沥青薄膜烘箱老化试验时间, -凯发k8娱乐

文章来源:微信公众号”沥青路面“

引言

材料微观结构的演变强烈影响其宏观尺度的性质,同时材料宏观尺度的性能紧密依赖于其微观结构,尤其是对于沥青类聚合物材料,更是如此。通常来说沥青用于路面结构的面层,受光、热等环境因素影响,其微观结构会发生强烈的演变,导致宏观尺度上沥青的“老化硬化”现象,进而会影响路面的使用寿命。

原子力显微镜拥有纳米级高分辨率,可以观测沥青纳米级的相态形貌特征以及量化相态的力学特性,是研究沥青微观结构演化特征的有利工具。早在1996年,就利用原子力显微技术研究沥青的微观结构特性,首次发现了“蜂相结构”存在于沥青的纳米级表面形貌中。早期的研究者对于“蜂相结构”的成因进行了很多研究。研究认为“蜂相结构”与沥青质胶束相关;而研究认为蜂相结构与沥青质含量无关,而与沥青组分中的重金属钒、镍含量有很大的相关性;近年来一些学者研究认为蜂相结构是一种蜡晶,蜂相结构的存在是蜡晶与沥青组分之间的相互作用引起的。除此之外,杨军等还将“蜂相结构”与沥青微观“自愈”现象联系到了一起。

总之,“蜂相结构”存在于沥青的纳米级表面形貌中,是沥青组分之间相互作用的综合响应,老化对于沥青微观结构的影响可以通过蜂相结构的演变直观体现出来。然而,如何量化表征这一演变过程,对于研究者而言是一个很大的挑战。笔者所查阅到的文献中还未见相关报道。

借助于afm技术,本文试图研究沥青纳米尺度微观结构演化特征,并进行微观结构的量化表征分析,建立沥青纳米尺度微观结构与宏观尺度流变性能之间的关系,以期为构建沥青材料微尺度到宏观尺度的定量表征性能模型奠定基础。

试验概况

沥青材料

本文中基质沥青采用壳牌70号,依照《公路沥青及沥青混合料试验规程》。

为研究沥青材料经历短期老化和长期老化后性能的衰变,在实验室分别进行rtfot试验和pav试验。rtfot试验条件:温度163℃,时间85min和200min,老化沥青样品分别命名为rtfot-5min和rtfot-200min。pav试验条件:温度100℃,时间20h,老化沥青试样标记为pav。

本文同时选择了2种使用多年的路面铣刨料,对其沥青组分进行抽提回收,以获取真实反映现场沥青老化状态的沥青样本。其中,一种旧沥青来自于使用10年的sma面层铣刨料,另一种来自于使用多年的ac类路面的面层。按《公路沥青及沥青混合料试验规程》中的t0727-2011试验规范,分别进行旧料中沥青的抽提回收。抽提得到的旧沥青1,25℃针入度为23×0.1mm,软化点69.6℃;旧沥青,25℃针入度为14.3×0.1mm,软化点75.2℃。

综上所述,本文收集的沥青样本,包括未老化70号沥青、实验室老化样本3个以及旧料抽提回收沥青样本2个,依次命名为:未老化,rtfot-85min,rtfot-200min,pav,rap1和rap2。

测试样本与测试仪器

afm样本。afm样本制备的好坏,直接关系到afm图像的质量。目前,afm样本制备方法主要有溶液旋涂法和热沥青滴涂法。

溶液旋涂法是将沥青与一定浓度的三氯乙烯、甲苯等有机物混合溶解,然后利用旋涂仪等设备将溶液旋涂到载玻片上,获得afm观测样本。旋涂法可以获得较好的样本平整度,但是制备过程中沥青与剧毒的有机物互溶,可能会在一定程度上破坏沥青的显微结构,而且旋涂仪设备价格昂贵,再加上剧毒有机物对试验人员的健康不利,因此这种方法不建议采用。

