謝祥兵，李廣慧，李 晗，童申家，耿九光

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450046;2.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055;3.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064)

0 引言

瀝青混合料是典型的顆粒物質(zhì)體系，其低溫開(kāi)裂性能與集料顆粒間的瀝青膠漿材料微損傷等因素密切相關(guān)，而瀝青膠漿是由瀝青、礦粉及兩者接觸過(guò)程中形成的界面相組成，對(duì)瀝青混合料路用性能起著關(guān)鍵作用[1]。研究者們主要運(yùn)用細(xì)觀力學(xué)方法、流變?cè)囼?yàn)技術(shù)闡釋瀝青膠漿的力學(xué)性能、組分之間作用及評(píng)價(jià)指標(biāo)和范圍推薦，如Buttlar、Kim等結(jié)合細(xì)觀力學(xué)模型、流變學(xué)模型研究了瀝青膠漿黏彈性性能[2-3];王捷等從瀝青混合料高低溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能角度提出粉膠比取值為0.8～1.6[4]；張爭(zhēng)奇等從瀝青膠漿流變性能角度推薦粉膠比不宜超過(guò)1.2[5];譚憶秋等從填料與瀝青相互作用角度確定出最佳粉膠比宜為0.9～1.4[6]；樊亮等分析了礦粉對(duì)瀝青膠漿的影響機(jī)制，采用不可回復(fù)柔量差進(jìn)行最大粉膠比判斷[7]。其中部分學(xué)者開(kāi)展了填料特性對(duì)瀝青抗老化性能的研究，如張爭(zhēng)奇[8]、王秉綱[9]等推薦熱氧老化下瀝青膠漿粉膠比不宜超過(guò)1.5；Cheng等探究了填料摻量(0%，5%，10%，15%)和類(lèi)型(硅藻土、石灰?guī)r礦粉)對(duì)瀝青膠漿抗熱氧老化能力的影響，認(rèn)為硅藻土對(duì)瀝青抗老化能力提高最為顯著，并通過(guò)數(shù)理分析法確定出在瀝青中的最佳體積摻量為12%[10]；Xie[11]等利用紅外光譜和凝膠色譜試驗(yàn)從物理化學(xué)的角度闡釋了填料對(duì)瀝青抗紫外光老化機(jī)理；Qian等先運(yùn)用磷酸型單烷氧基類(lèi)鈦酸脂(TM-P)對(duì)磷渣粉表面進(jìn)行處理后研究其對(duì)瀝青抗老化性能的影響，確定出改性磷渣粉可以顯著提高瀝青抗老化性能[12]。

瀝青膠漿在瀝青混合料的三級(jí)分散體系中發(fā)揮著重要作用，瀝青膠漿低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)與瀝青混合料低溫開(kāi)裂具有顯著性關(guān)系，即粉膠比越大，瀝青混合料低溫抗變形能力越弱，其斷裂形式與瀝青混合料路面開(kāi)裂形式相近。高海拔地區(qū)具有典型的高原氣候特征，即日照豐富、氣溫低、溫差大等顯著特點(diǎn)，豐富日照造成瀝青混合料表層發(fā)生老化和脆化，導(dǎo)致瀝青混合料抗拉強(qiáng)度及抗變形能力不斷衰減，加劇低溫開(kāi)裂。因此，本研究以定量紫外光輻照下瀝青膠漿的常規(guī)技術(shù)性質(zhì)、流變性能為主要評(píng)價(jià)方法，結(jié)合數(shù)理分析方法推薦適宜高海高海拔地區(qū)的瀝青膠漿粉膠比，為高海拔地區(qū)瀝青混合料路面抗裂設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 制備瀝青膠漿試樣

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG_F40—2004)B6.8.1中所規(guī)定的瀝青混合料粉膠比范圍，本研究擬選取粉膠比值(質(zhì)量比)F/A為0.6～1.8，間隔為0.2，作為研究對(duì)象。結(jié)合相關(guān)研究成果，運(yùn)用精密磁力攪拌器通過(guò)分次加入填料的方法獲得不同質(zhì)量比的瀝青，其主要原材料為：韓國(guó)90#基質(zhì)瀝青及其相對(duì)應(yīng)的SBS I-C改性瀝青、石灰?guī)r礦粉，上述原材料均符合相應(yīng)規(guī)范中有關(guān)指標(biāo)的要求。

1.2 室內(nèi)紫外光老化試驗(yàn)

