作者簡(jiǎn)介：彭吉瑞（1992—），工程師，主要從事道路工程研究工作。

為研究瀝青結(jié)合料在不同RTFOT老化時(shí)間下的流變特性和化學(xué)特性，文章選用70#瀝青和SBS改性瀝青為研究對(duì)象，采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和傅里葉紅外光譜試驗(yàn)開展研究，得出結(jié)論如下：70#瀝青和SBS改性瀝青兩種瀝青結(jié)合料的135 ℃布式旋轉(zhuǎn)黏度、64 ℃車轍因子、19 ℃疲勞因子及羰基指數(shù)均隨著RTFOT老化時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律增加；瀝青老化是一個(gè)加速過程，隨著老化程度加深，瀝青各項(xiàng)指標(biāo)快速增加或衰減；通過指數(shù)模型擬合試驗(yàn)指標(biāo)與RTFOT老化時(shí)間之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)除疲勞因子外，其余指標(biāo)的RTFOT老化方式與PAV老化方式相當(dāng)?shù)牡刃r(shí)間均為240 min左右，在實(shí)踐中可考慮采用240 min RTFOT老化代替PAV老化。

道路工程；瀝青結(jié)合料；瀝青老化；流變特性；化學(xué)特性

U414.1A180644

0?引言

瀝青路面在長(zhǎng)期服役過程中，受到自然環(huán)境的影響，瀝青將會(huì)發(fā)生熱氧老化作用。瀝青結(jié)合料的熱氧老化作用還伴隨著聚合、觸變、脫水和分離，是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)變化過程［1］。在瀝青老化過程中，來自環(huán)境的氧氣擴(kuò)散并與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使瀝青變得更硬、更脆，從而改變其性質(zhì)，可能會(huì)導(dǎo)致疲勞和裂縫等損傷，并導(dǎo)致路面性能下降。在實(shí)驗(yàn)室中模擬這些老化條件，并預(yù)測(cè)瀝青結(jié)合料長(zhǎng)期老化，對(duì)瀝青路面的設(shè)計(jì)、施工有一定的參考作用。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM D2872［2］和我國(guó)規(guī)程JTG E20-2011［3］采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化（RTFOT）模擬瀝青的短期老化，ASTM D6521［4］和JTG E20-2011［3］采用壓力老化（PAV）模擬瀝青的長(zhǎng)期老化。然而，PAV較長(zhǎng)的時(shí)間消耗以及昂貴的設(shè)備使用費(fèi)用，局限了長(zhǎng)期老化試驗(yàn)的推廣和應(yīng)用。因此，研究人員一直在嘗試簡(jiǎn)化長(zhǎng)期老化試驗(yàn)以利于長(zhǎng)期老化試驗(yàn)的推廣應(yīng)用。Migliori F等［5］對(duì)低標(biāo)號(hào)瀝青在PAV中老化1至40 h的性能變化開展研究，結(jié)果表明：RTFOT老化相當(dāng)于PAV老化5 h。Wu等［6］通過在60 ℃下不同時(shí)間的PAV試驗(yàn)，探討了基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青性能變化。經(jīng)過流變學(xué)分析，研究得出結(jié)論：老化時(shí)間對(duì)SBS改性瀝青的影響與其基質(zhì)瀝青密切相關(guān)。Behera等［7］使用普通實(shí)驗(yàn)室烘箱模擬短期和長(zhǎng)期老化，采用了六種瀝青結(jié)合料，包括聚合物和膠粉改性瀝青。根據(jù)車轍和疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果，普通瀝青在85 ℃下的烘箱老化3～4 d，改性瀝青在烘箱老化4～5 d，相當(dāng)于PAV老化20 h。目前，對(duì)PAV試驗(yàn)替代方案的研究較少，且所采用的老化瀝青評(píng)價(jià)方法比較有限。因此，本文通過增加RTFOT老化時(shí)間，并基于流變性能試驗(yàn)和傅里葉紅外光譜試驗(yàn)，探索RTFOT代替PAV進(jìn)行瀝青長(zhǎng)期老化試驗(yàn)的可能性。

