微觀尺度下澆筑式瀝青混合料超熱老化機(jī)理

郝增恒

（1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067）

澆筑式瀝青混合料作為應(yīng)用最廣的鋼橋面鋪裝材料具有施工溫度高、礦粉含量高、瀝青含量高等特點(diǎn)［1］，其混合料拌和及施工溫度高達(dá)240℃，超出《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定的普通瀝青混合料最高施工溫度近50℃.超熱溫度對(duì)改性瀝青的老化沖擊程度較大［2－4］，明顯延長(zhǎng)的拌和時(shí)間和較高的拌和運(yùn)輸溫度將導(dǎo)致老化加劇.而且，隨著老化溫度的升高，瀝青氧化與揮發(fā)速率都明顯改變，在常規(guī)老化溫度下產(chǎn)生較小作用的輕質(zhì)組分揮發(fā)在超熱溫度下很有可能對(duì)老化起到明顯的加速作用.同時(shí)，由于澆筑式瀝青混合料孔隙率基本為零，而且采用專(zhuān)業(yè)的密閉設(shè)備運(yùn)輸，使其接觸氧氣的機(jī)會(huì)大大減少，從而又降低了氧化速率［5］.澆筑式瀝青混合料在拌和、運(yùn)輸階段一直處于“超熱、低氧”狀態(tài)，在這一工況下其超熱老化機(jī)理尚存在一些理論空白，力學(xué)性能衰變規(guī)律亦有待探尋.

1 超熱老化狀態(tài)下澆筑式瀝青紅外光譜分析

為了從微觀尺度觀察不同超熱溫度對(duì)澆筑式瀝青老化的影響程度，采用不同超熱溫度拌和后得到的抽提回收瀝青進(jìn)行了FTIR 分析［6］，結(jié)果見(jiàn)圖1.

圖1 超熱溫度對(duì)澆筑式瀝青紅外光譜的影響規(guī)律Fig.1 Influence of epithermal aging temperature on FTIR spectrum for the modified asphalt extracted from Gussasphalt

由圖1可見(jiàn)，隨著超熱溫度的提高，酸酐的羰基特征吸收峰（1798cm－1）和亞砜官能團(tuán)特征吸收峰（1000～1050cm－1）峰面積顯著增加.雙鍵在氫過(guò)氧化物的作用下與硫醇官能團(tuán)反應(yīng)生成硫醚官能團(tuán)，而硫醚官能團(tuán)又可以被氧化成亞礬官能團(tuán).可見(jiàn)，亞砜官能團(tuán)的多少直接證明了超熱氧化程度的大小.隨著超熱溫度的提高，SBS特征峰吸收峰聚丁二烯嵌段的—C ═ C—H 彎曲吸收峰（913cm－1）逐漸減弱，說(shuō)明SBS發(fā)生了斷鏈分解反應(yīng).

2 超熱溫度下澆筑式瀝青揮發(fā)速率分析

澆筑式瀝青在不同溫度下的恒溫TG 分析見(jiàn)圖2.由于有N2保護(hù)，在整個(gè)TG 分析過(guò)程中，澆筑式瀝青未發(fā)生氧化，而且在250℃時(shí)也未發(fā)生分解［7］，因此，試驗(yàn)過(guò)程中澆筑式瀝青的質(zhì)量損失全部為輕質(zhì)組分揮發(fā)所致.

