，试验温度为64 ℃；中温流变性能试验样品直径为8 mm，间隙为2 mm，加载频率为10 rad/s，采用应变控制，应变控制在1%，试验温度为19 ℃。试验过程参考我国规程JTG E20-2011的要求进行。

1.3.3 红外光谱试验

使用美国公司生产的Nicolet iS5红外光谱仪，每次试验（包括样品放置和测量）进行测试所需的时间小于5分钟。测量范围在400～4 000 cm-1的波数范围内，用于研究热氧老化对化学成分变化的影响。对于烃类物质来说，羰基是最常见的氧化官能团，羰基（C=O）指数是被广泛认可的反映沥青氧化的评价指标［8］，因此本文采用羰基（C=O）评价沥青氧化水平。选取1 660～1 720 cm-1的羰基吸收峰作为老化沥青特征峰，使用OMNIC软件测定峰面积，采用公式（1）进行沥青老化定量分析。

2 试验结果及分析

2.1 布式旋转黏度

布式旋转黏度试验结果如图1所示。

由图1可知，老化沥青的布式旋转黏度随着RTFOT持续时间的增加而增加，这是因为沥青老化是时间和温度的函数。此外，无论是70#沥青还是SBS改性沥青，240 min RTFOT老化等效于PAV老化。为量化RTFOT老化与PAV老化的等效时间，采用指数模型对不同RTFOT老化时间的布式旋转黏度进行拟合，以老化时间为x值，布式旋转黏度为y值，得到拟合公式如表2所示。

由表2可知，两种沥青结合料的布式旋转黏度用指数模型拟合效果较好，R2均大于0.95，展现良好的相关性，表明沥青结合料布式旋转黏度参数随老化程度增加而指数上升。用所拟合的函数计算70#沥青和SBS改性沥青PAV后的布式旋转黏度所对应的等效时间参数分别为：246 min和219 min。由计算结果可知，拟合函数反算所得RTFOT与PAV老化等效时间与前文所得240 min结果差距较小，可认为240 min的RTFOT老化相当于PAV老化。

2.2 车辙因子

高温流变性能试验结果如图2所示。

由图2可知，随着沥青老化程度的加深，70#沥青与SBS改性沥青的车辙因子G*/sinδ均不断增加。沥青热氧老化使得其内部微观结构分离，从而使沥青结合料变得更硬、更脆，导致抗车辙性能的提升。与前文类似，采用指数模型对不同RTFOT老化时间的车辙因子进行拟合，以老化时间为x值，车辙因子为y值，得到拟合公式如表3所示。

由表3可知，两种沥青结合料的车辙因子与RTFOT老化时间的关系用指数模型拟合效果较好，R2均大于0.990，展现良好的相关性，表明沥青结合料车辙因子随老化程度增加而指数上升。注意到，车辙因子与RTFOT老化时间的指数模型相较布式旋转黏度具有更高的R2。因此，沥青的车辙因子对老化时间的变化更为敏感，更符合指数模型趋势。用所拟合的函数计算70#沥青和SBS改性沥青PAV后的车辙因子所对应的等效时间参数分别为：244 min和256 min。

2.3 疲劳因子

中温流变性能试验结果如图3所示。

由图3可知，随着老化程度加深，70#沥青与SBS改性沥青的疲劳因子G*·sinδ均不断增加。沥青热氧老化伴随着沥青质增多，而芳香芬、饱和芬等轻质组分减少，必然导致沥青变硬，柔韧性不足，因此导致疲劳性能的下降。从图中可知SBS改性沥青的疲劳因子随老化程度增加的幅度低于70#基质沥青，说明70#沥青疲劳性能对老化程度更为敏感。与前文类似，采用指数模型对不同RTFOT老化时间的疲劳因子进行拟合，以老化时间为x值，疲劳因子为y值，得到拟合公式如表4所示。

由表4可知，两种沥青结合料的疲劳因子与RTFOT老化时间的关系用指数模型拟合效果较好，R2均大于0.950，展现良好的相关性，表明沥青结合料疲劳因子随老化程度增加而指数上升。用所拟合的函数计算70#沥青和SBS改性沥青PAV后的疲劳因子所对应的等效时间参数分别为：300 min和332 min。疲劳因子反算所得RTFOT与PAV老化程度相当的等效时间与前文布式旋转黏度、车辙因子有很大差异。产生该现象的原因主要是布式旋转黏度与车辙因子均反映沥青的高温性能，属于同一种类型的检测指标，这两个指标本身具有很强的相关性。而疲劳因子反映沥青抗疲劳性能，且检测温度为常温状态，与车辙因子、布式旋转黏度在原理上有很大不同。疲劳因子与车辙因子和布式旋转黏度所确定的等效温度差异较大，表明沥青结合料流变特性的复杂性，需要进行深入研究。因此本文采用红外光谱对其不同老化状态沥青结合料化学参数进行比较，进一步分析其作用机理。

