基于動態(tài)老化方程的瀝青抗老化性能對比研究

紀(jì)小平，侯月琴，許輝，譚學(xué)章

（1.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西西安 710064；2.甘肅省公路管理局，甘肅蘭州 730030；3.甘肅省高等級公路建設(shè)開發(fā)有限公司，甘肅蘭州 730030）

瀝青的抗老化性能是影響瀝青路面長期使用性能的主要因素［1－2］.國內(nèi)外對瀝青老化評價方法做了長期的研究，形成了短期老化和長期老化的評價方法.普遍采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（RTFOT）、薄膜烘箱（TFOT）模擬瀝青的短期老化，以老化前后瀝青的質(zhì)量損失、軟化點增量、針入度比和殘留延度來表征；采用SHRP體系的PAV 壓力老化箱模擬瀝青的長期老化，以動態(tài)剪切流變DSR、彎曲梁流變BBR 試驗評價瀝青的長期老化性能［3－5］.但是，不管何種評價方法，都是基于試驗?zāi)M的研究，其基本思路是借助一定的實驗儀器，設(shè)定一定的模擬條件（如溫度、時間），通過室內(nèi)老化后的瀝青性能與實際使用一定時間后的瀝青性能比較，來確定室內(nèi)試驗?zāi)芊穹从碁r青在使用過程中的老化情況及室內(nèi)試驗條件，其缺點是不能動態(tài)描述瀝青在不同時刻的性能，也不能準(zhǔn)確反映瀝青的老化速率.另外，采用上述方法評價瀝青的老化性能時，長期老化與短期老化對不同瀝青的抗老化性能排序不一致，而且，短期老化也不能全面反映瀝青的抗老化性能.正因如此，國內(nèi)外許多研究采用瀝青老化的非線性老化方程來評價瀝青的老化過程，它不僅能精確描述瀝青的動態(tài)老化過程，而且能實時預(yù)估瀝青在不同時刻的老化度和老化速率［6－10］.本文采用非線性老化方程分析多種瀝青的老化過程，得到動態(tài)老化方程和老化參數(shù)，并采用灰色關(guān)聯(lián)多指標(biāo)分析方法綜合評價不同瀝青抗老化性能的優(yōu)劣，為全面評價瀝青的長期老化性能和合理選擇瀝青提供參考.

1 試驗原材料

瀝青為成品改性瀝青（A），室內(nèi)制備改性瀝青（B），90＃A 級基質(zhì)瀝青（C）和70＃A 級基質(zhì)瀝青（D）.分別對這4種瀝青進(jìn)行不同時間的RTFOT老化試驗，老化時間為0，85，180，270，360，450，540min，老化溫度為163℃.測定不同老化時間后的瀝青的針入度、5℃延度、軟化點和135℃布氏黏度，試驗結(jié)果如表1所示.4種瀝青的針入度比和軟化點增量如表2所示.試驗表明，當(dāng)采用針入度比進(jìn)行評價時，4種瀝青的抗老化性能排序為B＞C＞A＞D；當(dāng)采用軟化點增量進(jìn)行評價時，4種瀝青的抗老化性能排序為C＞A＞D＞B.

表1 RTFOT老化后瀝青的技術(shù)性能Table1 Technical properties of asphalt after RTFOT aging

表2 RTFOT評價結(jié)果Table 2 Evaluation result by RTFOT

2 表征瀝青老化過程的動態(tài)方程

瀝青熱氧老化過程的動態(tài)方程如式（1）［6］所示.國內(nèi)的研究者對該模型進(jìn)行了大量的深入研究，發(fā)現(xiàn)該模型不僅可表征瀝青的熱氧老化過程，而且還能表征其紫外線老化過程以及老化速率［7－10］.模型參數(shù)L是最終時刻和初始時刻瀝青性能x（t）的比值，是瀝青性能x（t）最終增加（或減少）度，r是對于給定L 值瀝青性能x（t）的增加速率（或減少速率）的衡量，r值越大，表明老化時間越集中，抗老化性能越差.

本文以原樣瀝青的性能為初始值，以其老化540min的性能為終值，確定了老化動態(tài)模型參數(shù)L和r.經(jīng)擬合分析，得到了各指標(biāo)的老化參數(shù)及老化方程，見表3.結(jié)果表明，擬合值與實測值間的相關(guān)性較大，說明該方程可靠.圖1為瀝青B的擬合值與實測值的對比，兩者非常接近.