以新建京新高速臨哈段道路工程為依托，根據(jù)文獻(xiàn)[13-15]中的年紫外光輻照總量420 MJ/m2進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，采用公式(1)可確定出室內(nèi)加速模擬紫外光老化速率為14.8，其中A取值為420 MJ/m2，I取值為200 W/m2(環(huán)境箱實(shí)測(cè)紫外光輻照強(qiáng)度)，環(huán)境箱工作溫度為35 ℃[16]。為了重現(xiàn)瀝青膠漿室外光老化環(huán)境，所有膠漿試樣先進(jìn)行薄膜老化試驗(yàn)，然后放置在老化環(huán)境箱中老化8 h，同時(shí)使試樣旋轉(zhuǎn)90°以保證試樣收到均勻光照。

(1)

圖1 試樣紫外光老化前后形貌Fig.1 Morphology of specimen before and after UV aging

結(jié)合已有的研究結(jié)論[17-18]，采取定量紫外光輻照研究瀝青膠漿材料性能變化，即室內(nèi)紫外光老化時(shí)長(zhǎng)設(shè)為194 h，室內(nèi)紫外光輻照強(qiáng)度為200 W/m2。對(duì)比圖1中瀝青膠漿紫外光老化前后的表面形貌可知，老化前表面形貌平整、亮黑且有光澤，而老化后表面有些位置發(fā)生皺褶，且部分區(qū)域呈現(xiàn)藍(lán)色或紫色，由此可以確定出瀝青膠漿不僅在紫外光輻照下發(fā)生了老化，而且為材料性能分析奠定了基礎(chǔ)。

2 常規(guī)性能試驗(yàn)分析

采取軟化點(diǎn)增值ΔT、延度保留率(ductility retention rate,DRR)、殘留針入度比(percent retained penetration,PRP)表征不同填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)瀝青耐光老化常規(guī)技術(shù)性質(zhì)演變規(guī)律[9-10]，其中延度測(cè)試條件為10 ℃，1 cm/min[19]。計(jì)算公式見(jiàn)式(2)～(4)，結(jié)果如圖2所示。

化增值=老化后化值-老化前化值，

(2)

延度保留率=(老化后延度值/老化前延度值)×100，

(3)

留入度比=(老化后入度值/老化前入度值)×100。

(4)

圖2 不同類(lèi)型瀝青膠漿常規(guī)性能指標(biāo)Fig.2 Conventional performance indicators of different types of asphalt mortar

分析圖2可知，固定粉膠比下的基質(zhì)瀝青膠漿都表現(xiàn)出相似的變化特征，軟化點(diǎn)增量值ΔT降低，延度保留率DRR增高，殘留針入度比PRP升高，根據(jù)常規(guī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的物理意義可知，基質(zhì)瀝青中摻加礦粉可以有效改善瀝青的耐老化性能[12]；與基質(zhì)瀝青膠漿相比較，SBS改性瀝青膠漿軟化點(diǎn)增量值ΔT、延度保留率DRR、殘留針入度比PRP的演化規(guī)律不太顯著，礦粉的加入對(duì)SBS改性瀝青常規(guī)性能的影響比較復(fù)雜，如當(dāng)填料摻量較低時(shí)，軟化點(diǎn)增量值ΔT由-8變到1.2，這主要是由于改性瀝清老化后的軟化點(diǎn)變化趨勢(shì)取決于基質(zhì)瀝青和聚合物SBS的共同作用，基質(zhì)瀝青紫外光老化會(huì)造成改性瀝青軟化點(diǎn)增高，而聚合物SBS降解造成改性瀝青軟化點(diǎn)降低[20]。分析圖2中兩種瀝青膠漿殘留針入比PRP趨勢(shì)可知，瀝青膠漿殘留針入度比PRP與溫度成正相關(guān)關(guān)系，其中基質(zhì)瀝青膠漿在25 ℃下的值變化最為顯著，其最大值約為55.0%，而改性瀝青膠漿在15 ℃下變化最為顯著，其最大值約為72.0%。

3 流變性能試驗(yàn)分析

SHRP試驗(yàn)中的瀝青旋轉(zhuǎn)黏度、瀝青彎曲蠕變勁度、基于動(dòng)態(tài)剪切流變儀的瀝青流變性質(zhì)試驗(yàn)中的相關(guān)指標(biāo)都可以表征瀝青膠漿性能[21]。因此，借助上述評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)構(gòu)建活化能老化指數(shù)、抗疲勞(車(chē)轍)因子老化指數(shù)、蠕變勁度老化指數(shù)探究紫外光照下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的填料對(duì)瀝青耐紫外光老化性能影響的演變規(guī)律。