热沥青滴涂法一般来说是先将沥青加热成流动状态,然后利用铲刀将少量沥青置于载玻片或金属基片上,然后将载玻片或金属基片放入烘箱中,使得沥青自然流动成为一层薄膜,来获得afm观测样本。相对溶液旋涂方法,这种方法较为简单,被大部分研究者所采用。这种方法的缺陷在于,少量沥青置于基片上放置于烘箱中,二次加热极易引起沥青膜的老化,影响沥青材料真实的微观结构形态,而且沥青在基片上自然流动的形状和膜的厚度难以得到有效控制,不利于试样之间的平行比对。

本文在热沥青滴涂法的基础上,提出一种新的制备方法———盛样皿自然流动成型制备afm样本。

这种方法是将加热成为流动状态的热沥青,置于盛样皿中一次流动自然成型,可以有效保证afm试样所必需的平整度,而且试样的形状和厚度可以有效控制;省去了热沥青滴涂的二次加热的繁琐程序;盛样皿附带盖帽,可以有效保护试样表面不受污染,最大程度地满足afm的观测需求。本文afm观测试样均采用这种样本制备方法制得。

afm测试。本文采用德国布鲁克公司的icon型原子力显微镜进行afm测试。考虑到沥青材料典型的黏、弹、软特性,所有图像的获取均采用峰值力轻敲模式,tap150a探针,共振频率75khz,弹性常数5n·m-1;扫描范围20μm×20μm;所有样本均在室温条件下观测,图像分析采用该设备附带的离线分析软件。

dsr流变性能测试。流变性能的测试采用美国ta公司动态剪切流变仪。采用应变控制模式,测试温度30℃~80℃,频率10rad·s-1。

试验结果与分析

纳米尺度沥青微观结构特征

沥青纳米级表面微观结构存在特有的形状———类似椭圆形的“蜂相结构”形态,且“蜂相结构”随机分布在沥青纳米尺度的表面形貌中。沥青中典型的蜂相结构形貌,以及随机选取的2个“蜂相结构”。

由“蜂相结构”形貌可知:“蜂相结构”由黑白相间的两部分结构组成,沿长轴方向高度曲线呈现“波”的形式,可以用波长和振幅来描述曲线的特征;bee-1和bee-2曲线的波长d1≈d2,其值在0.5μm左右;而振幅的数值很显然是不固定的,如bee-1振幅h1和bee-2振幅h2,分别在几十和十几个纳米范围之间波动。2004年,研究证明蜂相结构是由高低相间、明暗交替的两部分组成的,且相邻波峰之间的水平距离大约为550nm,这一研究成果和本文研究结论一致。此外,在沥青微观自愈合的研究中,研究者发现自愈合的尺寸恰好也是几个微米,这也许并不是一个巧合,可以推测沥青自愈合机理与蜂相结构组分之间存在着某种特定的关系。

为进一步分析沥青试样表面蜂形相态与基质相态纳米尺度表面高度的差异,借助nanoscop软件的分析功能,按像素点提取了纳米尺度试样表面高度的数据。

可知:试样表面的高度分布形态类似正态分布,表面高度为60nm时频数最大,频率达到3.78%;表面高度范围集中在40~80nm之间。这种相态分布之间的差异不但与基质相的高度有关,还与蜂相结构自身,尤其是蜂相结构高度曲线的振幅直接相关。因此,纳米尺度沥青材料的表面并不是绝对的平坦,相态之间的差异是绝对存在的。蜂相结构的出现是沥青特定微观结构的综合响应。

微观结构演化

表面形貌。未老化沥青、实验室rtfot和pav老化沥青以及旧料中抽提得到的6种老化沥青样本的二维原子力显微形貌图像;并借助软件的分析功能绘制的不同老化程度沥青试样纳米尺度表面高度频率分布图。可知,未老化沥青和rtfot老化沥青试样微观结构中,都存在典型的“蜂相结构”相态,只是在蜂相结构形态的数量和尺寸上有所差异,rtfot-200min老化沥青样本形貌图中蜂相数量明显比rtfot-85min少;pav老化沥青以及旧料中抽提沥青的形貌图像中不存在蜂相结构,仅存在一些凸起的褶皱和闪亮的白色斑点,且pav老化和rap1老化沥青形貌图像特征较为接近,表明两者具有相似的老化程度,rap2沥青的显微形貌最为单调。

