瀝青老化指標分析

■陳 偉

（福建省交通科研所，福州 350004）

瀝青老化是影響瀝青路面使用性能的一個重要因素。瀝青在貯運、加工、施工及使用過程中，由于長時間地暴露在空氣中，在風雨、溫度變化等自然條件的作用下，會發(fā)生一系列物理及化學變化，最后使瀝青逐漸硬化變脆開裂，不能繼續(xù)發(fā)揮其原有的作用。瀝青所表現(xiàn)出的這種膠體結構、理化性質或機械性能的不可逆變化稱為老化。隨著福建省高速公路的發(fā)展，瀝青的耐久性、抗老化性能越來越得到重視。從本質上揭示瀝青老化的原因,系統(tǒng)評價瀝青的抗老化性能,對于指導瀝青的生產和使用具有重要的意義。

1 瀝青老化試驗

本次研究采用薄膜烘箱試驗進行老化，選擇福建省高速公路常用的三種不同品牌的瀝青（中油瀝青、東海瀝青、埃索瀝青）和相應的改性瀝青進行試驗，分別老化5h、24h、48h。將原樣和老化后的樣品分別進行針入度、延度、軟化點和黏度試驗。通過對比瀝青老化前后的指標變化程度對瀝青老化進行評價。

2 試驗結果分析

(1)針入度

試驗方法按相關規(guī)程要求進行，基質瀝青老化后的常規(guī)指標如表1 所示。改性瀝青老化前后的常規(guī)指標試驗結果如表2 所示。

表1 不同時間老化后基質瀝青指標變化

表2 不同時間老化后SBS 改性瀝青指標變化

由表1 和表2 可以看出，老化前不同基質瀝青的針入度有較大差異，但老化后瀝青針入度都呈現(xiàn)變小的規(guī)律。在TFOT 老化前期，針入度均急劇衰減；隨著老化的繼續(xù)進行，針入度的衰減速率減緩。但不同瀝青經TF0T 老化后的針入度差異顯著縮小。

殘留針入度比反映了瀝青在老化前后稠度的變化，殘留針入度比越大，說明瀝青的抗老化性能越好。圖1列出了三種瀝青的25℃殘留針入度比，由針入度比隨老化時間的變化規(guī)律可知，隨著老化時間的推移針入度比不斷下降，反映了青老化程度不斷加深，但其下降的幅度有所減緩，說明瀝青初期老化較快，后期老化逐漸減緩。在老化5h 和老化24h 針入度比的數(shù)值排列順序一致，證明針入度比可以較準確地區(qū)分不同瀝青抗老化性能的差別。由圖總體走勢可知短期老化后瀝青的針入度比可以預測瀝青的長期抗老化性能。由瀝青的殘留針入度比可以看出，不同瀝青的抗老化性能有明顯的差異，埃索70 號瀝青的抗老化性能最好，東海70 號瀝青居中，中油70 號瀝青的抗老化性能較差。

圖2 列出了改性瀝青與基質瀝青25℃殘留針入度比的比較結果。結果顯示：TFOT 老化后改性瀝青針入度比要高于基質瀝青，經長期老化后，兩者差值更加明顯，證明改性瀝青的抗老化性能要優(yōu)于基質瀝青。

圖1 幾種瀝青的25℃殘留針入度比

圖2 改性瀝青與基質瀝青的25℃殘留針入度比

(2)軟化點

如圖3 所示，隨著老化時間的延長，基質瀝青軟化點呈不斷增加趨勢，這有利于瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。不同瀝青隨老化時間的延長增幅有較大差異，由表1 可以知道埃索70 號瀝青抗老化性最好，中油70 號瀝青最差。

SBS 改性瀝青老化后軟化點變化規(guī)律與基質瀝青有所不同，試驗結果見圖4。經TFOT 老化后，改性瀝青軟化點有所降低，且軟化點變化幅度較大，表明因聚合物的作用不同，老化作用對SBS 改性瀝青的影響與對基質瀝青的影響不同。短期老化后，部分聚合物交聯(lián)結構被破壞，導致軟化點下降；進一步老化后，隨著瀝青黏度的增加，軟化點又呈現(xiàn)增加的趨勢?？梢妰H憑軟化點的變化一般難以區(qū)分改性與非改性瀝青抗老化性能的差異性。

圖3 基質瀝青軟化點隨老化時間的變化

圖4 改性瀝青軟化點隨老化時間的變化

(3)延度

瀝青老化后延度下降，導致瀝青混合料低溫抗裂性能降低。由圖5 中試驗結果可以看出，老化后基質瀝青10℃延度變化非常顯著，開始衰減幅度較大，以后越來越小?；|瀝青經過TFOT 老化后，延度值有了明顯差異。其中中油70 號瀝青的下降最大，東海70 號瀝青次之，埃索70 號瀝青最??；但是，當基質瀝青經老化24h 和48h 后，各種瀝青的延度逐漸趨于零，差別越來越小，以致難以有效區(qū)分不同瀝青的性能差異。

從圖6 可以知道，老化對改性瀝青5℃延度同樣有很大影響，隨老化程度加深，延度不斷下降，但不同老化階段延度大小的排序不一致。48h 老化后均出現(xiàn)脆斷，說明耐老化程度較差。所以，通過短期老化后延度的變化來說明改性瀝青的抗老化性能并不合適，這可能是由于瀝青與改性劑的復雜作用導致的。某一老化時刻的延度只能說明此時的瀝青性能，而不一定能準確預測長期老化后的瀝青性能變化。