3.1 老化前后黏度及活化能分析

活化能主要用于表征瀝青膠漿在不同溫度下的黏流態(tài)流動(dòng)能力[22]，因此分別測(cè)試了瀝青膠漿在120，135，145 ℃溫度下的老化前后黏度，見(jiàn)圖3～圖4，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)式(5)評(píng)價(jià)瀝青膠漿老化前后溫度敏感性。

(5)

圖3 基質(zhì)瀝青膠漿表觀黏度 Fig.3 Apparent viscosity of matrix asphalt mortar

圖4 改性瀝青膠漿表觀黏度Fig.4 Apparent viscosity of modified asphalt mortar

圖5 基質(zhì)瀝青膠漿活化能Fig.5 Activation energy of matrix asphalt mortar

圖6 改性瀝青膠漿活化能Fig.6 Activation energy of modified asphalt mortar

式中，η為表觀黏度；T為絕對(duì)熱力學(xué)溫度；R為玻爾茲曼常數(shù)，取值為8.314 J/(mol·K)；A為擬合常數(shù)[22-23]，其相關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5～圖6。為了評(píng)定紫外光輻照下填料摻量對(duì)瀝青黏流態(tài)流動(dòng)能力的影響，定義活化能老化指數(shù)(activation energy ageing index，EAI)，計(jì)算公式見(jiàn)式(6)，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

(6)

比較圖3～圖4測(cè)試結(jié)果可知，與老化前相比，瀝青膠漿老化后黏度值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中在120～135 ℃ 時(shí)的增黏效果比145 ℃時(shí)顯著；由圖5～圖6可知，紫外光老化前，兩種類(lèi)型瀝青膠漿隨著礦粉摻量逐漸增加，活化能逐漸升高；與老化前相比，紫外光老化后基質(zhì)瀝青膠漿活化能升高，改性瀝青膠漿活化能降低，改性瀝青膠漿活化能值低于基質(zhì)瀝青膠漿，兩種類(lèi)型瀝青膠漿都表現(xiàn)為先降低后上升的趨勢(shì)。相關(guān)研究結(jié)果表明，黏流活化能與材料的溫度穩(wěn)定性密切相關(guān)，黏流活化能越高，其溫度敏感性越低[10, 22-23]，由此可知紫外光輻照使基質(zhì)瀝青膠漿溫度敏感性降低，這主要是由瀝青組分之間的相互作用作用所致。與基質(zhì)瀝青相比，紫外光老化后改性瀝青黏流活化能降低，這可能是由于在紫外光輻照下聚合物SBS發(fā)生降解，使得瀝青和聚合物相互作用減弱，而且該作用大于基質(zhì)瀝青組分之間的相互作用。

圖7 瀝青膠漿EAI值Fig.7 EAI value of asphalt mortar

由圖7(a)可知，基質(zhì)瀝青膠漿活化能指數(shù)值小于基質(zhì)瀝青活化能指數(shù)值，隨著粉膠比F/A逐漸增大，基質(zhì)瀝青膠漿活化能老化指數(shù)表現(xiàn)為先降低后升高的趨勢(shì)，這說(shuō)明紫外光老化對(duì)瀝青膠漿活化能的影響是由填料摻量引起的，加入適量填料可以有效降低紫外光老化對(duì)瀝青溫度敏感性的影響。結(jié)合圖2(b)可知，伴隨瀝青膠漿活化能增高，其低溫延展性逐漸降低。在摻加礦粉提高瀝青耐紫外光老化性能的同時(shí)，應(yīng)保持一定的低溫性能，因此瀝青膠漿活化老化指數(shù)EAI越小，填料對(duì)瀝青耐紫外光老化性能越好。改性瀝青膠漿與基質(zhì)瀝青膠漿表現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，上述分析結(jié)論同樣適用于改性瀝青膠漿。根據(jù)上述回歸公式，可確定出礦粉與基質(zhì)瀝青和改性瀝青的最佳質(zhì)量比分別為1.220和0.973。

