基于等针入度的不同沥青抗老化性能研究

张海涛， 张广阔， 武　涛

(东北林业大学 土木工程学院， 黑龙江 哈尔滨　150040)



基于等针入度的不同沥青抗老化性能研究

张海涛， 张广阔， 武涛

(东北林业大学 土木工程学院， 黑龙江 哈尔滨150040)

[摘要]为了进行不同类型改性沥青的抗老化性能对比，在以代表高温性能的针入度指标基础上，研究了相同等级针入度下的不同类型改性沥青在老化过程中针入度及其他指标的变化情况，分析了不同类型改性沥青抗老化性能的微观机理。研究认为不同类型改性沥青的抗老化性能均好于基质沥青。

[关键词]道路沥青； 等针入度； 抗老化性能； 沥青组分； 微观机理

0前言

道路沥青的高低温性能是影响沥青路面行车质量及使用年限的主要因素之一。多方面的数据调查显示，我国大部分地区，特别是炎热地区，沥青路面的高温稳定性较差，高温车辙等问题普遍存在，严重影响了沥青路面平整度及行车质量。为此，国内普遍采用改性沥青来改善沥青路面的高温性能，但沥青路面的车辙等高温性能仍然没有得到很好地解决，一些关键技术问题尚需要做进一步的深入研究[1，2]。

目前国内外使用的道路改性沥青种类繁多，而许多改性沥青的研究往往只是片面地关注对沥青高低温性能的改善，却忽略了改善后沥青抗老化性能的优劣，不同类型改性沥青抗老化性能等耐久性尚没有进行过系统研究。基于此，本项目拟对相同等级针入度下的不同类型改性沥青进行抗老化性能对比试验研究，采用改性沥青的改性性能指标与抗老化性能指标来综合评价改性沥青的路用性能，研究成果具有一定的理论与实用价值，可以取得较好的经济效益与社会效益。

现阶段国内普遍采用SBS改性沥青(其中SBS改性AH-90沥青的25 ℃针入度在60～70/0.1 mm之间)，为了评价不同类型改性沥青的抗老化性能，研究结合四种不同类型改性沥青进行对比试验。首先采取不同的手段使各种沥青的25 ℃针入度达到60～70，即达到同一等级，在此试验基础上，通过TFOT加热试验对4种沥青进行不同程度的老化试验，主要分析不同类型改性沥青老化前后的针入度及其他指标的变化情况，探讨不同类型改性沥青的抗老化性能随老化时间的变化规律，进而对不同类型改性沥青的抗老化性能的微观机理加以分析，论证老化试验结果与微观机理的一致性。

1试验方案与内容

1.1试验原材料

试验用沥青有山东金石AH-70、盘锦AH-90沥青和SBS改性沥青，基本技术指标如表1所示；试验用外掺剂有机蜡Sasobit。

1.2对比沥青试样制备

采取不同的改性手段制备具有相同等级针入度的四种对比沥青试样，试验研究结果如表2所示。

表1 沥青的基本技术指标Table1 Theindexesofasphalt沥青试样针入度(25℃)/(0.1mm)针入度指数PI70#沥青66-1.390#沥青93-0.77SBS沥青68-0.29延度/cm5℃15℃粘度/135℃软化点/℃8.71320.40346.591650.32844.535861.89572.8

表2 原样沥青25℃针入度Table2 The25℃penetrationofasphalt原样沥青基质类老化类橡胶类有机蜡类70#沥青90#沥青老化5hSBS沥青2%Sasobit沥青(90#)针入度(25℃)/(0.1mm)66616866

1.3试验内容

试验主要分为3个阶段，原材料技术指标的测定、针入度的调试和不同老化时间下各指标对比，技术路线如图1所示。试验内容主要包括薄膜烘箱老化试验及针入度、延度、软化点、135 ℃粘度的测定。

图1　试验技术路线Figure 1　The route of tests

2不同沥青老化试验结果及分析

本研究结合相关试验规程及项目前期研究成果，确定老化采用5 h、163 ℃薄膜烘箱加热试验模拟沥青的短期老化，加热20 h作为沥青老化的临界状态[3，4]，主要利用沥青加热后的针入度及其他指标的变化情况来评价不同沥青的抗老化性能。

