SHRP 試驗(yàn)在我國(guó)瀝青老化研究中的進(jìn)展

石浩東，劉忠根

（吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

SHRP 研究項(xiàng)目旨在提高高等級(jí)道路性能，其核心是模擬瀝青膠結(jié)料在使用壽命期間的路用性能，通過(guò)RTFOT 和PAV 分別模擬瀝青短期（拌合、施工階段）老化和瀝青長(zhǎng)期(運(yùn)營(yíng)階段)老化，以期將室內(nèi)瀝青老化分析同瀝青在拌合、鋪筑、運(yùn)營(yíng)階段的路用性能聯(lián)系起來(lái)[1]；其以135℃下的旋轉(zhuǎn)粘度作為瀝青混合料施工和易性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，保證瀝青在泵送和拌合時(shí)具有足夠的流動(dòng)性；以動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)作為評(píng)價(jià)瀝青在路面使用中的高、中溫區(qū)的流變特性（抗車轍性、抗疲勞性）；以彎曲梁流變?cè)囼?yàn)作為評(píng)價(jià)瀝青低溫流變特性（低溫抗裂性）。相對(duì)于瀝青傳統(tǒng)三大指標(biāo)試驗(yàn)，針入度、軟化點(diǎn)、延度僅針對(duì)特定溫度下的瀝青性能，SHRP 試驗(yàn)?zāi)軌蛉轿?、深層次地研究瀝青老化、及其在高、中、低溫下的宏觀力學(xué)性能，更好地表征瀝青的路用性能，對(duì)瀝青路面修建、養(yǎng)護(hù)、及再生具有重要意義?；诖耍恼驴偨Y(jié)了基于SHRR 試驗(yàn)的瀝青老化研究進(jìn)展。

1 影響瀝青老化的因素

瀝青是通過(guò)原油蒸餾而獲得的一種具有粘彈性力學(xué)性質(zhì)的材料，主要化學(xué)成分為飽和組分、芳香組分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)（SARA）[2]。瀝青的老化在宏觀上表現(xiàn)為變硬、變脆，進(jìn)一步增加了瀝青混合料的硬度，從而引起瀝青路面的疲勞和低溫?fù)p傷[3-4]。在微觀上表現(xiàn)為輕質(zhì)化學(xué)組分的揮發(fā)、氧化、聚合，使得瀝青中飽和組分、芳香組分的減少及膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的增加。

對(duì)于不同種類的瀝青，周志剛等[5]基于老化前后的中溫失效溫度及針入度指標(biāo)，得出SBS 瀝青抗老化性能優(yōu)于普通瀝青。熱氧老化作為瀝青的主要老化方式，許培俊等[6]分別在 135℃，150℃，163℃溫度下進(jìn)行瀝青的老化試驗(yàn)，數(shù)據(jù)結(jié)果表明隨著溫度的上升，瀝青老化程度加劇。譚志遠(yuǎn)[7]在不同老化方式對(duì)瀝青性能影響的研究中發(fā)現(xiàn)，熱-氧耦合作用是引起瀝青老化的主要因素，在老化的初期熱-氧耦合作用起主導(dǎo)作用，而后期以紫外線老化為主。Prabir Kumar Das 等[8]基于原子力顯微鏡試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)紫外線處理后的瀝青粘附力降低，粘度增加，老化程度加深，同時(shí)也認(rèn)為紫外線是瀝青長(zhǎng)期老化中的重要因素。錢國(guó)平等[9]在對(duì)瀝青水老化的研究中發(fā)現(xiàn)，有水壓力老化瀝青的勁度模量大于常規(guī)壓力老化瀝青的，表明水分的作用使瀝青老化程度加深，降低了瀝青的低溫抗裂性能。

綜上所述，影響瀝青老化的因素可分為內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素主要是指瀝青的種類，對(duì)于標(biāo)號(hào)及產(chǎn)地來(lái)源不同的瀝青，其化學(xué)成分上具有差異，表現(xiàn)為抗老化性能的優(yōu)劣。外部因素主要包括：溫度、氧氣、紫外線、壓力及水，這些因素即綜合作用于瀝青，加劇瀝青的老化，又在瀝青的不同的老化階段起著主導(dǎo)作用。其中熱氧老化主要影響瀝青的前期老化性能，紫外線和壓力在瀝青的長(zhǎng)期老化中作用更為明顯。