3.2 抗疲勞因子/車(chē)轍因子分析

在SHRP計(jì)劃中運(yùn)用動(dòng)態(tài)剪切流變儀研究瀝青膠結(jié)料流變性質(zhì)，結(jié)合相關(guān)成果本研究采用該方法表征瀝青膠漿流變性質(zhì)[21, 24-25]，其中在γ=1%，ω=10 rad/s，10 ℃[19, 25]條件下評(píng)價(jià)瀝青膠漿抗疲勞性能，在測(cè)試條件為γ=10%，ω=10 rad/s，64 ℃條件下評(píng)價(jià)瀝青膠漿抗車(chē)轍性能，兩種測(cè)試條件下的試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖8～圖9和圖11～圖12。為了評(píng)定紫外光輻照下填料摻量對(duì)瀝青流變性質(zhì)的影響，分別定義抗疲勞因子老化指數(shù)(FAI，fatigue factor ageing index)和抗車(chē)轍因子老化指數(shù)(Rut factor ageing index，RAI)，計(jì)算公式見(jiàn)式(7)～(8)，計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)圖10和圖13。

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圖8 基質(zhì)瀝青膠漿G*sin δ結(jié)果Fig.8 G*sin δ result of matrix asphalt mortar

圖9 改性瀝青膠漿G*sin δ結(jié)果Fig.9 G*sin δ result of modified asphalt mortar

圖10 不同類(lèi)型的瀝青膠漿疲勞因子老化指數(shù)Fig.10 Fatigue factor aging indicators of different types of asphalt mortar

通過(guò)分析圖8～圖9可知，與瀝青相比，加入填料后相應(yīng)的瀝青膠漿抗疲勞因子G*·sinδ增大，說(shuō)明瀝青膠漿的抗疲勞性能小于瀝青；在固定粉膠比，紫外光老化后的瀝青及其膠漿抗疲勞因子G*·sinδ增大，與老化前相比，結(jié)合圖10可知瀝青膠漿疲勞因子增長(zhǎng)幅度小于瀝青，這說(shuō)明填料有助于改善瀝青的耐光老化能力。根據(jù)上述回歸公式，可確定出礦粉與基質(zhì)瀝青和改性瀝青的最佳質(zhì)量比分別為1.217和1.094。

圖11 基質(zhì)瀝青膠漿G*/sin δ結(jié)果Fig.11 G*sin δ result of matrix asphalt mortar

圖12 改性瀝青膠漿G*/sin δ結(jié)果Fig.12 G*sin δ result of modified asphalt mortar

通過(guò)分析圖11～圖12可知，與瀝青相比，加入礦粉后瀝青抗車(chē)轍因子G*/sinδ增大，說(shuō)明瀝青膠漿的高溫性能優(yōu)于瀝青；在固定粉膠比下，紫外光老化后瀝青及瀝青膠漿高溫抗變形能力提高，結(jié)合圖13可知改性瀝青及其相對(duì)應(yīng)膠漿的車(chē)轍因子增幅小于基質(zhì)瀝青及其膠漿，且兩種瀝青膠漿材料抗車(chē)轍因子老化指數(shù)RAI表現(xiàn)為相同的趨勢(shì)，即先降低后升高，這說(shuō)明加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的填料對(duì)瀝青耐紫外光老化能力有顯著影響；根據(jù)上述結(jié)果回歸公式可知，基質(zhì)瀝青最佳粉膠比為1.240，改性瀝青為1.109。

圖13 瀝青膠漿RAI值Fig.13 RAI value of asphalt mortar

比較圖10和圖13可知，與瀝青老化指數(shù)相比，兩種瀝青膠漿在不同粉膠比下的老化指數(shù)均出現(xiàn)降低，這說(shuō)明摻入填料可以有效改善瀝青耐老化性能；與車(chē)轍因子指數(shù)變化幅度相比，疲勞因子老化指數(shù)降幅最為顯著，其中基質(zhì)瀝青膠漿由82.82%降低到7.49%，改性瀝青膠漿由61.94%降低到3.25%，這說(shuō)明在高海拔地區(qū)修筑瀝青路面時(shí)，應(yīng)特別注意其光老化對(duì)抗疲勞性能影響。結(jié)合兩種瀝青膠漿材料老化前后的常規(guī)技術(shù)性能測(cè)試結(jié)果，可以確定出兩種類(lèi)型瀝青膠漿的最佳粉膠質(zhì)量比為分別為0.8～1.0(改性瀝青)和1.0～1.2(基質(zhì)瀝青)。