表3 瀝青老化的動態(tài)方程Table 3 Dynamic equation of asphalt aging

圖1 瀝青B的試驗值與動態(tài)方程的對比Fig.1 Comparing experimental value to dynamic equation of asphalt B

由老化參數(shù)和老化方程可知，不同瀝青不同指標(biāo)的老化參數(shù)有大有小，如瀝青A，其軟化點和黏度的老化度L 小于瀝青C，且大于1，說明瀝青A 優(yōu)于瀝青C，而其針入度、延度的老化度L 小于瀝青C，且小于1，說明瀝青A 劣于瀝青C；瀝青A 的針入度、軟化點和延度的老化速率r均大于瀝青C，說明瀝青A 劣于瀝青C，而瀝青A 的黏度老化速率r小于瀝青C，說明瀝青A 優(yōu)于瀝青C.因此，當(dāng)考慮多指標(biāo)評價時，導(dǎo)致無法直接判定何種瀝青最優(yōu).本文借助灰色關(guān)聯(lián)理論選出具有最優(yōu)抗老化性能的瀝青.

3 基于多指標(biāo)動態(tài)老化參數(shù)的瀝青抗老化性能對比評價

3.1 瀝青老化多指標(biāo)評價權(quán)重及目標(biāo)

決策目標(biāo)即為事件的評價指標(biāo).當(dāng)采用多指標(biāo)對比不同瀝青的老化性能時，勢必存在某個指標(biāo)較優(yōu)而另外一個指標(biāo)較差的情況，本文以瀝青針入度、軟化點、黏度和延度的動態(tài)老化參數(shù)L 和r 為評價指標(biāo)，綜合對比不同瀝青的抗老化性能.

進(jìn)行多指標(biāo)評價時，存在指標(biāo)權(quán)重的分配問題.在瀝青老化過程中，總體趨勢是軟化點和黏度增大，針入度和延度降低，前者對于高溫性能有利，而后者對路面的低溫性能不利，因此對針入度和延度可賦予較高的權(quán)重.同時，各個指標(biāo)動態(tài)老化參數(shù)又有老化度L 和老化速率r，兩者也相當(dāng)重要.鑒于此，本文確定的決策目標(biāo)權(quán)重如表4所示.

表4 決策目標(biāo)及權(quán)重Table 4 Decision objectives and weight

綜上所述，L 值越接近于1，說明抗老化性能越好；r表征瀝青性能衰減到預(yù)定水平的時間，其值越小，說明抗老化性能越好.

3.2 不同瀝青抗老化性能的灰色關(guān)聯(lián)評價

運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論進(jìn)行多目標(biāo)決策分析時，其計算步驟如下［11］：

（1）記瀝青動態(tài)老化過程的多指標(biāo)評價為事件a1，則事件集A＝｛a1｝；記瀝青A 為方案b1，瀝青B為方案b2，瀝青C方案b3，瀝青D 為方案b4，則方案集B＝｛b1，b2，b3，b4｝.于是有局勢集

（2）確定8個目標(biāo)及權(quán)重，如表4所示.

（3）確定k目標(biāo)下的局勢效果序列u（k）（k＝1，2，3，4，…，8）為

（4）以ηkuk作為k 目標(biāo)下的局勢效果序列

（5）由上面的結(jié)果，可得局勢sij的效果向量Uij（i＝1；j＝1，2，…，4）為

（6）確定理想最優(yōu)效果向量.針入度L 和延度L 越大越好；針入度r，軟化點L，軟化點r，黏度L，黏度r和延度r 越小越好.由效果向量Uij可得最優(yōu)效果向量為

（7）計算uij與ui0j0的灰色絕對關(guān)聯(lián)度εij（i＝1；j＝1，2，3，4），得：

另外，4種瀝青抗老化性能的優(yōu)劣排序為：室內(nèi)制備改性瀝青＞90＃A 級基質(zhì)瀝青＞成品改性瀝青＞70＃A 級基質(zhì)瀝青，說明改性瀝青的抗老化性能并不一定比基質(zhì)瀝青優(yōu)越.上述排序與RTFOT的針入度比評價一致，而與軟化點增量評價不一致.

4 結(jié)語

（1）瀝青針入度、軟化點、延度、黏度與老化時間存在非線性關(guān)系，在初始期，老化速率大，隨著時間的推移，老化速率趨于緩慢，最后達(dá)到平衡.

（2）瀝青的老化過程可用動態(tài)方程表征，參數(shù)L和r 能很好表征瀝青老化過程的老化度和老化速率；不同瀝青、不同指標(biāo)的老化參數(shù)排序不一致.

（3）運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論對比不同瀝青的抗老化性能，有助于克服單指標(biāo)比較不能兼顧其他指標(biāo)的缺陷，不失為一種簡單而有效的材料評價方法.

（4）4種瀝青的綜合抗老化性能排序為：室內(nèi)制備改性瀝青＞90＃A 級基質(zhì)瀝青＞成品改性瀝青＞70＃A 級基質(zhì)瀝青，改性瀝青的抗老化性能并不一定比基質(zhì)瀝青優(yōu)越.

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