2.1基于同等级针入度的试验结果及分析

沥青老化后针入度下降，随老化时间的延长，残留针入度比越大，沥青的抗老化性能越好[5]，不同老化时间的不同类型改性沥青针入度的变化规律如表3所示。

根据老化后残留针入度随老化时间的变化特点，将沥青老化分为2个阶段，加热0～5 h为短期老化阶段，5～20 h为临界状态老化阶段。从表3可以看出：老化对沥青针入度有很大影响，特别是加热5 h的短期老化阶段对5 ℃、15 ℃、25 ℃的沥青针入度的作用效果尤其明显，5 h之后加热老化所产生的影响相对较小，即短期老化阶段对针入度的影响大于临界状态老化阶段。整体上老化后沥青的残留针入度呈现下降趋势，5 ℃时由于温度较低，受环境因素影响较大，个别沥青的变化规律与整体变化趋势略有差异。沥青的老化是一个长期缓慢的氧化过程，结合残留针入度比与老化时间的关系曲线，认为采用临界状态老化阶段的针入度变化预示沥青的长期老化更具有说服力。

表3 不同老化时间的沥青残留针入度Table3 Theremainingpenetrationofasphaltatdifferentagingtime(0.1mm)沥青种类25℃15℃5℃052005200520基质类70#沥青664431211615766老化基质类90#沥青老化5h6144322216131074热塑橡胶改性类SBS沥青(90#)684039262022101111有机蜡改性类2%Sasobit沥青(90#)66443123212191014 注:栏目中数字0,5,20为老化时间,单位为h。

此外，四种沥青的25 ℃针入度随老化时间的变化规律十分相似，但短期老化对已老化5 h的90#沥青影响相对较小，对SBS改性沥青影响相对较大；从长期抗老化性能来说，SBS沥青相对较好，2%Sasobit沥青较差。而在5 ℃、15 ℃试验温度下，2%Sasobit沥青、SBS改性沥青的抗老化能力明显优于另外两种沥青。总体上来说，SBS的综合抗老化能力较强，2%Sasobit沥青低温抗老化能力较强，高温抗老化能力相对较弱，尽管老化5 h的90#沥青在25 ℃针入度下抗老化能力比70#沥青强，但在5 ℃、15 ℃下较差。因此，4种沥青抗老化能力由强到弱依次为：SBS沥青>2%Sasobit沥青>70#沥青>90#沥青老化5 h。

2.2其他指标试验结果及分析

不同老化时间下4种沥青的延度、软化点及135 ℃粘度如表4所示。通过试验数据可以看出：随老化时间的延长，沥青的5 ℃、15 ℃延度均下降，软化点升高，粘度值变大；SBS沥青各指标变化都表明了其具有较好的抗老化能力，其他3种沥青的5 ℃延度变化相差很小，15 ℃延度、软化点变化均显示剩余3种沥青的抗老化能力由强到弱为2%Sasobit沥青>70#沥青> 90#沥青老化5 h，验证了通过针入度评价四种沥青抗老化能力的可行性。

表4 不同老化时间的沥青残留延度,软化点及135℃粘度Table4 Theremainingductility,softenpointand135℃viscosityofasphaltatdifferentagingtime沥青种类延度(5cm·min-1)/cm5℃15℃软化点/℃135℃粘度052005200520052070#沥青8.70.50.3132.150.11.346.553.460.20.4030.5281.08490#沥青老化5h6.00.60.5111.026.68.251.853.958.20.3850.4880.870SBS沥青35.024.413.286.082.331.972.376.476.91.8952.1123.5002%Sasobit沥青(90#)3.53.10.5136.544.17.058.959.766.50.2880.3180.612 注:栏目中数字0,5,20为老化时间,单位为h。

3不同沥青抗老化性能的微观分析

3.1沥青4组分分析

对4种沥青试样4组分进行了测定。研究认为[6-8]胶体不稳定指数IC可以用来评价沥青的胶溶能力及沥青在老化过程中胶体性能的变化，IC值越大，软沥青的胶溶能力越差，沥青越趋于凝胶型胶体，结构越不稳定，抗老化能力越差。其定义式如下：

