南疆沙漠地区沥青结合料老化规律及力学性能衰变规律研究

南疆沙漠地区沥青结合料老化规律及力学性能衰变规律研究

韩四红 刑昌柱 陈久灿 赵群 郑传峰

中交路桥南方工程有限公司

中交路桥建设有限公司

吉林大学建设工程学院

摘 要：结合南疆沙漠地区特殊的气候特征，进行该地区沥青结合料特殊的老化规律及沥青结合料力学性能衰变规律的研究工作。基于南疆沙漠地区不同服役阶段旧沥青混合料，通过混合料抽提试验回收该地区不同服役阶段沥青结合料中的旧沥青，采用沥青4组分测试技术对不同服役阶段的沥青进行组分分离测试，确定南疆沙漠地区沥青老化规律。采用差示扫描量热法(DSC)、小梁弯曲试验、弯曲梁流变试验等对沥青结合料力学性能进行定量评价，确定南疆沙漠地区不同服役阶段沥青结合料的力学衰变规律。研究结果表明，南疆沙漠地区特殊的高温气候导致沥青结合料的老化进程及老化效应极其显著，同时沥青结合料的力学性能发生大幅度衰减，应该寻求相应的抑制沥青老化的技术措施保证沥青材料的耐久性能。研究中获得的该地区沥青结合料的老化规律及力学性能衰变规律，对后续该地区沥青混合料的优化设计、沥青抑制老化技术的开发等具有一定指导意义。

关键词：南疆沙漠地区;沥青结合料;老化规律;力学性能;衰变规律;

基金：中国交建集团科研项目，项目编号3R2210135424;国家自然科学基金项目，项目编号51508223;

沥青混合料是当前阶段我国高等级公路路面的首选材料[1]。该种材料在其制备及服役过程中不可避免会发生老化效应，在外界光、氧等综合作用下沥青结合料中的沥青质、胶质的含量升高，芳香分和饱和分的含量降低，进而导致沥青结合料力学性能发生不同程度的衰减，路面材料的耐久性降低[2,3,4]。

基于对南疆沙漠地区近10年的气候特征的调查可以发现，该地区极限高温区间为35～42℃,极限低温区间为-23～-32℃。在此种气候条件下地表极端高温可达65℃左右，见表1。由于沥青混合料为黑色吸热材料，一般情况下沥青混合料表面温度会高于地表温度5～10℃。按此推算，南疆沙漠地区在其夏季炎热季节，路面表面温度可达70℃左右。

表1 新疆沙漠地区地表温度调查结果[5]5]

基于上述内容可知，南疆沙漠地区沥青混合料路面材料除了承受交通荷载的循环作用，当地高温气候特性也对其产生了严峻考验。沥青混合料在特高温状态下的老化效应将更加显著，沥青混合料的耐久性将会出现不同程度的技术问题。本项研究充分关注该地区沥青结合料的老化效应，通过系统的试验研究确定南疆沙漠地区沥青结合料的特殊老化规律及沥青结合料力学性能的衰减规律，研究成果可为该地区工程实践中沥青混合料的优化设计提供理论依据和技术参考。

1 试验方案及试验材料

1.1试验方案设计

在广泛调研和资料收集基础上，研究团队获得了新疆沙漠地区不同服役时间(2～6年)的沥青混合料旧料。不同服役时间的旧料采用的沥青结合料及矿料级配为同一类别。在实验室内采用沥青混合料抽提试验及旋转蒸发试验进行旧沥青的回收。对回收后不同服役时间的旧沥青采用“过柱子法”进行沥青结合料4组分比例的测试，如图1所示。考虑到沥青组分测试存在一定的试验误差，本项研究采用增大测试样本数量的方式进行试验精度的提升，并最终确定了不同服役时间沥青结合料中沥青质、胶质、芳香分和饱和分的各自对应比例。分离后的4组分如图2所示。

图1 沥青结合料4组分分离试验

图2 沥青结合料4组分分离结果

沥青老化以后会导致沥青结合料的脆性增强，而沥青结合料脆性的提高对路面材料的路用性能是十分不利的[6,7,8]。为了考察沥青结合料在脆性方面技术性能的衰减效应，研究团队采用DSC差式扫描量热仪进行不同服役时间的旧沥青玻璃态转化温度的测试，并确定不同服役时间旧沥青的玻璃态转化温度，进而分析旧沥青的低温力学性能。DSC差式扫描量热仪如图3所示。