1?原材料及試驗(yàn)方法

1.1?原材料

目前，我國(guó)應(yīng)用較為廣泛的瀝青結(jié)合料分別為70#瀝青（主要在南方地區(qū)應(yīng)用較多）和SBS改性瀝青。兩種瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)見表1。

1.2?老化方案

為探討RTFOT代替PAV進(jìn)行長(zhǎng)期老化所需的老化時(shí)間，設(shè)置5個(gè)RTFOT老化時(shí)間，分別為80 min、160 min、240 min、320 min、400 min。同時(shí)設(shè)置PAV老化參考組，PAV老化流程為先進(jìn)行RTFOT老化80 min，然后進(jìn)行100 ℃下20 h的標(biāo)準(zhǔn)PAV試驗(yàn)。

1.3?試驗(yàn)方案

1.3.1?布式旋轉(zhuǎn)黏度

對(duì)不同老化時(shí)間的RTFOT老化瀝青樣品以及PAV老化瀝青樣品開展布式旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)，以測(cè)試不同老化狀態(tài)的瀝青結(jié)合料的黏度變化情況。試驗(yàn)溫度為135 ℃，試驗(yàn)過程參考我國(guó)規(guī)范JTG E20-2011的要求進(jìn)行。

1.3.2?動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

主要測(cè)試瀝青試樣的高溫流變性能和中溫流變性能，獲得的參數(shù)為復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ。高溫流變性能樣品直徑為25 mm、間隙為1 mm，加載頻率為10 rad/s，采用應(yīng)變控制，應(yīng)變控制在10%，試驗(yàn)溫度為64 ℃；中溫流變性能試驗(yàn)樣品直徑為8 mm，間隙為2 mm，加載頻率為10 rad/s，采用應(yīng)變控制，應(yīng)變控制在1%，試驗(yàn)溫度為19 ℃。試驗(yàn)過程參考我國(guó)規(guī)程JTG E20-2011的要求進(jìn)行。

1.3.3?紅外光譜試驗(yàn)

使用美國(guó)公司生產(chǎn)的Nicolet iS5紅外光譜儀，每次試驗(yàn)（包括樣品放置和測(cè)量）進(jìn)行測(cè)試所需的時(shí)間小于5分鐘。測(cè)量范圍在400～4 000 cm-1的波數(shù)范圍內(nèi)，用于研究熱氧老化對(duì)化學(xué)成分變化的影響。對(duì)于烴類物質(zhì)來說，羰基是最常見的氧化官能團(tuán)，羰基（C=O）指數(shù)是被廣泛認(rèn)可的反映瀝青氧化的評(píng)價(jià)指標(biāo)［8］，因此本文采用羰基（C=O）評(píng)價(jià)瀝青氧化水平。選取1 660～1 720 cm-1的羰基吸收峰作為老化瀝青特征峰，使用OMNIC軟件測(cè)定峰面積，采用公式（1）進(jìn)行瀝青老化定量分析。

2?試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1?布式旋轉(zhuǎn)黏度

布式旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，老化瀝青的布式旋轉(zhuǎn)黏度隨著RTFOT持續(xù)時(shí)間的增加而增加，這是因?yàn)闉r青老化是時(shí)間和溫度的函數(shù)。此外，無論是70#瀝青還是SBS改性瀝青，240 min RTFOT老化等效于PAV老化。為量化RTFOT老化與PAV老化的等效時(shí)間，采用指數(shù)模型對(duì)不同RTFOT老化時(shí)間的布式旋轉(zhuǎn)黏度進(jìn)行擬合，以老化時(shí)間為x值，布式旋轉(zhuǎn)黏度為y值，得到擬合公式如表2所示。

由表2可知，兩種瀝青結(jié)合料的布式旋轉(zhuǎn)黏度用指數(shù)模型擬合效果較好，R2均大于0.95，展現(xiàn)良好的相關(guān)性，表明瀝青結(jié)合料布式旋轉(zhuǎn)黏度參數(shù)隨老化程度增加而指數(shù)上升。用所擬合的函數(shù)計(jì)算70#瀝青和SBS改性瀝青PAV后的布式旋轉(zhuǎn)黏度所對(duì)應(yīng)的等效時(shí)間參數(shù)分別為：246 min和219 min。由計(jì)算結(jié)果可知，擬合函數(shù)反算所得RTFOT與PAV老化等效時(shí)間與前文所得240 min結(jié)果差距較小，可認(rèn)為240 min的RTFOT老化相當(dāng)于PAV老化。