2 瀝青模擬老化與實(shí)際老化關(guān)系

在模擬瀝青短期老化研究中，國(guó)內(nèi)外通常采用薄膜烘箱（TFOT）或旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)（RTFOT），相比于TFOT，楊洪濱[10]在研究中也發(fā)現(xiàn)RFOTF 能夠使瀝青老化更加充分和均勻。對(duì)于模擬瀝青的長(zhǎng)期老化，在20 世紀(jì)90 年代SHRP 研究項(xiàng)目的成果壓力老化試驗(yàn)（PAV）已成為業(yè)內(nèi)學(xué)者所普遍接受的模擬瀝青長(zhǎng)期老化的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，即將經(jīng)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)后的殘留瀝青樣品放入PAV 中，在2.1 MPa 的壓力下老化20 h 來(lái)模擬瀝青路面運(yùn)營(yíng)5 年左右的瀝青老化性能。

粟培龍[11]在對(duì)西安市 4 條分別服務(wù) 2，4，6，7 年的瀝青路面進(jìn)行老化瀝青的抽提，并與經(jīng)RTFOT 后的老化的基質(zhì)瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度、旋轉(zhuǎn)粘度、勁度模量數(shù)據(jù)的綜合比對(duì)發(fā)現(xiàn)，RTFOT180 min相當(dāng)于運(yùn)營(yíng)2 年~3 年的瀝青路面中的老化瀝青，RTFOT360 min 基本相當(dāng)與實(shí)際使用6 年的道路中老化瀝青，同時(shí)PAV（RTFOT 殘留物）在模擬瀝青長(zhǎng)期老化的效果中大約相當(dāng)于RTFOT 老化270 min的效果。伍育鈞等[12]對(duì)#70 瀝青進(jìn)行壓力老化試驗(yàn)，結(jié)合滬寧高速運(yùn)營(yíng)3 年~8 年的瀝青混合料抽提后的老化瀝青，進(jìn)行瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)PAV 老化時(shí)間X 與道路齡期Y 關(guān)系：Y=0.002 X2+0.276 X。劉文昶等[13]通過(guò)將一定厚度的瀝青放于自然環(huán)境下老化，得出自然老化60 d～90 d 瀝青，大致相當(dāng)于室內(nèi) RTFOT 老化300 min；自然老化 120 d～140 d 的瀝青老化程度相當(dāng)于PAV 老化20 h。Qian Y 等[14]在對(duì)香港6 條服役期限不同的SMA 及WC 瀝青路面進(jìn)行回收抽提，并與室內(nèi)模擬老化瀝青相比對(duì)，從瀝青流變性數(shù)據(jù)分析得出；1 個(gè)PAV 老化周期并不能較好的模擬實(shí)際使用5 年的抽提瀝青性能，傳統(tǒng)的PAV 方法低估了瀝青粘結(jié)劑在香港氣候條件下的長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)老化。

綜上所述，通過(guò)RTFOT 和PAV 模擬瀝青老化，隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加，瀝青老化程度加深，呈規(guī)律性變化；能夠在一定程度上通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際工程中瀝青的老化程度，對(duì)瀝青路面的施工和養(yǎng)護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。但由于瀝青路面的老化受到所處路面的的原材料，結(jié)構(gòu)層位，氣候環(huán)境、交通荷載等因素的影響及缺乏廣泛的理論和試驗(yàn)研究，建立瀝青模擬老化和實(shí)際老化的量化關(guān)系仍需進(jìn)一步研究。

3 老化時(shí)間對(duì)瀝青力學(xué)性能影響

3.1 粘度隨老化時(shí)間變化規(guī)律

SHRP 試驗(yàn)通過(guò)旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)測(cè)量瀝青膠結(jié)料的粘度，評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料的施工和易性，根據(jù)Superpave 膠結(jié)料規(guī)范，在溫度135℃時(shí)其粘度≤Pa·s。

藏芝樹(shù)等[15]在對(duì)中海油#90 瀝青的研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng) RTFOT（85 min，60℃）老化后，瀝青粘度增加40%；經(jīng)過(guò) RTFOT（85 min，60℃）+PAV（20 h），旋轉(zhuǎn)粘度增加了69%。張陳等[16]在對(duì)中石油AH-50，AH-70，AH-90 室內(nèi) RTFOT 老化后，3 組標(biāo)號(hào)不同瀝青135℃下粘度分別提高19.3%，61%，42%。應(yīng)容華等[17]對(duì)經(jīng)RTFOT 老化后的瀝青試樣分別進(jìn)行不同時(shí)間的PAV 老化得出：瀝青粘度隨PAV 老化時(shí)間增長(zhǎng)而升高，通過(guò)擬合數(shù)據(jù)得出PAV 老化時(shí)間T 的粘度方程：

式（1）：η 為粘度，Pa·s；e 為自然指數(shù)；T 為 PAV 老化時(shí)間，h；Hr為粘度試驗(yàn)溫度，℃。

孫世恒[18]在對(duì) AH-50，AH-70，AH-90 瀝青進(jìn)行RTFOT 老化后，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)指數(shù)公式：M=AeBt擬合135℃下旋轉(zhuǎn)粘度與室內(nèi)老化時(shí)間關(guān)系，得出對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)瀝青老化擬合方程見(jiàn)表1，且基于粘度指標(biāo)而言#70 瀝青抗老化性能最好。