3.3 低溫性能分析

采用BBR試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同類(lèi)型瀝青膠漿低溫性能，試驗(yàn)溫度為-18 ℃，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖14；為了進(jìn)一步研究在定量紫外光輻照下填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)瀝青低溫性能的影響，借鑒相關(guān)研究成果，采用蠕變勁度老化指數(shù)(Creep stiffness ageing index，SAI)表征填料對(duì)瀝青耐光老化低溫性能影響，根據(jù)式(9)確定出計(jì)算結(jié)果如圖14所示。

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圖14 瀝青膠漿低溫性能測(cè)試結(jié)果Fig.14 Test result of low temperature properties of asphalt mortar

圖15 瀝青膠漿SAI值Fig.15 SAI value of asphalt mortar

通過(guò)對(duì)圖14分析可知，在固定粉膠比下，兩種瀝青膠漿老化后的蠕變彎拉模量S升高，蠕變勁度曲線(xiàn)斜率m降低。圖15描述了兩種瀝青膠漿蠕變勁度老化指數(shù)的演化規(guī)律，與瀝青蠕變勁度老化指數(shù)相比，瀝青膠漿蠕變勁度老化指數(shù)SAI表現(xiàn)為先減小后增大，這說(shuō)明在瀝青中摻入填料可以提高其耐老化性能，卻降低低溫性能；通過(guò)SAI與F/A之間的數(shù)據(jù)擬合關(guān)系可確定出，基質(zhì)瀝青及其相應(yīng)的改性瀝青的最佳粉膠比分為1.108和0.903 4。

為進(jìn)一步研究紫外輻照強(qiáng)度和礦粉摻量對(duì)瀝青老化性能的影響，結(jié)合雙因素方差分析法，對(duì)上述兩因素進(jìn)行分析研究，其中紫外光燈功率分別為500，1 000，2 000 W，粉膠比F/A取值范圍為0.8～1.4和1.2～1.6，分析結(jié)果如表1～表2所示。

表1 粉膠比0.8～1.4方差結(jié)果Tab.1 Variance result (filler-asphalt ratio in range of 0.8 -1.4)

表2 粉膠比1.2～1.6方差結(jié)果Tab.2 Variance result (filler-asphalt ratio in range of 1.2-1.6)

由F分布表確定出F1-0.001(3,6)=9.78，F(xiàn)1-0.001(2,6)=10.9，F(xiàn)1-0.05(3,6)=4.76，F(xiàn)1-0.001(2,4)=18.0，F(xiàn)1-0.05(2,4)=6.94，結(jié)合表1可知，F(xiàn)1-0.05(3,6)<粉膠比FAF1-0.001(2,6)，結(jié)合表2可知，粉膠比F/A>F1-0.001(2,4)=18.0。根據(jù)因素方差平方和值越大，說(shuō)明該因素影響越嚴(yán)重，可知，在粉膠比F/A為0.8～1.4時(shí)，紫外光輻照強(qiáng)度對(duì)蠕變勁度指數(shù)有顯著影響，而在粉膠比F/A為1.2～1.6時(shí)，粉膠比F/A中礦粉摻量對(duì)蠕變勁度老化指數(shù)影響顯著。通過(guò)瀝青膠漿體積質(zhì)量換算可以確定出，在礦粉體積摻量小于40%時(shí)，可以重點(diǎn)考慮紫外光輻照強(qiáng)度的影響，而當(dāng)?shù)V粉摻量大于40%時(shí)，礦粉摻量的影響最為顯著，研究紫外光照下瀝青膠漿材料性能時(shí)，不能忽略礦粉摻量的影響。

4 結(jié)論

通過(guò)常規(guī)技術(shù)性能測(cè)試、流變性能測(cè)試表征了定量紫外光輻照下瀝青膠漿中填料摻量對(duì)瀝青材料耐老化性能的影響，其相關(guān)結(jié)論主要有以下3點(diǎn)：

(1)在瀝青中摻加適量填料可以有效改善瀝青耐老化性能，其中改性瀝青材料性能演化規(guī)律比基質(zhì)瀝青復(fù)雜。

(2)礦粉摻量固定時(shí)，光老化造成瀝青膠漿黏度增大，溫度敏感性降低，而抗車(chē)轍因子提高，抗疲勞因子、低溫性能降低。

(3)在定量紫外光照下，礦粉與基質(zhì)瀝青、改性瀝青的最佳質(zhì)量比F/A分別為1.0～1.1和0.9～1.0，在上述粉膠比范圍內(nèi)紫外光輻照強(qiáng)度是影響材料性能的主要因素。