2.2?車轍因子

高溫流變性能試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，隨著瀝青老化程度的加深，70#瀝青與SBS改性瀝青的車轍因子G*/sinδ均不斷增加。瀝青熱氧老化使得其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)分離，從而使瀝青結(jié)合料變得更硬、更脆，導(dǎo)致抗車轍性能的提升。與前文類似，采用指數(shù)模型對(duì)不同RTFOT老化時(shí)間的車轍因子進(jìn)行擬合，以老化時(shí)間為x值，車轍因子為y值，得到擬合公式如表3所示。

由表3可知，兩種瀝青結(jié)合料的車轍因子與RTFOT老化時(shí)間的關(guān)系用指數(shù)模型擬合效果較好，R2均大于0.990，展現(xiàn)良好的相關(guān)性，表明瀝青結(jié)合料車轍因子隨老化程度增加而指數(shù)上升。注意到，車轍因子與RTFOT老化時(shí)間的指數(shù)模型相較布式旋轉(zhuǎn)黏度具有更高的R2。因此，瀝青的車轍因子對(duì)老化時(shí)間的變化更為敏感，更符合指數(shù)模型趨勢(shì)。用所擬合的函數(shù)計(jì)算70#瀝青和SBS改性瀝青PAV后的車轍因子所對(duì)應(yīng)的等效時(shí)間參數(shù)分別為：244 min和256 min。

2.3?疲勞因子

中溫流變性能試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，隨著老化程度加深，70#瀝青與SBS改性瀝青的疲勞因子G*·sinδ均不斷增加。瀝青熱氧老化伴隨著瀝青質(zhì)增多，而芳香芬、飽和芬等輕質(zhì)組分減少，必然導(dǎo)致瀝青變硬，柔韌性不足，因此導(dǎo)致疲勞性能的下降。從圖中可知SBS改性瀝青的疲勞因子隨老化程度增加的幅度低于70#基質(zhì)瀝青，說明70#瀝青疲勞性能對(duì)老化程度更為敏感。與前文類似，采用指數(shù)模型對(duì)不同RTFOT老化時(shí)間的疲勞因子進(jìn)行擬合，以老化時(shí)間為x值，疲勞因子為y值，得到擬合公式如表4所示。

由表4可知，兩種瀝青結(jié)合料的疲勞因子與RTFOT老化時(shí)間的關(guān)系用指數(shù)模型擬合效果較好，R2均大于0.950，展現(xiàn)良好的相關(guān)性，表明瀝青結(jié)合料疲勞因子隨老化程度增加而指數(shù)上升。用所擬合的函數(shù)計(jì)算70#瀝青和SBS改性瀝青PAV后的疲勞因子所對(duì)應(yīng)的等效時(shí)間參數(shù)分別為：300 min和332 min。疲勞因子反算所得RTFOT與PAV老化程度相當(dāng)?shù)牡刃r(shí)間與前文布式旋轉(zhuǎn)黏度、車轍因子有很大差異。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是布式旋轉(zhuǎn)黏度與車轍因子均反映瀝青的高溫性能，屬于同一種類型的檢測(cè)指標(biāo)，這兩個(gè)指標(biāo)本身具有很強(qiáng)的相關(guān)性。而疲勞因子反映瀝青抗疲勞性能，且檢測(cè)溫度為常溫狀態(tài)，與車轍因子、布式旋轉(zhuǎn)黏度在原理上有很大不同。疲勞因子與車轍因子和布式旋轉(zhuǎn)黏度所確定的等效溫度差異較大，表明瀝青結(jié)合料流變特性的復(fù)雜性，需要進(jìn)行深入研究。因此本文采用紅外光譜對(duì)其不同老化狀態(tài)瀝青結(jié)合料化學(xué)參數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)一步分析其作用機(jī)理。

