短期老化對橋梁無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料的影響

孫兆鵬1，王利華2，劉爽3，王凱3，磨煉同3

(1.內(nèi)蒙古交通設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，呼和浩特 010010；2.孝感市公路

管理局，孝感 432000；3.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070)

摘要：通過薄膜烘箱老化試驗(TFOT)模擬無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料的高溫短期老化過程，分析老化后瀝青膠結(jié)料的質(zhì)量損失、彈性回復(fù)率以及流變性能。試驗結(jié)果表明高溫老化導(dǎo)致瀝青膠結(jié)料中輕組分揮發(fā)，低溫彈性回復(fù)下降，高低溫復(fù)合模量增加，但相位角變化較小，車轍因子和疲勞因子大體呈增趨勢。短期老化后瀝青膠結(jié)料仍表現(xiàn)出很好的粘彈性，有利于保持其使用性能。

關(guān)鍵詞：瀝青膠結(jié)料；老化；彈性回復(fù)；流變性

doi:10.3963/j.issn.1674-6066.2015.03.014

Abstract:This paper investigates the effects of short-term aging on asphalt binders of asphalt plug joints by using thin film oven test (TFOT). Tests on mass loss, elastic recovery and rheological properties were carried out. Test results indicated that light ingredients were volatilized during aging process. Aging resulted in decreased elasticity, increased complex modulus and a small change of phase angle. Rutting and fatigue parameters tended to increase after aging. Asphalt binders still showed good viscoelastic properties, which is helpful for the service performance.

收稿日期：2015-04-09.

作者簡介：孫兆鵬(1975-), 高級工程師.E-mail:sh_2004_123@126.com

Effect of Short-term Aging on Asphalt Binders of

Asphalt Plug Joints

SUNZhao-peng1,WANGLi-hua2,LIUShuang3,WANGKai3,MOLian-tong3

(1.Inner Mongolia Transit Design and Research Institute Co Ltd, Hohhot 010010, China;

2.Xiaogan Highway Administration, Xiaogan 43000, China; 3.State Key Lab of Silicate

Materials for Architectures,Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

Key words:asphalt binder;aging;elastic recovery;rheological properties

橋梁伸縮縫是整體橋梁構(gòu)造中的一個重要組成部分，主要設(shè)置在橋梁的梁端之間以適應(yīng)由于溫度變化、干縮、沉降、交通荷載等引起的橋梁變形。橋梁伸縮縫在豎直方向會直接承受行車載荷的作用，而水平方向必須適應(yīng)橋梁的伸縮變形，其使用條件相當(dāng)惡劣，容易產(chǎn)生各種破壞。瀝青填充無縫式伸縮縫由于其施工方便、養(yǎng)護時間短以及良好的降噪能力和行車舒適性而得到了越來越多的關(guān)注[1-4]。瀝青填充無縫式伸縮縫的伸縮量一般小于50 mm，主要應(yīng)用于跨度較小的中小型橋梁。

無縫伸縮縫結(jié)構(gòu)簡單，主要由鋼板和瀝青填充混合料組成，其中填充的瀝青混合料作為無縫伸縮縫的伸縮體，主要由瀝青膠結(jié)料和集料混合而成，其中瀝青膠結(jié)料是決定伸縮縫裝置使用性能的關(guān)鍵部分，不僅起到適應(yīng)橋梁伸縮變形和承受車輪反復(fù)沖擊的作用，同時能夠在不同的溫度條件下保持良好的力學(xué)性能，同時在使用過程中具有良好的抗老化性能和耐久性[5]。

瀝青填充無縫式伸縮縫所采用的瀝青膠結(jié)料是由高摻量的聚合物加入到基質(zhì)瀝青高度改性而得。大量研究表明聚合物復(fù)合改性瀝青可顯著提高瀝青的使用性能，如改善高溫抗流淌性、低溫抗開裂能力、耐老化和耐久性等[6,7]。此外，高摻量聚合物改性瀝青具有很高的彈性且彈性恢復(fù)性能良好，同時石料的粘附能力較強，特別適用于橋梁伸縮縫抗永久變形、抗低溫開裂及抗老化等要求[4]。