可知,70号未老化沥青、rtfot-85min沥青、rtfot-200min沥青、pav沥青以及旧料抽提得到的旧沥青rap1和rap2高度分别为:60.96,54.40,47.66,22.56,17.49,6.81nm。未老化沥青和rtfot老化沥青试样的表面高度明显大于pav老化沥青以及旧料中抽提的沥青,rap2老化沥青样本的表面高度数值最小。由此可见,蜂相结构消失使得沥青纳米尺度的相态之间差异降低,试样表面变得更为平坦,相态之间差异进一步降低,表面高度的分布与蜂相结构存在与否直接相关。

显然,随着老化程度的增加,尤其是pav长期老化和现场老化沥青的微观形态结构发生了很大的改变。相对而言,未老化沥青和rtfot老化沥青微观结构较为丰富,蜂相结构分布随机,老化程度继续增加,沥青丰富的微观结构,尤其是蜂相结构逐渐破坏,同时相态之间的空间分布差异降低,微观相态由多相态向单一相态转变,试样表面变得更为平坦。因此,老化确实诱导了微观形态结构的演变,导致了宏观尺度上沥青性能的衰减。

微观结构量化。由以上微观结构演化分析可知,在纳米尺度,沥青试样表面因为老化程度的差异,相态之间高度差异也存在显著变化。如果沥青纳米级相态仅仅存在一种相态,那么相态之间就不会存在相对的高度差异,相态之间存在高度的差异反映了沥青组分之间性能的差异。本文选取表面粗糙度指标来量化相态之间的这一差异。

在进行计算的过程中,同一老化试样选取3个平行显微观测样本,每个观测样本选取5个测试区域,每个测试区域选取512×512个像素点进行统计分析。在统计分析时,发现同一老化试样不同样本之间差异很小。因此,本文的量化分析是针对同一试样不同观测区域之间的差异。

可知:无论是ra还是rq,未老化沥青的最大,旧料中抽提的rap2沥青的最小。随着老化程度的增加,试样表面的粗糙度逐渐减小,纳米尺度的相态高度差异逐渐减小,再次证实了微观结构由多相态向均一化相态结构转变的趋势。这与表面高度分布的研究结果一致。因此,无论是采用表面高度还是表面粗糙度指标,都可以量化表征纳米尺度微观结构高度的演化特征。

微观结构与流变性能相关性

沥青的老化必然引起沥青宏观流变性能的差异,不同老化程度沥青的温度扫描曲线。可知:6种不同老化状态的沥青,复数剪切模量g*从大到小排序依次为rap2,rap1,pav,rtfot-200min,rtfot-85min和未老化;相位角呈现相反的趋势。由于老化引起的流变响应导致复数剪切模量变大,相位角变小,沥青材料的弹性更加显著,黏性逐渐减小。沥青材料现场试样的老化程度远大于实验室内试验老化程度,rap2沥青是老化最为严重的沥青样本,这和微观结构演变分析以及相态高度差异、粗糙度分析的结果一致。因此,宏观沥青材料流变性能的衰变与微观结构演变必然存在一种特定的关系。

本文选取ra来量化表征沥青纳米尺度相态的微观结构特性,选取典型的流变性能指标复数剪切模量g*(30℃)、相位角δ(30℃)以及车辙因子g*/sin(δ)(64℃)来量化宏观尺度性能的变化,初步建立了沥青材料纳米尺度微观结构与宏观尺度性能之间的关系。宏观流变性能和表面粗糙度相关性散点图和拟合的关系曲线。可知:流变性能随表面粗糙度的变化呈现出特定的规律性,相关系数r分别为0.98,0.97和0.99,说明流变性能指标与表面粗糙度指标密切相关,宏观尺度流变性能指标受表面粗糙度指标影响较为显著。可知3条曲线的拟合优度r2分别为0.9621,0.9463和0.98,接近1,拟合度较高,实际观测数据点距离样本线非常近,证明了这一拟合的合理性。因此,可以考虑用一个通用的模型来表示纳米尺度微观结构特性与宏观尺度流变性能的关系。