2.4 红外光谱分析结果

不同老化状态的沥青结合料红外光谱试验结果如图4和图5所示。

由图4和图5可知：

随着老化程度加深，沥青试样的透光率逐渐增加，特别是1 700 cm-1处的峰面积不断增大，主要原因为加热导致挥发性损失，而氧化导致沥青重量增加。沥青老化伴随着一系列的化学反应，C=C键断裂并与氧气反应生成羰基（C=O），随着老化程度增加，将会产生更多C=O。观察到SBS改性沥青在699 cm-1和966 cm-1附近有较强的吸收峰，这是其主要特征峰。

采用软件对羰基指数进行计算，计算结果如图6所示。由图6可知：

随着沥青结合料老化程度加深，70#沥青与SBS改性沥青的羰基指数均呈指数趋势增加，与前文的流变性能试验结果相同。观察到SBS改性沥青的羰基指数均高于70#沥青，这主要是因为本文所采用的SBS改性沥青中的SBS改性剂掺量较小，因此保持了一定的化学活性。无论是70#沥青还是SBS改性沥青，RTFOT老化240 min的羰基指数与PAV老化相同。为量化RTFOT老化时间与羰基指数的关系，采用指数模型对不同RTFOT老化时间的羰基指数进行拟合，以老化时间为x值，羰基指数为y值，得到拟合公式如表5所示。

由表5可知，两种沥青结合料的羰基指数与RTFOT老化时间的关系用指数模型拟合效果较好，R2均大于0.940，展现良好的相关性，表明沥青结合料羰基指数随老化程度增加而指数上升。注意到70#沥青的羰基指数与老化时间的拟合参数R2大于SBS改性沥青，这主要是因为SBS改性沥青的老化过程化学反应较为复杂。用所拟合的函数计算70#沥青和SBS改性沥青PAV后的疲劳因子所对应的等效时间参数分别为：235 min和233 min。结合前文布式旋转黏度、车辙因子、疲劳因子所确定的RTFOT老化与PAV相同的等效温度结果，可以最终确定RFOT老化240 min与PAV相同是合理的，在实践中可采用240 min RTFOT老化代替PAV长期老化。

3 结语

对70#沥青和SBS改性沥青开展室内老化研究，探讨不同RTFOT老化时间对其的流变特性和化学性质的影响，尝试以RTFOT试验代替PAV试验，简化沥青长期老化试验，得出结论如下：

（1）本文所采用的评价指标包括布式旋转黏度、车辙因子、疲劳因子以及羰基指数，无论70#沥青还是SBS改性沥青的评价指标均与RTFOT的老化时间呈指数关系。因此，沥青老化是一个加速过程，随着老化时间增加，沥青的各项评价指标快速增加或衰减。

（2）采用指数模型对沥青结合料和RTFOT老化时间进行拟合，所获得的拟合方程具有较高的R2值，通过所拟合的指数模型方程反算PAV所对应的RTFOT老化等效时间。除了疲劳因子外，各项指标所获得的等效时间均在240 min左右。在实践中，可采用240 min的RTFOT老化代替PAV老化。

参考文献

［1］Roberts F.Hot mix asphalt materials，mixture design，and construction［M］.NAPA Eduction Foundation，1991.

［2］ASTM D2872，Standard Test Method for Effect of Heat and Air on a Moving Film of Asphalt（Rolling ThinFilm Oven Test）［S］.

［3］JTG E20-2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程［S］.

［4］AASHTO D6521，Standard Practice for Accelerated Aging of Asphalt Binder Using a Pressurized Aging Vessel（PAV）［S］.

［5］Migliori F，Corté，Jean-Francois.Comparative Study of RTFOT and PAV Aging Simulation Laboratory Tests［J］.Transportation Research Record，1998（1 638）：56-63.

［6］Wu S P，Pang L，Mo L T，et al.Influence of aging on the evolution of structure，morphology and rheology of base and SBS modified bitumen［J］.Construction & Building Materials，2009，23（2）：1 005-1 010.

［7］Behera P K，Singh A K，Reddy M A .An alternative method for short- and long-term ageing for bitumen binders［J］.Road Materials & Pavement Design，2013，14（2）：445-457.

［8］Yan C，Huang W，Tang N.Evaluation of the temperature effect on Rolling Thin Film Oven aging for polymer modified asphalt［J］.Construction & Building Materials，2017，137（4）：485-493.

［9］Lamontagne J，Dumas P，Mouillet V.Comparison by Fourier transform infrared（FTIR）spectroscopy of different ageing techniques：application to road bitumens［J］.Fuel，2001，80（4）：483-488.