瀝青膠結(jié)料因高度改性后粘度大，需要長時間高溫(一般施工溫度不低于180 ℃)加熱后才能達到很好的流動性以便于拌和和澆注。研究表明高溫施工時聚合物改性瀝青會發(fā)生嚴重的聚合物降解和瀝青老化，直接影響到瀝青混合料使用性能和壽命[8，9]。該文采用薄膜烘箱老化試驗(TFOT)模擬施工過程中的高溫老化，利用老化前后質(zhì)量損失、彈性回復(fù)率以及動態(tài)流變性能分析瀝青膠結(jié)料的耐老化性能。

1原材料與試驗方法

無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料的制備主要采用70#基質(zhì)瀝青與SBS、廢舊橡膠粉、抗車轍劑和芳烴油改性而得，其配比為質(zhì)瀝青∶SBS∶廢舊橡膠粉∶抗車轍劑∶芳烴油=100∶8∶25∶6∶13。通過改變不同改性劑的添加順序來分析不同室內(nèi)制備工藝對改性效果的影響，并由此指導(dǎo)工廠生產(chǎn)線小試生產(chǎn)。實驗室對比3種制備工藝其中工藝1如下：將70#基質(zhì)瀝青加熱到180～190 ℃，按比例稱好所需要的改性劑，首先加入廢舊橡膠粉和芳烴油的混合物攪拌1.5～2 h，再加入其他改性劑攪拌并剪切1 h；工藝2是在瀝青達到180 ℃后先加入SBS和芳烴油的混合物剪切0.5 h再加入其他改性劑攪拌2 h；工藝3是在瀝青達到180 ℃后加入芳烴油攪拌再加入SBS剪切0.5 h，再加入其他改性劑攪拌2 h。工藝4是工廠按照工藝3進行生產(chǎn)線小試生產(chǎn)。

不同工藝制備所得的無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料參照國外規(guī)范要求開展，錐入度試驗、軟化點試驗、流動值試驗，彈性回復(fù)試驗和低溫柔性試驗，同時采用薄膜烘箱老化試驗(TFOT)模擬施工過程中的180 ℃高溫老化，開展老化后的彈性恢復(fù)和流變性試驗，分析其耐老化性能。

2結(jié)果分析與討論

2.1　常規(guī)指標結(jié)果分析

表1給出了四種不同工藝制備的瀝青膠結(jié)料的常規(guī)指標檢測結(jié)果。25 ℃錐入度反映的是瀝青的軟硬程度，按照英國規(guī)范，錐入度的要求是25～90 dmm，實測錐入度在36～51 dmm，滿足規(guī)范要求。軟化點反映的是瀝青膠結(jié)料的高溫性能，美國規(guī)范ASTMD 6297對軟化點的要求是大于83 ℃，英國規(guī)范要求軟化點大于80 ℃，四種材料的軟化點在88～99 ℃之間，表明膠結(jié)料具有很好的高溫性能。流動值檢測結(jié)果表明四種不同工藝制備的瀝青膠結(jié)料60 ℃時的流動值都小于0.5 mm，遠小于美國規(guī)范ASTMD 6297和瑞士規(guī)范要求的小于3 mm，說明具有很好的抗高溫流淌性。美國規(guī)范ASTMD 6297中25 ℃的彈性恢復(fù)率要求在40%～70%，表1結(jié)果表明四種材料的彈性恢復(fù)率在40%～50%范圍內(nèi)，工藝2的彈性回復(fù)率最大，工藝1的最小。整體而言，4種工藝制備的瀝青膠結(jié)料3種材料的彈性恢復(fù)率差別相對較小。-18 ℃拉伸試驗檢測證實室內(nèi)制備和工廠生產(chǎn)的瀝青膠結(jié)料低溫拉伸率達到50%時不會產(chǎn)生開裂，界面粘結(jié)性能良好，具有很好的低溫柔性。