Ic=(S+As)/(R+Ar)

式中：S、As、R、Ar分别代表饱和分、沥青质、胶质和芳香分的百分含量。

不同老化时间各沥青的胶体不稳定指数IC如图2所示。可以很直观地看出，在同一老化时间内，4种沥青试样的IC值大小均表现为：SBS沥青<2%Sasobit沥青<90#沥青老化5 h<70#沥青，由此得出4种沥青的抗老化性能由高到低依次为：SBS沥青>2%Sasobit沥青>90#沥青老化5 h>70#沥青。这与宏观试验结论略有差异，不同之处在于90#沥青老化5 h与70#沥青的排序，出现此情况的原因有： ①同一老化时间下2种沥青的IC值十分接近，可见这两种沥青的抗老化性能比较相似； ②宏观试验过程中，特别是以针入度为主要指标评价沥青高温耐久性的体系中，5 ℃、15 ℃试验温度下对针入度值影响较大，试验误差也较大； ③等针入度的两种沥青，老化5 h的90#沥青与原样70#沥青，前者含有的大分子量组分相对增多，小分子量组分相对减少，随后进行相同时间老化时，各组分的变化速率会相对较小，即前者抗老化性能略大于后者。因此，应对宏观试验结论进行相应修正。

图2　不同老化时间各沥青的胶体不稳定指数ICFigure 2　The gastel index(Ic)of different asphalt at 　　　different aging time

随老化时间的增加，导致了沥青胶溶能力下降，沥青胶体结构稳定性变差，胶体不稳定指数Ic变大，沥青的抗老化性能降低，因此，从微观组分角度进一步论证了4种沥青抗老化性能的优劣。

3.2SEM图像分析

在扫描电子显微镜(SEM)下对4种沥青试样的微观形貌进行观察，得到放大1 000倍的微观图像如图3所示。

从图3中可以看出：

① 基质类70#沥青的表面比较光滑，几乎没有任何褶皱，而老化基质类90#沥青老化5 h试样表面呈现细微褶皱，呈现出轻微的“波浪”形态，由此可以预测，老化时间越长，“波浪”越明显。

70#沥青90#沥青老化5 h

SBS沥青(90#)2%Sasobit沥青(90#)

Figure 3The SEM images magnified 1 000 times of different asphalt

② 热塑橡胶改性类SBS沥青整体连续性非常好，SBS改性剂被高速剪切成微米级的细小颗粒，并均匀地分散在沥青溶液中，细小的SBS颗粒被沥青完全包裹，二者之间高度粘结，紧密结合，从而形成以沥青为连续相，改性剂颗粒为分散相的整体结构，微观形貌上呈现所谓的“海岛状”结构[9-16]，并没有出现“波浪形态”，反而与基质类沥青的微观表面比较相似，说明老化作用首先破坏的是二者之间的粘结效果，对沥青溶液及改性剂本身的作用并不明显，因此该类沥青的抗老化性能比基质类、老化基质类沥青好。

③ 有机蜡类Sasobit沥青表面整体上伴随细微的蜡质“鱼鳞状”的纹理结构，连续性比较好，但可以推断经老化后，此类纹理结构会逐渐变成细密的褶皱并相互堆叠形成类似老化类沥青的“波浪”形态，由此可以判断Sasobit沥青抗老化性能好于老化5 h的90#沥青。

根据上述SEM微观图像得出的结论也可大致判断出4种沥青试样的抗老化能力，且与宏观试验结论基本一致。

4结论

① 在单一的改性性能指标基础上，提出了用改性性能指标与抗老化性能指标综合评价改性沥青路用性能的新方法，具有一定的理论与实用价值。

② 随着老化时间的增加，同等级针入度的沥青性能发生不同程度的变化，针入度、延度降低，软化点、135 ℃粘度增加，变化具有一定的规律性。研究认为可以采用老化沥青针入度及其他指标的变化规律综合评定不同类型改性沥青的抗老化性能。