表1 老化擬合方程

綜上所述，瀝青旋轉(zhuǎn)粘度隨模擬老化時(shí)間的增長(zhǎng)而升高，在RTFOT 與PAV 老化試驗(yàn)中指數(shù)關(guān)系模型能夠很好的描述瀝青的旋轉(zhuǎn)粘度與老化試驗(yàn)時(shí)間的量化關(guān)系；由于瀝青的成分復(fù)雜，對(duì)于不同型號(hào)不同產(chǎn)地的瀝青，其關(guān)系模型中的常量應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.2 高溫性能隨老化時(shí)間變化規(guī)律

SHRP 試驗(yàn)采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料粘性和彈性特征，其以復(fù)數(shù)剪切模量（G*）、相位角（δ），及 G*/sinδ 為抗車轍因子（高溫勁度系數(shù)）作為評(píng)價(jià)瀝青抵抗永久變形及疲勞開(kāi)裂能力的表征。

余琦等在對(duì)AH-70 基質(zhì)瀝青進(jìn)行RTFOT 及PAV 試驗(yàn)老化中發(fā)現(xiàn)，在相同的DSR 測(cè)試溫度下不同老化時(shí)間的基質(zhì)瀝青隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)瀝青車轍因子增大；在不同老化時(shí)間瀝青試驗(yàn)組中發(fā)現(xiàn)車轍因子隨DSR 測(cè)試溫度升高而逐漸減??；且PAV老化后較RTFOT 老化后車轍因子增幅更為明顯，表明經(jīng)PAV 老化瀝青老化程度更高；同時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性，在對(duì)數(shù)據(jù)擬合分析后得出車轍因子 G*/sinδ 與 RTFOT 和 PAV 老化時(shí)間 T 及 DSR 試驗(yàn)溫度t 關(guān)系：

張陳等在對(duì)中石化昆侖AH-50，AH-70，AH-90 瀝青經(jīng) RTFOT 老化后在 50℃～100℃中每隔 3℃共17 個(gè)試驗(yàn)溫度下進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果表明3 種標(biāo)號(hào)瀝青車轍因子隨RTFOT 老化后增加，且隨著動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)溫度升高而增大，在相同的試驗(yàn)條件下，抗車轍因子AH-70 較AH-50 高，AH-90 較 AH-50 低。曾凡奇[19]在對(duì)殼牌 AH-70 和泰普克AH-90 瀝青室內(nèi)老化研究中發(fā)現(xiàn)，其他試驗(yàn)條件相同的情況下G*/sinδ 隨老化時(shí)間具有很好的線性遞增關(guān)系且G*/sinδ 差值越來(lái)越明顯；同時(shí)隨著剪切試驗(yàn)溫度的升高，G*/sinδ 呈指數(shù)遞減，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出G*/sinδ 與老化時(shí)間T 及試驗(yàn)溫度t 間的關(guān)系為：G*/sinδ=（AT+B）×eCt，其中基質(zhì)瀝青的 C值約為-0.130（RTFOT），-0.140（PAV）。孫世恒在對(duì)#50，#70，#90 基質(zhì)瀝青的研究中發(fā)現(xiàn)，在僅以RTFOT 老化時(shí)間為因變量時(shí)，動(dòng)態(tài)剪切模量G*隨老化時(shí)間增長(zhǎng)而增大，相位角減小，G*/sinδ 呈指數(shù)增大；僅以DSR 試驗(yàn)溫度為變量時(shí)，動(dòng)態(tài)剪切模量G*隨溫度升高而減小，相位角增大，G*/sinδ 減??；標(biāo)號(hào)不同的瀝青其動(dòng)態(tài)剪切模量G*在老化前后變化程度并不相同。

綜上所述，瀝青作為一種粘彈性材料，DSR 試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)ζ湔硰椥远棵枋?，隨著老化時(shí)間及試驗(yàn)溫度的升高，瀝青變脆，粘性增大，而彈性降低；在試驗(yàn)結(jié)果上表現(xiàn)為復(fù)數(shù)剪切模量及抗車轍因子升高、相位角降低且各試驗(yàn)數(shù)據(jù)與老化時(shí)間具有很好的相關(guān)性，在實(shí)際路用性能上表現(xiàn)為抗車轍能力提升，低溫開(kāi)裂性能下降。