表1　瀝青膠結(jié)料常規(guī)指標檢測結(jié)果

2.2　老化對彈性回復(fù)的影響

老化是瀝青在高溫、空氣等因素作用下發(fā)生的很復(fù)雜的過程，而老化使瀝青變硬變脆。此外，聚合物改性瀝青的老化通常伴隨著聚合物的降解以及瀝青微觀結(jié)構(gòu)的變化[9,10]。瀝青膠結(jié)料在老化后性能也會發(fā)生變化，其中低溫回彈性變化較為明顯。表2給出了老化前后的瀝青膠結(jié)料的質(zhì)量損失和低溫彈性回復(fù)試驗結(jié)果。試驗參照的是瑞士規(guī)范，在0 ℃采用延度試驗儀檢測其低溫彈性，試件拉伸到150 mm后立即剪斷，測定30 min后試件的長度并計算其回復(fù)率。

表2　老化前后的彈性恢復(fù)率

瀝青膠結(jié)料老化后質(zhì)量呈減小趨勢，其工藝3的質(zhì)量損失最大，可能是輕組分的揮發(fā)，而工廠生產(chǎn)線小試生產(chǎn)的膠結(jié)料老化后質(zhì)量略有增加，可能是瀝青中某些組分被氧化，質(zhì)量增大。瑞士規(guī)范對0 ℃彈性回復(fù)率的要求是大于75%，老化后的變化率小于15%，數(shù)據(jù)表明所用制備的瀝青膠結(jié)料的彈性回復(fù)率都達到規(guī)范要求。瀝青膠結(jié)料在剪斷后的回彈是一個隨時間變化的過程，因此通過測定剪斷后2 min、4 min、8 min、16 min、30 min、45 min和60 min時試件的長度，可分析其回復(fù)率與時間變化規(guī)律，如圖1所示。老化后的瀝青膠結(jié)料的彈性回復(fù)率減小，回復(fù)率在試件剪斷后5 min內(nèi)迅速回彈，10 min之內(nèi)彈性較大，在10～30 min試件繼續(xù)回彈，30 min之后試件基本不再回彈，回復(fù)率趨于穩(wěn)定。老化后的試件回復(fù)率下降，說明老化使瀝青彈性減小。老化前后共計8個瀝青膠結(jié)料樣品的彈性回復(fù)的整體趨勢基本一致，可用下列對數(shù)函數(shù)進行按擬合：y=a×ln(x)+b，其中a是函數(shù)的斜率，b是截距。

表3　對數(shù)函數(shù)參數(shù)表

abR2工藝1:未老化0.08240.5590.991工藝1:老化0.07260.55460.996工藝2:未老化0.06780.55860.994工藝2:老化0.06890.51150.994工藝3:未老化0.07370.52910.984工藝3:老化0.07280.50120.994工藝4:未老化0.07680.55360.983工藝4:老化0.06560.5270.991

采用最小二乘法擬合所得結(jié)果見表3，其相關(guān)系數(shù)用R2來表示，其值都大于0.99，說明函數(shù)的相關(guān)性很高，函數(shù)擬合的可信度高。老化后參數(shù)a整體變小，只有工藝2的參數(shù)a在老化后略微增大，參數(shù)b在老化后都是減小的，從整體上看老化后膠結(jié)料的彈性下降，使得低溫性能有所減弱。