图3 DSC差式扫描量热设备

由于沥青的老化效应导致沥青变硬，同时考虑到新疆沙漠地区冬季温度极低，所以在分析其力学性能的过程中研究团队更加侧重低温性能。研究团队借助于小梁弯曲试验的原理，自行加工沥青结合料的小梁模具，并完成沥青结合料小梁弯曲破坏试验，获得不同服役时间旧沥青的极限弯曲破坏强度和极限弯曲破坏应变。上述两个参数的确定方法与传统沥青混合料参数的确定方法一致，此文不再赘述。

研究团队同时从流变性能方面对不同服役时间的旧沥青进行试验分析，采用弯曲梁流变试验(BBR)测试不同旧沥青的劲度模量，并进一步得出不同旧沥青的劲度模量变化率。沥青流变模式下劲度模量的变化率越高说明沥青材料具备更好的力学耗散效应，即材料的低温力学性能更好；反之，则代表材料的低温力学性能较差[9,10,11]。

1.2试验材料技术参数

由于本项研究中沥青结合料小梁弯曲试验需要沥青量较大，所以研究团队采用与旧沥青同一类别的SBS改性沥青并将其老化至与旧沥青同样的老化标准(沥青的组分比例一致),并开展相应的试验测试工作。原样未老化SBS改性沥青的技术参数如表2所示。

2 试验测试结果与分析

2.1沥青结合料组分变化规律

基于沥青结合料4组分的分离测试，确定了南疆沙漠地区不同服役时间旧沥青结合料中沥青质、胶质、芳香分和饱和分4种组分随时间的变化规律，如表3所示。4种组分的对比变化及重质组分与轻质组分的对比如图4、图5所示。

表2 原样未老化SBS改性沥青基本性能参数

表3 新疆沙漠地区沥青结合料4种组分随时间变化规律

图4 沥青4种组分随服役时间的变化效应

图5 沥青重质组分与轻质组分随服役时间的变化效应

从上述内容中所表现出的老化规律来看，南疆沙漠地区特殊的高温气候造成了沥青混合料中沥青结合料的持续、高幅度的老化效应。沥青混合料服役2年后，从数据中可以清晰看出沥青中芳香分和饱和分组分比例显著降低，同时沥青质和胶质组分比例显著升高。在第2年到第6年这个服役时期，虽然组分比例的变化速率相对较低，但是其仍然呈现了一个较为快速的变化效应。在其服役第6年时，由沥青质和胶质所组成的重质组分比例提高了近1倍，由芳香分和饱和分组成的轻质组分比例下降了近1倍，导致此时沥青结合料内部的组分特征发生了显著的变化。基于研究者对我国其他区域(如东北地区)沥青老化规律的了解，南疆沙漠地区沥青结合料的老化程度更加快速和剧烈。上述研究表明，南疆沙漠地区沥青混合料由于结合料沥青的显著老化效应的发生，沥青路面材料的耐久性将承受巨大的考验。

2.2沥青结合料力学性能的衰变效应

2.2.1沥青结合料基本力学参数

对回收的不同服役时间的旧沥青进行针入度、延度、软化点及黏度等基本力学参数的测试，试验结果如表4所示。基于数据呈现的规律可知，南疆沙漠地区的沥青结合料在其服役过程中平均每2年降低一个沥青标号级别，在其第6年时沥青已由原来的90号沥青退化为50号沥青。沥青的延度呈现了显著的衰减，服役第6年时延度仅为8.7 cm。同时由于该地区沥青的老化效应，导致结合料的软化点和黏度都呈现了显著的增长趋势。沥青结合料基本力学参数的衰变预示着沥青结合料的路用性能将发生较大幅度的降低。