结语

(1)对于沥青类黏弹性材料,在分析溶液旋涂法和热滴成型样本制备方法优劣的基础上,提出了afm观测样本的盛样皿自然流动成型法。

(2)与国外学者的研究一致,本文也发现了沿蜂相结构长轴方向高度分布呈现“波”曲线的特征,在波曲线上波长大致固定,约为0.5μm,而振幅在十几到几十纳米范围内波动。

(3)未老化沥青和rtfot老化沥青试样表面微观结构存在典型的蜂相结构形态,而pav老化沥青和旧料中抽提得到的沥青微观结构仅存在一些褶皱凸起以及亮白色的斑点。随着老化程度的加深,蜂相结构形态逐渐被破坏,这可能与沥青组分之间的转变以及分子链键的破坏有关。

(4)表面高度分布以及表面粗糙度可以量化表征纳米尺度沥青微观结构特征的演化。研究表明:老化降低了相态之间的高度差异,使沥青纳米级表面逐渐变得平坦。

(5)老化引起沥青材料流变性能的演变,与afm微观结构分析的结果有很大的相关性,幂指数函数模型可以很好地量化表征沥青纳米尺度微观结构特性和宏观流变性能的关系。

(6)本文仅针对基质沥青进行了研究,且室内老化仅选择1种沥青类型,在后续的研究中可以考虑增加沥青的种类和类型进行全面研究;此外,对沥青微观相态结构力学特性方面的研究工作也是值得探讨的重要主题。

文章来源:微信公众号”沥青路面“

引 言

sbs改性沥青的施工温度比基质沥青高15℃~20℃,sma沥青混合料的施工温度更高。目前,《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》采用基质沥青短期老化的评价方法评价sbs改性沥青的短期老化性能。

国内外学者对此做了相关研究,例如美国国家公路研究计划中提出在rtfot试验中添加长127mm、直径为6.35mm的钢棒评价sbs改性沥青的短期老化性能;申来明等认为,当sbs改性沥青163℃粘度大于0.25pa·s时,可采用173℃的rtfot试验评价sbs改性沥青的短期老化性能;李平等从粘度角度分析了现行rtfot试验不适用于评价sbs改性沥青短期老化的原因,并介绍了倾斜玻璃瓶2°的改进措施。

本文基于沥青薄膜烘箱试验,研究老化温度、老化时间、沥青膜厚度、转盘转速等因素对sbs改性沥青短期老化性能的影响规律,以期得到适合评价sbs改性沥青短期老化性能的试验方法。

原材料与试验方案设计

原材料性能

沥青

采用3种sbs改性沥青1#、2#、3#,分别由新加坡埃索ah-90、韩国sk-90、壳牌90#制备,改性剂均为为燕山石化sbs 4303,掺量为4.5%。

集料

粗集料采用角闪岩,规格为3~5mm、5~10mm、10~15mm三种;细集料为0~3mm的石灰岩机制砂。

级配

采用ac-13级配。

试验方案设计

模拟沥青老化

采用沥青薄膜烘箱试验tfot模拟sbs改性沥青短期热老化过程。首先采用单一变量法分别研究老化温度、老化时间、沥青膜厚度、转盘转速对沥青老化性能的影响。沥青采用1#sbs改性沥青。具体模拟过程如下。

(1)设定老化时间为5h、沥青膜厚度为2.8mm、转盘转速为5.5r·min-1不变,研究老化温度分别为163℃、168℃、173℃、178℃、183℃时sbs改性沥青的老化性能。

(2)设定老化温度为163℃、沥青膜厚度为2.8mm、转盘转速为5.5r·min-1不变,研究老化时间分别为5、6、7、8、9h时sbs改性沥青的老化性能。

(3)设定老化温度为163℃、老化时间为5h、转盘转速为5.5r·min-1不变,研究沥青膜厚度分别为1.5、2、2.5、3、3.5mm时sbs改性沥青的老化性能。