圖5 基質瀝青10℃延度隨老化時間的變化

圖6 改性瀝青5℃延度隨老化時間的變化

(4)PI 指數(shù)

針入度指數(shù)PI 可以區(qū)分瀝青的溫度敏感性，在15℃、25℃、30℃三個溫度下，分別對瀝青的針入度進行測試，并計算了相應的PI 值。結果如圖7 和8 所示。

圖7 基質瀝青針入度指數(shù)變化情況

圖8 改性瀝青與基質瀝青針入度指教的比較

老化對瀝青PI 值的影響很明顯，基質瀝青老化后的PI 值逐漸增加，但不同瀝青PI 值的變化程度不同。不同老化階段各瀝青PI 值的排列順序差異較大，所以根據(jù)瀝青PI 值的變化幅度來評價抗老化性能和老化規(guī)律是不合適的。

由改性瀝青與基質瀝青老化前的PI 值比較可以發(fā)現(xiàn)，改性瀝青的溫度穩(wěn)定性較好。但是，老化后改性瀝青PI 值的變化規(guī)律與基質瀝青稍有不同。經TFOT 短期（5h）老化后，基質瀝青的PI 值增加明顯，但改性瀝青的PI 值變化不大，甚至出現(xiàn)下降的情況；而經48h 老化后，基質瀝青和改性瀝青的PI 值均迅速增大，數(shù)值達1 以上，改性瀝青的PI 值仍高于基質瀝青，但老化后改性瀝青PI 值的變化幅度要低于基質瀝青。說明短期老化和長期老化對改性瀝青溫度敏感性的作用效果是不同的，這是改性劑的影響所致。推測原因為：改性瀝青短期老化后，瀝青部分老化，PI 值增大.與基質瀝青變化規(guī)律一致；而SBS 的交聯(lián)結構有小部分被破壞，導致PI 值減小，但其影響程度小于瀝青，結果表現(xiàn)為改性瀝青的PI 值增大。改性瀝青經長期老化后，瀝青的老化導致PI 值增大；而SBS 的交聯(lián)結構大部分被破壞，導致PI 值減小。改性瀝青的PI 值受兩種因素的綜合作用，結果表現(xiàn)為經老化后改性瀝青的PI 值有的增大，有的減小。

從上面分析可以看出，老化對基質瀝青和改性瀝青基本性能指標的影響是不一樣的，各指標得出的抗老化性能結論不一致。所以，用常規(guī)指標不能完全準確反映瀝青的性能變化，尤其是改性瀝青的變化規(guī)律，還應結合SHRP 指標做進一步分析。

(5)黏度試驗

黏度是材料相對分子量的宏觀反應，瀝青老化實際是發(fā)生了化學反應，導致瀝青質在瀝青中膠溶程度發(fā)生變化，此過程必然會引起黏度的變化。因此，研究瀝青老化后黏度的變化，對研究瀝青的老化過程也具有重要意義。

采用老化指數(shù)評價瀝青抗老化性能，老化指數(shù)計算公式為：

C=lglg(ηa×103)-lglg(η0×103)

式中：C 為瀝青老化指數(shù)；η0為老化試驗前黏度；ηa為老化試驗后黏度。

老化指數(shù)反映了瀝青老化后黏度曲線向上的偏離程度，其數(shù)值越大說明瀝青抗老化性能越差。該指標不受原樣瀝青黏度差異的影響，相對于黏度比來說更加合理。

不同瀝青不同老化方式前后的135℃黏度如圖9，由試驗結果數(shù)據(jù)進行計算得到各個瀝青的老化指數(shù)如圖10 和11 所示。由以上結果可以看出，隨著老化時間的延長，瀝青的135℃黏度均有較為顯著的增加，老化指數(shù)的數(shù)值也隨之增大。由于抗老化性能的差異，不同瀝青老化后黏度的增幅不同，老化指數(shù)也不同。但基質瀝青與改性瀝青的耐老化性能基本一致，埃索最佳，其次東海，再次中油。

圖9 不同瀝青老化前后135℃黏度

圖10 基質瀝青老化指數(shù)

圖11 改性瀝青老化指數(shù)

對比圖10 和11，改性瀝青的黏度比和老化指數(shù)普遍低于基質瀝青，說明改性瀝青的抗老化性能優(yōu)于基質瀝青，即瀝青經改性后的抗老化能力有了一定程度的提高。黏度的變化能較好地表征瀝青的老化，瀝青老化后黏度增大，高溫性能逐漸增強。

3 結論

通過上述試驗分析，得出結論如下：

⑴針入度比可以較準確地區(qū)分不同瀝青抗老化性能的差別，而且短期老化后瀝青的針入度比可以預測瀝青的長期抗老化性能。

⑵軟化點的變化一般難以區(qū)分改性與非改性瀝青抗老化性能的差異性。

⑶某一老化時刻的延度只能說明此時的瀝青性能，而不一定能準確預測長期老化后的瀝青性能變化。

⑷不同老化階段各瀝青PI 值的排列順序差異較大，所以根據(jù)瀝青PI 值的變化幅度來評價抗老化性能和老化規(guī)律是不合適的。

⑸黏度的變化能較好地表征瀝青的老化，瀝青老化后黏度增大，高溫性能逐漸增強。

[1]JTGE20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].

[2]JTJF40-2004，公路瀝青路面施工技術規(guī)范[S].