3 超熱溫度下氧化與揮發(fā)貢獻(xiàn)機(jī)理分析

采用FTIR和TG 聯(lián)用的表征方法研究澆筑式瀝青在不同超熱溫度下輕質(zhì)組分揮發(fā)速率及氧化影響進(jìn)程［8－10］.澆筑式瀝青在實(shí)際拌和和運(yùn)輸過(guò)程中的氧氣濃度可以通過(guò)在拌缸或運(yùn)輸車(chē)內(nèi)安裝的氧氣濃度傳感器及氧氣濃度檢測(cè)儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

圖3為不同超熱溫度下澆筑式瀝青的質(zhì)量損失率.從圖3可以看出，隨著超熱溫度的提高，澆筑式瀝青質(zhì)量損失率明顯增加，在163℃恒溫1h的質(zhì)量損失率只有0.65%，而在250℃恒溫1h的質(zhì)量損失率達(dá)到6.01%，顯示超熱溫度對(duì)澆筑式瀝青輕質(zhì)組分揮發(fā)的影響比常規(guī)瀝青老化明顯.

圖3 不同超熱溫度下澆筑式瀝青的質(zhì)量損失率Fig.3 Mass loss of the modified asphalt extracted from Gussasphalt at different epithermal aging temperatures

以羰基 C═ O 的生成速率為研究對(duì)象對(duì)超熱狀態(tài)下澆筑式瀝青飽和分進(jìn)行了紅外光譜定量衰變分析.為了消除量對(duì)峰強(qiáng)的影響，本文以0 min 時(shí)2924cm－1處的羰基峰強(qiáng)為參比，探索了超熱溫度下不同氧氣濃度和不同老化時(shí)間對(duì)澆筑式瀝青超熱老化進(jìn)程的影響規(guī)律.試驗(yàn)條件：在不同氣氛保護(hù)下50℃恒溫后，以10℃／min 的升溫速度升溫至240℃，并恒溫1h.

圖4為不同氣氛下澆筑式瀝青飽和分的羰基生成速率變化曲線.由圖4可見(jiàn)，在氧氣氛圍下澆筑式瀝青飽和分羰基含量的增加速率明顯高于空氣中的增加速度，在接近20min的時(shí)候，氧化反應(yīng)已基本全部完成，而在空氣氛圍中，這一氧化反應(yīng)則需要40min.

圖4 不同氣氛下澆筑式瀝青飽和分的羰基生成速率變化曲線Fig.4 Carbonyl content of saturates in Gussasphalt processed in different atmosphere

從圖3，4可以看出輕質(zhì)組分的氧化反應(yīng)和揮發(fā)在澆筑式瀝青的全部老化過(guò)程中所起的作用.由圖3可見(jiàn)，在不同超熱溫度恒溫1h內(nèi)，輕質(zhì)組分揮發(fā)速率減幅很小，揮發(fā)貫穿于整個(gè)老化過(guò)程.由圖4可見(jiàn)，在氧氣氛圍、240℃恒溫的前20min，澆筑式瀝青飽和分羰基峰強(qiáng)基本趨于穩(wěn)定，說(shuō)明后期的氧化反應(yīng)已不再是其性能老化的主要原因，后期老化主要是輕質(zhì)組分揮發(fā)所致；在空氣氛圍中，只有在240℃恒溫接近30min時(shí)，飽和分羰基峰強(qiáng)才基本趨于穩(wěn)定，并且后期羰基峰強(qiáng)增加速率仍然高于氧氣氛圍中的增加速率，這說(shuō)明在240℃恒溫30min后，澆筑式瀝青飽和分在空氣氣氛下的氧化反應(yīng)已不再是其老化的主要原因，后期老化主要是由于輕質(zhì)組分揮發(fā)所致.

4 結(jié)論

（1）經(jīng)歷超熱老化的澆筑式瀝青羰基和亞砜基紅外光譜特征峰明顯增加，聚丁二烯—C ═ C—特征峰面積明顯減小，SBS斷鏈明顯，在超熱溫度下氧化反應(yīng)程度明顯增大，并且不同超熱溫度間氧化反應(yīng)程度差異也比較明顯；在超熱溫度下，澆筑式瀝青的輕質(zhì)組分揮發(fā)速率明顯高于普通老化溫度下的揮發(fā)速率.