(4)设定老化温度为163℃、老化时间为5h、沥青膜厚度为2.8mm不变,研究转盘转速分别为5.5、6.5、7.5、8.5、9.5r·min-1时sbs改性沥青的老化性能。

关联度分析

利用灰色理论关联度分析法研究各因素对sbs改性沥青老化后针入度、软化点、延度等指标的影响程度,即关联度的大小,得出与sbs改性沥青老化性能关联度最大的因素。

老化试验

对3种sbs改性沥青分别进行老化试验,试验变量为与sbs改性沥青老化性能关联度最大的因素,得到老化后的指标。采用3种sbs改性沥青成型3组ac-13马歇尔试件,油石比为4.5%;进行抽提试验,测得回收后的sbs改性沥青的指标,与上述老化后的指标进行对比,确定该因素的最优值,进而确定适合评价sbs改性沥青短期老化性能的评价方法。

试验结果与分析

各因素对sbs改性沥青针入度的影响

可知:针入度随老化温度升高、老化时间增长、转速增大、沥青膜厚度减小(试样质量的减少)而减小。因为老化温度升高、老化时间增长、转速增大、沥青膜厚度减小会增加sbs改性沥青的老化程度,轻质组分挥发,沥青变硬,因此针入度减小。

各因素对sbs改性沥青软化点的影响

可知:软化点随老化温度、老化时间、转速与沥青膜厚度变化的规律不明显。影响软化点的因素较多,包括改性剂在沥青中的应力状态与基质沥青的配伍性、相容性以及沥青各组分的相对分子质量,这些因素与sbs改性沥青所处的温度环境有很大的关系,因此,变化规律不明显。

各因素对sbs改性沥青延度的影响

可知:5℃延度随老化温度升高、老化时间增长、转速增大、沥青膜厚度减小(试样质量的减少)而降低。胶质是影响延度的主要因素,但其稳定性差,当老化温度升高、老化时间增长、转速增大、沥青膜厚度减小,胶质转化为沥青质,胶质相对含量降低,延度变小。

灰色关联度研究

通过单一变量法研究了老化温度、老化时间、转速以及沥青膜厚度对sbs改性沥青老化性能的影响规律,但是不能确定对sbs改性沥青老化性能影响程度最大的因素。根据以上试验数据,通过灰色理论关联度分析,确定对sbs改性沥青老化性能影响最大的因素。

参考数列与比较数列的确定

由于现行sbs改性沥青老化试验方法不能达到实际施工过程中的sbs改性沥青老化程度,因此选择各影响因素不同水平下的sbs改性沥青指标值最大衰减率作为参考数列。

以针入度指标为例说明参考数列与比较数列的确定过程。可知,不同老化温度、老化时间、转速以及沥青膜厚度引起的sbs改性沥青针入度的衰减率{x1}、{x2}、{x3}、{x4}分别为sbs改性沥青指标衰减率越大,表明老化程度越大,越有利于确定sbs改性沥青老化性能的评价方法。因此选择sbs改性沥青性能指标的最大衰减率作为参考数列。

各影响因素与三大指标关联性分析

可知,沥青薄膜试验中沥青膜厚度对sbs改性沥青老化性能影响最大,其次为转盘转速和老化温度,老化时间对sbs改性沥青老化性能影响最小。因此,通过减小沥青膜厚度,即减少沥青试样的用量,评价sbs改性沥青老化性能。

沥青膜厚度研究

不同沥青膜厚度的sbs改性沥青老化性能研究

采用1#、2#、3#sbs改性沥青进行沥青薄膜烘箱试验,设定试验温度为163℃、老化时间为5h、转盘转速为5.5r·min-1不变,沥青膜厚度分别为1.9、2.2、2.5、2.8、3.1mm,分别测得sbs改性沥青老化后的针入度、软化点、延度、粘度、弹性恢复。