2.3　老化對流變性的影響

通過動態(tài)剪切流變儀(DSR)測得膠結(jié)料的復(fù)合模量和相位角，可以作為分析材料流變性能評價的重要依據(jù)，其中，復(fù)合模量是最大剪切應(yīng)力和最大剪切應(yīng)變的比值，表征材料的抗變形能力；相位角是材料在測試過程中從施加剪切應(yīng)力應(yīng)變到響應(yīng)時的相位差，表征材料中粘性成分和彈性成分的大小，純粘性材料和純彈性材料的相位角分別為90°和0°，介于兩者之間的材料具有不同程度的粘彈性性質(zhì)[9]。對于無縫伸縮縫膠結(jié)料的高溫穩(wěn)定性和低溫柔性，要求高溫時應(yīng)具有高復(fù)合模量G*和低相位角δ，而低溫時恰好相反，要求具有低復(fù)合模量和高相位角[4]。表4給出了動態(tài)剪切流變儀(DSR)在頻率為10 rad/s下4種瀝青膠結(jié)料的低溫-5 ℃和高溫60 ℃下的復(fù)合模量G*和相位角δ以及車轍因子G*/sinδ和疲勞因子G*sinδ。在老化后，除了工藝1，低溫-5 ℃的復(fù)合模量G*整體呈增加的趨勢，表明老化后瀝青膠結(jié)料變硬。老化前后相位角δ變化相對小，仍保持30°～40°之間，表現(xiàn)出很好的粘彈性質(zhì)。老化后疲勞因子G*sinδ呈增加趨勢，其主要原因是瀝青老化后G*增加，瀝青變硬導(dǎo)致導(dǎo)致抗疲勞性能下降。在高溫60 ℃下，老化導(dǎo)致了復(fù)合模量G*整體呈增加的趨勢，而相位角δ略顯增加，但增加幅度小，因此導(dǎo)致了車轍因子G*/sinδ略有增加。與普通瀝青在60 ℃其相位角接近90°相比，無縫伸縮縫膠結(jié)料表現(xiàn)出很好的粘彈性，不易發(fā)生高溫流淌，這與高的軟化點互為佐證[5]。

表4　老化前后瀝青膠結(jié)料流變性能分析

3結(jié)語

通過薄膜烘箱老化試驗(TFOT)模擬無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料的施工時的高溫短期老化過程，老化后瀝青膠結(jié)料的質(zhì)量損失為負值，表明了高溫老化導(dǎo)致輕組分揮發(fā)。老化后彈性回復(fù)率有所下降，但仍保持在75%以上，彈性回復(fù)率與時間變化關(guān)系可用對數(shù)函數(shù)進行擬合。DSR流變檢測結(jié)果表明老化后復(fù)合模量增加，瀝青變硬，但相位角變化較小，車轍因子和疲勞因子呈增趨勢。短期老化后瀝青膠結(jié)料在很寬的溫度范圍內(nèi)仍保持很高的相位角，表現(xiàn)出很好的粘彈性，有利于保持其使用性能。

參考文獻

[1]張春清. 無縫伸縮縫在橋面鋪裝維修中的應(yīng)用[J].青海交通科技, 2010 (4):48-50.

[2]王旭. 淺談橋梁無縫伸縮縫的應(yīng)用[J]. 黑龍江交通科技, 2008( 10):68-69.

[3]劉海霞. 橋梁無縫伸縮縫材料的應(yīng)用[J]. 青海交通科技, 2012(1):48-51.

[4]Mo Liantong,Xie Yanjun,Dai Yang,et al. Review on Asphalt Plug Joints: Performance,Materials,Testing and Installation[J]. Construction and Building Materials, 2013, 45:106-114.

[5]謝嚴君，武銀君，代洋，等.橋梁無縫伸縮縫材料力學(xué)性能試驗分析究[J]. 建材世界，2013，34(2)：43-47.

[6]程健, 占博川. 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物/廢膠粉復(fù)合改性瀝青的制備[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報, 2012(6):8-12.

[7]宋家楠, 黃治冶, 徐向輝.膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青與SBS改性瀝青、橡膠瀝青的基本性能比較研究[J].北方交通,2012(7):3-5.

[8]王芳,袁萬杰, 程忠達. 瀝青老化性能指標研究[J]. 公路交通技術(shù)，2005(4)：57-59.

[9]Ruan Yonghong,Davison Richard R,Charles J Glover. The Effect of Long-term Oxidation on the Rheological Properties of Polymer Modified Asphalts[J]. Fuel,2003:82:1763-1773.