（2）澆筑式瀝青在運(yùn)輸過(guò)程中一直處于少氧狀態(tài)，并且運(yùn)輸時(shí)間一般為45min～1h，因此，在運(yùn)輸過(guò)程中的超熱老化是由于其輕質(zhì)組分的氧化和揮發(fā)所致，運(yùn)輸車(chē)要盡量密閉、隔絕空氣，以減緩氧化反應(yīng)的發(fā)生，而減緩由于輕質(zhì)組分揮發(fā)導(dǎo)致的老化則只能靠降低超熱溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且效果明顯.

［1］薛昕，王民，張華.澆筑式瀝青混凝土在鋼橋面鋪裝中的應(yīng)用現(xiàn)狀［J］.公路交通技術(shù)，2011，5（5）：98－102.XUE Xin，WANG Min，ZHANG Hua.Application of casting asphalt concrete in deck pavement and development status［J］.Technology of Highway and Transport，2011，5（5）：98－102.（in Chinese）

［2］HAO Zeng－h(huán)eng，TAN Yi－qiu，ZHANG Xiao－ning，et al.Epithermal aging mechanism of Gussasphalt［J］.Journal of Wuhan University Technology Materials Science，2009，24（3）：466－470.

［3］郝增恒，張肖寧，盛興躍.超熱條件下改性瀝青的老化機(jī)理研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2009，12（4）：433－437.HAO Zeng－h(huán)eng，ZHANG Xiao－ning，SHENG Xing－yue.Aging mechanism of modified asphalt under epithermal conditions［J］.Journal of Building Materials，2009，12（4）：433－437.（in Chinese）

［4］羅桑，錢(qián)振東，王匯.鋼橋面鋪裝用澆注式瀝青結(jié)合料的制備與試驗(yàn)研究［J］.石油瀝青，2011，25（1）：32－35.LUO Sang，QIAN Zhen－dong，WANG Hui.Study on preparation and experiment of mastic asphalt cement for steel deck pavement［J］.Petroleum Asphalt，2011，25（1）：32－35.（in Chinese）

［5］張華，錢(qián)覺(jué)時(shí)，吳文軍.澆注式瀝青混合料疲勞特性研究［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2011，14（3）：336－340.ZHANG Hua，QIAN Jue－shi，WU Wen－jun.Research on fatigue performence of gussasphalt mixture［J］.Journal of Building Materials，2011，14（3）：336－340.（in Chinese）

［6］趙永利，顧凡，黃曉明.基于FTIR 的SBS改性瀝青老化特性分析［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2011，14（5）：620－623.ZHAO Yong－li，GU Fan，HUANG Xiao－ming.Analysis on SBS modified asphalt aging characterization based on fourier transform infrared spectroscopy［J］.Journal of Building Materials，2011，14（5）：620－623.（in Chinese）

［7］LIU Yun，QIAN Zhen－dong.Dynamic analysis of pavement on long span steel bridge decks［J］.Journal of Southeast University，2008，24（2）：212－215.

［8］傅寧，張勇.采用TGA－FTIR 分析聚碳酸酯復(fù)合材料的熱降解行為［J］.化學(xué)工程與裝備，2010，6（3）：1－4.FU Ning，ZHANG Yong.Thermal degradation behavior of polycarbonate composite based on TGA－FTIR analysis［J］.Chemical Engineering and Equipment，2010，6（3）：1－4.（in Chinese）

［9］李榮勛，楊有財(cái).TGA－FTIR 聯(lián)用技術(shù)研究ABS樹(shù)脂的熱降解行為［J］.現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2009，21（6）：45－48.LI Rong－xun，YANG You－cai.Thermal degradation behavior of ABS resin based on TGA－FTIR technology［J］.Modern Plastics Processing and Applications，2009，21（6）：45－48.（in Chinese）

［10］CHEN J S.Engineering characterization of recycled asphalt concrete and aged bitumen mixed recycling agent［J］.Journal of Materials Science，2007，23（12）：9867－9876.