可以看出,3种sbs改性沥青的针入度、5℃延度、弹性恢复均随着沥青膜厚度的减小而降低,粘度随着沥青膜厚度的减小而增大,软化点变化规律不明显。

沥青抽提试验

采用ac-13级配配制混合料,油石比为4.5%,沥青采用1#、2#、3#sbs改性沥青,拌和温度为175℃。利用旋转蒸发器法抽提回收沥青,并检测回收后3种sbs改性沥青的性能指标。

沥青膜厚度的确定

sbs改性沥青老化后的针入度、延度、粘度、弹性恢复与沥青膜厚度的相关性较好,因此以抽提回收后的sbs改性沥青针入度、延度、粘度、弹性恢复等指标值为标准,通过插值法确定回收后sbs改性沥青各指标值所对应的沥青膜厚度,即沥青试样的用量。

上述各指标对应的沥青膜厚度的平均值为2.568mm,沥青的质量m=40.6g,即当沥青薄膜烘箱试验中沥青试样的用量为41g时,能够评价sbs改性沥青的短期老化性能。

综上所述,采用老化温度为163℃、老化时间为5h、转速为5.5r·min-1、沥青试样质量为41g的沥青薄膜烘箱试验能够准确评价sbs改性沥青的短期老化性能。

结 语

(1)通过单一变化法研究了不同的老化温度、老化时间、转盘转速以及沥青膜厚度对sbs改性沥青老化后针入度、软化点、延度的影响规律,针入度、延度均随老化温度升高、老化时间增长、转速增大、沥青膜厚度的减小而降低,而软化点变化规律不明显。

(2)通过灰色关联度分析,沥青薄膜试验中沥青膜厚度对sbs改性沥青老化性能影响最大,其次为转盘转速和老化温度,老化时间对sbs改性沥青老化性能影响最小。

(3)通过抽提试验与不同沥青膜厚度的老化试验得出,当沥青薄膜烘箱试验中沥青试样用量为41g时,能够准确评价sbs改性沥青的短期老化性能。

关键词:sbs、沥青改性、老化3563字|预计阅读时间:12分钟

通过对薄膜烘箱老化、pav老化和紫外老化等不同老化方式下,sbs改性沥青老化前后的针入度、5℃延度、软化点、135℃动力黏度以及弹性恢复等性能变化影响规律进行试验研究。结果表明:老化后sbs改性沥青的5℃延度与135℃运动黏度变化幅度显著,老化作用对sbs改性沥青的高、低温性能影响显著;tfot短期老化后,sbs改性沥青性能已发生大幅下降,在长期使用过程(紫外老化、pav老化)中,随老化时间的延长,sbs改性沥青性能衰减幅度逐渐减小。

高等级沥青路面一般优先选取sbs改性沥青路面,因为sbs改性沥青具备高温抗车辙性,低温抗裂性,水稳定性,耐疲劳性和耐老化性等优异的路用性能[1]。但sbs改性沥青路面在服役若干年后还会出现多种病害,如车辙、网裂等。这些病害的发生一方面是由于重载交通引起的,另一方面是则是由于改性沥青自身发生老化原因[2]。因此,有必要对sbs改性沥青的老化现象,尤其是针对老化方式的不同对于sbs改性沥青性能的影响进行研究。

本研究基于sbs改性沥青的老化机理理论和老化的产生和发展过程,设计了3种室内试验方法,用以模拟对应的三种不同的沥青老化方式:短期老化、长期老化和紫外老化,研究了3种不同老化方式对sbs改性沥青的性能影响情况,分析了不同老化方式下的sbs改性沥青性能变化规律。

sbs改性沥青老化机理与过程

老化机理

sbs改性沥青的配制过程是由sbs改性剂(星型或者线型)与基质沥青以及少量的其他外加剂按照一定比例掺配,经过高速剪切、发育,最后制成sbs改性沥青。着眼于基质沥青和sbs改性剂这两种sbs改性沥青的主要原材料,一般认为,sbs改性沥青发生老化,一是由于基质沥青自身发生氧化反应形成了不稳定结构[3];二是由于sbs改性剂化学结构中含有双键,双键在光热氧等作用下发生断裂和氧化[4]。在sbs改性沥青长期老化过程中,由于长链sbs分子断裂,变为小分子短链,导致sbs改性沥青的空间网状结构发生分解而产生破坏,sbs改性沥青的改性效果随之衰减[5]。