2.4?紅外光譜分析結(jié)果

不同老化狀態(tài)的瀝青結(jié)合料紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知：

隨著老化程度加深，瀝青試樣的透光率逐漸增加，特別是1 700 cm-1處的峰面積不斷增大，主要原因?yàn)榧訜釋?dǎo)致?lián)]發(fā)性損失，而氧化導(dǎo)致瀝青重量增加。瀝青老化伴隨著一系列的化學(xué)反應(yīng)，C=C鍵斷裂并與氧氣反應(yīng)生成羰基（C=O），隨著老化程度增加，將會(huì)產(chǎn)生更多C=O。觀察到SBS改性瀝青在699 cm-1和966 cm-1附近有較強(qiáng)的吸收峰，這是其主要特征峰。

采用軟件對(duì)羰基指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：

隨著瀝青結(jié)合料老化程度加深，70#瀝青與SBS改性瀝青的羰基指數(shù)均呈指數(shù)趨勢(shì)增加，與前文的流變性能試驗(yàn)結(jié)果相同。觀察到SBS改性瀝青的羰基指數(shù)均高于70#瀝青，這主要是因?yàn)楸疚乃捎玫腟BS改性瀝青中的SBS改性劑摻量較小，因此保持了一定的化學(xué)活性。無論是70#瀝青還是SBS改性瀝青，RTFOT老化240 min的羰基指數(shù)與PAV老化相同。為量化RTFOT老化時(shí)間與羰基指數(shù)的關(guān)系，采用指數(shù)模型對(duì)不同RTFOT老化時(shí)間的羰基指數(shù)進(jìn)行擬合，以老化時(shí)間為x值，羰基指數(shù)為y值，得到擬合公式如表5所示。

由表5可知，兩種瀝青結(jié)合料的羰基指數(shù)與RTFOT老化時(shí)間的關(guān)系用指數(shù)模型擬合效果較好，R2均大于0.940，展現(xiàn)良好的相關(guān)性，表明瀝青結(jié)合料羰基指數(shù)隨老化程度增加而指數(shù)上升。注意到70#瀝青的羰基指數(shù)與老化時(shí)間的擬合參數(shù)R2大于SBS改性瀝青，這主要是因?yàn)镾BS改性瀝青的老化過程化學(xué)反應(yīng)較為復(fù)雜。用所擬合的函數(shù)計(jì)算70#瀝青和SBS改性瀝青PAV后的疲勞因子所對(duì)應(yīng)的等效時(shí)間參數(shù)分別為：235 min和233 min。結(jié)合前文布式旋轉(zhuǎn)黏度、車轍因子、疲勞因子所確定的RTFOT老化與PAV相同的等效溫度結(jié)果，可以最終確定RFOT老化240 min與PAV相同是合理的，在實(shí)踐中可采用240 min RTFOT老化代替PAV長(zhǎng)期老化。

3?結(jié)語

對(duì)70#瀝青和SBS改性瀝青開展室內(nèi)老化研究，探討不同RTFOT老化時(shí)間對(duì)其的流變特性和化學(xué)性質(zhì)的影響，嘗試以RTFOT試驗(yàn)代替PAV試驗(yàn)，簡(jiǎn)化瀝青長(zhǎng)期老化試驗(yàn)，得出結(jié)論如下：

（1）本文所采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括布式旋轉(zhuǎn)黏度、車轍因子、疲勞因子以及羰基指數(shù)，無論70#瀝青還是SBS改性瀝青的評(píng)價(jià)指標(biāo)均與RTFOT的老化時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系。因此，瀝青老化是一個(gè)加速過程，隨著老化時(shí)間增加，瀝青的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)快速增加或衰減。

（2）采用指數(shù)模型對(duì)瀝青結(jié)合料和RTFOT老化時(shí)間進(jìn)行擬合，所獲得的擬合方程具有較高的R2值，通過所擬合的指數(shù)模型方程反算PAV所對(duì)應(yīng)的RTFOT老化等效時(shí)間。除了疲勞因子外，各項(xiàng)指標(biāo)所獲得的等效時(shí)間均在240 min左右。在實(shí)踐中，可采用240 min的RTFOT老化代替PAV老化。

參考文獻(xiàn)

［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，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)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.