③ 在相同的老化试验温度下，4种不同类型改性沥青体现出的抗老化性能不同，但无论在任何一种温度下，SBS沥青都具有明显的优势，抗老化能力依次为：SBS沥青>2%Sasobit沥青>90#沥青老化5 h>70#沥青，掺加改性剂或加热老化改善后的沥青抗老化性能均好于基质沥青的抗老化性能。

④ 基质类沥青主要发生氧化老化，改性类沥青除此之外还包括改性剂的降解老化，老化过程中，改性类沥青小分子含量低于基质沥青，大分子物质增加的较少，即聚合反应的速度低于基质类沥青，其抗老化性能较好，微观结论与宏观结论基本一致。

⑤ 研究结论对不同类型改性沥青的抗老化性能等耐久性的进一步研究具有一定的理论指导意义；同时对如何合理选择不同类型改性沥青进行不同地区沥青路面的应用，研究成果将能产生良好的经济效益与社会效益。

[参考文献]

[1]彭益民.路用沥青改性的机理、现状及发展趋势[J].公路工程，2009(04)：145-148+154.

[2]杨洪滨.道路沥青抗老化性能及其改性的研究[D].北京：中国石油大学，2008.

[3]张海涛，何佳轩.沥青老化临界状态与极限状态的确定[J].石油化工高等学校学报，2012(4).

[4]JTG E20-2011，公路公程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[5]储继业，杨建波.沥青老化的性能及指标分析[J].交通科技，2006(5)：86-88.

[6]刘军，李和平，杨彦海，等.辽河AH-90#沥青老化组分变化研究[J].沈阳建筑工程学院学报：自然科学版，2004，20(2)：127-129.

[7]沈金安.沥青材料的流变学(一)[J].石油沥青，1988(04)：27-38.

[8]陈峰.基质沥青和SBS改性沥青老化行为与机理研究[D].西安：长安大学，2012.

[9]王岚，胡江三，陈刚.聚合物改性沥青及混合料高低温性能试验研究[J].公路工程，2014(04)：69-72+85.

[10]郑传峰，陈浩，苏俊省，等.SBS改性沥青试验研究[J].公路工程，2011(02)：34-37.

[11]Sosnovske D A，AbWahab Y，Bell C A.Role of asphalt and aggregate in the aging of bituminous mixtures[J].Transportation Research Record，1993.

[12]Goodrich J.L.，Dimple L.H.，Performance and supply Factors to Consider in Paving Asphalt Specifications[J].Asphalt Paving Technol.，1986.

[13]Lu Xiaohu，Isacsson Ulf.Effect of ageing on bitumen chemistry and rheology[J].Construction and Building Materials，2002.

[14]Mill T.，Tse D.S.，LooB.Oxidation Pathways for Asphalt[J].Prepr.Pap.-Am.Chem.Soc.，Div.Fuel Chem.，1992.

[15]耿九光.沥青老化机理及再生技术研究[D].西安：长安大学，2009.

[16]Traxler，R.N..Relation Between Asphalt Compsition and Hardening by Volatilization and Oxidation[J].Proceedings，Association of Asphalt Paving Technologists，Vol 30，359-377.

Study on Anti-aging Performance of Different Asphalts Based on the Same Penetration Grade

ZHANG Haitao， ZHANG Guangkuo， WU Tao

(College of Civil Engineering， Northeast Forestry University， Harbin， Heilongjiang 150040， China)

[Abstract]In order to compare the anti-aging performance of different modified asphalts，based on the same penetration grade，the penetration，ductility，softening point and 135 ℃ viscosity of four different modified asphalts in the aging process have been researched，and the test results have also been discussed by the micro-mechanism.The research has demonstrated that the anti-aging performance of the modified asphalt is better than that of the original asphalt.

[Key words]road asphalt； same penetration grade； anti-aging performance； asphalt components； micro-mechanism

[中图分类号]U 416.217

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0033—04

[作者简介]张海涛(1963—)，男，黑龙江哈尔滨人，教授，研究方向为路面结构与材料。

[收稿日期]2014—12—18