老化过程

一般认为sbs改性沥青的主要老化方式主要分为两种,一是短期老化,二是长期老化。其中,短期老化现象主要发生在sbs改性沥青混合料在施工中的加热、拌和以及辗压过程中;长期老化是指由于sbs改性沥青路面在长期使用过程中暴露于自然光照射下,sbs改性沥青逐渐发生老化的过程[6]。在整个长期光氧老化过程中,由于紫外辐射作用产生的老化相较于其他老化形式所占比重最大,因此本文将紫外老化作为第3种老化方式,研究其对sbs改性沥青性能影响情况。

不同老化方式的模拟

试验设计与试验方法

短期老化模拟试验

目前现有的试验方法中,astm、aashto以及我国现行技术规范中,室内模拟沥青短期老化试验的标准试验方法有两种:一是薄膜烘箱老化试验(tfot),二是旋转薄膜烘箱老化试验(rtfot)。然而,大量实体工程应用经验表明,旋转薄膜烘箱老化试验实际应用效果不如薄膜烘箱老化试验[7]。因此,本试验采用项目前期研究结论中的173℃薄膜烘箱老化试验(tfot)来模拟sbs改性沥青的短期老化过程[8]。

长期老化模拟试验

在进行长期老化过程的室内模拟试验时,本试验参照现行规范,采用了美国shrp提出的压力老化试验(pav)。参照规范要求,修改pav老化试验条件如下:

(1)对试样进行173℃薄膜烘箱老化试验(tfot),历时5h后,将tfot老化后的50g试样倒入不锈钢盘中;

(2)将173℃tfot老化后试样放入pav压力老化的器皿中,在压力容器中释放2.1mpa的空气压力,温度设置为100℃,历时20h。在pav压力老化结束后,对真空脱气后残留物进行指标检测。

紫外老化模拟试验

本试验设计了紫外老化箱,用以在室内模拟路面在室外长期使用过程中受紫外辐射所产生的老化[9,10]。

本试验室内紫外老化试验过程如下:

(1)在173℃老化温度下,对sbs改性沥青进行tfot试验,并对老化前后的sbs改性沥青进行性能指标检测。

(2)将历经173℃tfot老化试验后的sbs改性沥青放入紫外老化箱中,进行3d、6d、9d、12d、15d、18d的室内紫外老化试验,并对紫外老化后的sbs改性沥青进行性能指标检测。

试验原材料

原材料基质沥青采用韩国sk-90;sbs改性沥青是由燕山石化4303s8s改性剂按照4.5%的掺量内掺于sk-90高速剪切配制而成。对原材料和配制成的sbs改性沥青进行性能指标检测,结果均满足规范要求。基质沥青以及sbs改性沥青检测结果见表1、表2。

试验结果与分析

短期老化对sbs改性沥青的性能影响

sbs改性沥青短期老化模拟试验结果见表3。

从表3可以看出,sbs改性沥青经历173℃tfot老化后,性能无统一变化规律,针入度、延度、弹性恢复等指标发生衰减,而软化点和运动黏度增大,且延度指标变化最为显著,说明sbs改性沥青经173℃tfot老化后变硬、变脆、流动性减弱,但其老化残留物的各项指标仍能满足目前现行规范要求。验证了tfot老化温度设为173℃的合理性。

长期老化对sbs改性沥青的性能影响

sbs改性沥青长期老化模拟试验(pav试验)结果见表4。

从表4可以看出,sbs改性沥青经历pav老化后,与未老化时相比,针入度、延度、运动黏度、弹性恢复等指标衰减比例基本超过50%,性能发生严重衰减;pav老化后的sbs改性沥青各项性能指标已无法满足规范要求,说明sbs改性沥青在长期光氧作用下,性能发生衰减,导致路面病害频发,从而直接影响了路面的使用性能。