表4 不同服役时间的旧沥青基本力学参数测试结果

2.2.2沥青结合料玻璃态转化温度

采用DSC差式扫描量热仪对回收的不同服役时间的旧沥青进行玻璃态转化温度的测试得出，原样未老化沥青的玻璃态转化温度为-18.5℃,服役2年、4年及6年后旧沥青的玻璃态转化温度分别为-16.2℃、-14.4℃、-11.3℃。测试结果表明，南疆沙漠地区沥青结合料的老化效应导致结合料的玻璃态转化温度显著提前。在其服役第6年时，在-10℃的温度下沥青结合料即会呈现明显的脆性效果，沥青混合料的路用性能将随之发生显著劣化。

2.2.3沥青结合料强度和应变效应

图6 沥青结合料极限弯曲破坏强度劣化规律

图7 沥青结合料极限弯曲破坏应变劣化规律

一般而言，材料的强度与应变呈现反向规律，即如果强度增大那么应变则呈现降低规律，反之如果强度降低则应变应该呈现增长规律[12,13,14]。但是当老化效应和低温效应耦合至一处时，沥青结合料的强度与应变则出现了统一性规律，即如果沥青结合料发生显著老化以后，在低温时段沥青结合料的强度和抗变形能力都出现显著下降。从本项研究的数据中可以发现，新疆沙漠地区沥青结合料的特殊老化效应导致沥青结合料的强度和抗变形能力出现线性衰变。这对沥青混合料的冬季路用性能是极其不利的。

2.2.4沥青结合料弯曲梁流变效应

沥青结合料的低温流变性能表征沥青材料低温路用性能。研究团队基于弯曲梁流变仪对不同服役时间的旧沥青开展了低温流变参数的具体测试，测试内容包括沥青结合料劲度模量及沥青结合料劲度模量变化率，试验结果如图8、图9所示。

图8 沥青结合料劲度模量

图9 沥青结合料劲度模量变化率

基于图8所示的试验结论可知，在新疆沙漠地区特殊的气候条件下，沥青结合料的劲度模量会随着服役时间的增加发生特别显著的变化，未老化沥青的劲度模量为137 MPa, 服役6年以后其劲度模量为298 MPa。且根据其增长规律可知，劲度模量呈现了高斜率的快速增长。沥青结合料劲度模量的增长预示着新疆沙漠地区沥青结合料在其服役一定时期以后，低温流变性能将出现显著下降。

在沥青结合料流变试验参数中，劲度模量变化率是一个直观的参数。劲度模量变化率的大小可表征沥青结合料力学耗散效应的强弱[15]。基于图9所示的试验规律可知，在新疆沙漠地区气候条件下沥青结合料劲度模量变化率发生了极大幅度的衰减效应，服役6年后其劲度模量变化率数值为0.113。从该数值变化规律可以得出，在新疆沙漠地区特殊气候条件的作用下沥青的老化效应显著发生，沥青结合料的力学性能显著下降。

3 结语

本项研究基于新疆沙漠地区旧沥青混合料中沥青的抽提回收及实验室内沥青的同标准老化试验、沥青的4组分测试试验及沥青结合料系列力学试验分析，获得了如下研究结论。

(1)沥青结合料在其服役过程中，轻质组分和重质组分的比例发生显著变化。服役6年以后沥青质和胶质比例增加1倍左右，芳香分和饱和分比例下降1倍左右，沥青的老化效应特别显著。

(2)基于沥青的针入度、延度及软化点的数据变化规律可以得出，在新疆沙漠地区气候条件下沥青结合料每隔2年，其标号平均下降一个等级，服役6年以后沥青标号由原来的90号退化为50号。

(3)南疆沙漠地区沥青结合料的老化效应导致结合料的玻璃态转化温度显著提前，在其服役第6年后，温度降至-10℃时沥青结合料就开始形成显著脆性效果。

(4)显著老化效应和显著低温效应耦合至一处时，沥青结合料的强度与应变出现统一性变化规律，即在低温时段沥青结合料的强度和应变都出现显著下降。这对沥青混合料的冬季路用性能是极其不利的。

(5)在新疆沙漠地区气候条件下沥青结合料劲度模量及其变化率随着服役时间的增加都呈现了显著劣化，出现了较差的低温流变效果，预示沥青结合料低温力学性能将出现较大的衰减。

(6)新疆沙漠地区沥青结合料显著的老化效应和力学性能的劣化效应表明，在该地区应该开发沥青结合料的抗老化技术，以期延缓沥青老化速度并保证沥青混合料的耐久性能。

参考文献

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