炭黑改性瀝青的老化特性及其混合料路用性能的分析

文/新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 珠力克

瀝青的老化性能對(duì)于其耐久性以及瀝青路面的使用壽命具有重要的意義，該研究針對(duì)基質(zhì)瀝青以及摻量為10%的炭黑（包括未造粒與造粒）改性瀝青（制備溫度為150℃，制備時(shí)間為1h）分別進(jìn)行了薄膜烘箱試驗(yàn)（TFOT），壓力老化容器（PAV）試驗(yàn)與自然氣候老化試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比老化前后瀝青試樣的性能，研究了炭黑對(duì)瀝青短期熱氧老化、長(zhǎng)期熱氧老化以及自然氣候老化性能的影響。該研究還將炭黑改性瀝青制備為混合料試件，通過(guò)試驗(yàn)分析了炭黑對(duì)瀝青混合料性能的影響。

炭黑改性瀝青的老化性能研究

該研究炭黑采用卡博特N880造粒和未造粒兩種炭黑，瀝青采用SK70瀝青。為了進(jìn)行老化性能評(píng)價(jià)，特定義以下指標(biāo)：

炭黑改性SK-70瀝青的老化性能如表1所示。與基質(zhì)瀝青相比，未造粒炭黑改性瀝青在TFOT老化后的質(zhì)量變化率、軟化點(diǎn)增量和粘度老化指數(shù)均明顯減小，而殘留針入度比與殘留延度比顯著增大，這些均表明未造粒炭黑改性瀝青的耐短期熱氧老化性能有明顯改善。對(duì)于TFOT老化后的造粒炭黑改性瀝青而言，其質(zhì)量變化率與基質(zhì)瀝青幾乎相同，殘留針入度比與殘留延度比顯著增大，軟化點(diǎn)增量和粘度老化指數(shù)有所減小，這也表明造粒炭黑改性瀝青具有較好的耐短期熱氧老化性能。

PAV老化后，兩種炭黑的加入均使得瀝青的殘留針入度比與殘留延度比大大增加，而軟化點(diǎn)增量和粘度老化指數(shù)明顯減小，表明未造粒炭黑與造粒炭黑對(duì)瀝青的耐長(zhǎng)期熱氧老化性能也具有較為顯著的改善作用。

從表1還可以看出，在自然氣候老化（自然暴曬約35h+雨水作用約10h）后，未造粒炭黑改性瀝青與造粒炭黑改性瀝青同樣表現(xiàn)出了較大的殘留針入度比與殘留延度比，以及較小的軟化點(diǎn)增量和粘度老化指數(shù)。此外，兩種炭黑改性瀝青相比，造粒炭黑改性瀝青的殘留針入度比與殘留延度比更大，而軟化點(diǎn)增量和粘度老化指數(shù)更小。這表明兩種炭黑均改善了瀝青的耐自然氣候老化性能，其中造粒炭黑的改善效果更為明顯。

表1 炭黑改性SK-70瀝青的老化性能

表2 瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

綜上可知，兩種炭黑對(duì)瀝青的耐短期熱氧老化性能、耐長(zhǎng)期熱氧老化性能以及耐自然氣候老化性能均具有顯著的改善作用，可以作為較好的抗老化劑應(yīng)用于瀝青材料中。

炭黑改性瀝青混合料的性能評(píng)價(jià)

原材料

礦質(zhì)集料選用優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r礦料，瀝青選用SK-70基質(zhì)瀝青，炭黑同上。采用干法外摻試驗(yàn)，即在混合料拌和過(guò)程中作為外摻劑添加至瀝青混合料中，摻量為瀝青質(zhì)量的10%。為達(dá)到均勻拌和的目的，炭黑在礦質(zhì)集料首次拌和時(shí)連同礦粉一同加入礦質(zhì)集料中。

配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合料類型采用密級(jí)配瀝青混凝土AC-13，初擬了三組級(jí)配設(shè)計(jì)方案后經(jīng)過(guò)比選最終確定了用于試驗(yàn)的礦料級(jí)配，如表2和圖1所示。

采用馬歇爾試驗(yàn)分別確定對(duì)照組瀝青混合料和炭黑改性瀝青混合料最佳瀝青用量分別為4.51%和4.49%。

性能評(píng)價(jià)

水穩(wěn)定性：采用浸水馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，分別測(cè)試60℃水浴條件下浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度，如表3所示。結(jié)果表明，摻入炭黑后，混合料殘留穩(wěn)定度下降幅度約為12.65%，炭黑的摻入會(huì)使混合料的水穩(wěn)定性在一定程度上有所下降。

圖1 瀝青混合料級(jí)配曲線

表3 炭黑對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

高溫穩(wěn)定性：采用車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能，測(cè)試環(huán)境溫度60℃，輪壓0.7MPa下的動(dòng)穩(wěn)定度，如表4所示。結(jié)果表明，摻入炭黑后，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度增幅為38.75%，炭黑的加入顯著提高了瀝青混合料的高溫抗車轍變形能力。

表4 炭黑對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

低溫抗裂性：采用小梁彎曲實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)定小梁試件的最大彎拉應(yīng)變來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能，如表5所示。從表5可以看出，炭黑的加入使得瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度與彎拉應(yīng)變均有所減小，表明炭黑的加入降低了瀝青混合料的低溫抗開裂性能。

表5 炭黑對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性的影響

結(jié)語(yǔ)

兩種炭黑對(duì)瀝青的耐短期熱氧老化性能、耐長(zhǎng)期熱氧老化性能以及耐自然氣候老化性能均具有顯著的改善作用，可以作為較好的抗老化劑應(yīng)用于瀝青材料中。炭黑的加入顯著提高了瀝青混合料的高溫抗車轍性能，但對(duì)其水穩(wěn)定性和低溫抗開裂性能卻有不利影響。