紫外老化对sbs改性沥青的性能影晌

按照本研究2.3提出的紫外老化室内模拟试验方法,得到模拟试验结果见表5和图1。

结合表5和图l可以看出:

(1)经过173℃tfot老化后,sbs改性沥青的针入度、软化点等性能指标均显著减小,黏度增大,说明在sbs改性沥青混合料加热拌和过程中,sbs改性沥青的性能就已经发生了大幅衰减。在随后的老化过程中,sbs改性沥青的针入度和延度仍持续减小,运动黏度持续增大,沥青发生硬化、变稠、延展性变差,说明沥青在后续紫外老化过程中其性能仍不断持续下降。

(2)在紫外老化后半程(12~18d),sbs改性沥青的各项性能指标变化幅度趋于平缓 。随老化时间的不断增长,沥青的性能变化率将缓慢降低至平缓,sbs改性沥青性能不再继续快速衰减。

不同老化方式下sbs改性沥青的性能对比

本研究分别采用3种不同的室内试验对不同老化方式作用下sbs改性沥青进行性能试验,三种老化方式的模拟试验对应关系分别为:

(1)173℃薄膜烘箱老化(tfot)用以模拟短期的老化;

(2)压力老化(pav)用以模拟路面长期老化过程;

(3)紫外老化用以模拟sbs改性沥青路面在实际长期使用过程中的老化。

采用紫外老化箱进行的室内紫外老化试验18d约可等效为沥青路面室外老化1a的老化程度,pav老化试验可等效为沥青路面表层使用5a的老化程度,因此按照老化的时间次序整理试验结果见表7。

性能衰减幅度对比图见图2。

综合表7和图2可以看出:

(1)总趋势:sbs改性沥青历经三段不同老化过程,性能依次持续发生衰减,其中软化点指标变化无规律。

(2)具体指标:与未老化时相比,无论历经何种方式的老化,老化后sbs改性沥青的5℃延度与135℃运动黏度均发生显著变化。其中pav老化试验结果表明,老化后sbs改性沥青的5cc延度比未老化时减小约74%,135℃运动黏度比未老化时增加了约96%。说明老化作用对sbs改性沥青的高低温性能影响显著。

(3)短、长期的变化:从?? 整个老化过程分析,sbs改性沥青历经173℃tfot短期老化后,沥青性能衰减最为明显:其中针入度衰减幅度占整个老化过程衰减幅度约63%,延度衰减幅度占比约44%,运动黏度衰减幅度占比约26%,说明sbs改性沥青性能在混合料拌和过程中性能发生大幅衰减后,在长期使用过程(紫外老化、pav老化)中性能衰减仍会继续发生,但衰减幅度逐渐减小。

结论

通过在室内对短期老化、长期老化、紫外老化等3种不同老化方式进行模拟试验,研究了不同老化方式对sbs改性沥青性能的影响规律,结果表明:

(1)在不同老化方式的作用下,sbs改性沥青老化后的性能指标变化均呈现针入度、5℃延度减小,135℃运动黏度增大的变化规律,沥青性能发生衰减。

(2)无论历经何种方式的老化,相较于其他性能指标,老化后sbs改性沥青的5屯延度与135℃运动黏度变化幅度显著,说明老化作用对sbs改性沥青的高、低温性能影响较大。

(3)在沥青混合料加热与拌和过程,即短期老化过程中(室内采用173℃tfot短期老化模拟),sbs改性沥青性能已发生大幅下降,在长期使用过程中(室内采用紫外老化、pav老化模拟),随老化时间的不断延长,sbs改性沥青性能仍将继续衰减,然而衰减幅度逐渐减小。

全文完。首发于《石油沥青》2019年第33卷。作者简介:李艳(1990—),硕士,工程师。专业:公路工程,现就职于西安公路研究院。

?■ 来源丨沥青路面

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