3.3 低溫性能隨老化時(shí)間變化規(guī)律

SHRP 試驗(yàn)基于應(yīng)用梁的原理，開(kāi)發(fā)了彎曲梁流變儀（BBR），測(cè)量瀝青在極低溫下的勁度，其以蠕變勁度模量S 和m 值為評(píng)價(jià)瀝青低溫抗裂性的指標(biāo)。蠕變勁度是測(cè)量瀝青抵抗恒載的能力，m 值是測(cè)量加載后瀝青勁度變化的速率。

曾凡奇在對(duì)殼牌AH-70 和泰普克AH-90 瀝青老化后低溫性能的研究中發(fā)現(xiàn)，在RTFOT，PAV，RTFOT+PAV3 種老化方式中，瀝青在-18℃的BBR試驗(yàn)溫度下的彎曲勁度模量S 隨老化試驗(yàn)時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，蠕變速率m 隨之減小。藏芝樹(shù)等在對(duì)中海油AH-90 瀝青研究中發(fā)現(xiàn)，RTFOT+PAV 老化較RTFOT 老化后瀝青彎曲勁度模量S 提高20%，RTFOT 老化后瀝青較高溫?zé)o氧老化后瀝青提高41%,蠕變速率m 分別下降5%，7%，表明瀝青在短期老化中低溫性能下降較長(zhǎng)期老化下降明顯，應(yīng)控制拌合施工時(shí)溫度。張爭(zhēng)奇等[20]對(duì)4 組瀝青在經(jīng)RTFOT 短期老化和RTFOT+PAV 長(zhǎng)期老化的瀝青分別進(jìn)行了BBR 試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析得出老化前后瀝青低溫性能指標(biāo)彎曲勁度模量S 變化見(jiàn)表2。

表2 老化前后瀝青勁度模量S 變化表 %

由表2 分析可知，長(zhǎng)期老化引起的彎曲勁度模量S 增量要比短期老化的大，表明瀝青低溫勁度值的增長(zhǎng)主要在長(zhǎng)期老化階段。田小革等[21]對(duì)泰普克AH-70 瀝青進(jìn)行RTFOT+PAV 老化后進(jìn)行BBR 試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著試驗(yàn)溫度的升高同一老化時(shí)間的瀝青蠕變勁度S 降低,蠕變速率m 升高；同一測(cè)試溫度下不同老化時(shí)間的瀝青，老化時(shí)間越長(zhǎng)，瀝青蠕變勁度S 增大，蠕變速率m 降低，在-10℃～-15℃有一定的變異性。李海軍等[22]在對(duì)殼牌AH-70 和泰普克AH-90 瀝青BBR 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，同測(cè)試溫度下經(jīng)RTFOT+PAV 老化后的瀝青較只進(jìn)行RTFOT 的瀝青其蠕變勁度S 老化前后增幅更大，表明瀝青在長(zhǎng)期老化中低溫性能及抗疲勞性能下降更多。

綜上所述，隨RTFOT 和PAV 試驗(yàn)時(shí)間的增加，瀝青低溫抗裂性降低，表現(xiàn)為蠕變勁度S 增大，而蠕變速率m 在RTFOT 中隨時(shí)間降幅較大，在PAV中較小。因此表明瀝青在高溫有氧環(huán)境老化速率更快，在實(shí)際施工過(guò)程中應(yīng)注意拌合施工的時(shí)間和溫度控制；但從長(zhǎng)期路面性能來(lái)看，PAV 老化程度更深，蠕變勁度增幅更大，瀝青的低溫性能下降更多。

4 總結(jié)與展望

1）室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M瀝青老化與實(shí)際瀝青老化具有較好的相關(guān)性，當(dāng)前國(guó)內(nèi)有關(guān)瀝青室內(nèi)老化與工程實(shí)際老化建立模型關(guān)系的試驗(yàn)基礎(chǔ)來(lái)源于瀝青傳統(tǒng)三大指標(biāo)，而SHRP 流變?cè)囼?yàn)指標(biāo)與實(shí)際路面使用性能聯(lián)系更為緊密，因此在未來(lái)的研究中應(yīng)以瀝青的流變性能指標(biāo)建立模擬老化與實(shí)際老化的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2）經(jīng)室內(nèi)老化后的基質(zhì)瀝青，高溫力學(xué)性能隨老化時(shí)間增長(zhǎng)而增強(qiáng)，經(jīng)驗(yàn)指數(shù)模型能夠很好的描述瀝青的高溫力學(xué)性能與老化時(shí)間及試驗(yàn)溫度之間關(guān)系。由于我國(guó)瀝青的分級(jí)采用針入度等傳統(tǒng)指標(biāo)，但相同標(biāo)號(hào)的基質(zhì)瀝青其老化后流變性能指標(biāo)并不能表示出一致性，因此在未來(lái)研究中應(yīng)根據(jù)瀝青標(biāo)號(hào)、產(chǎn)地對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步探索普適性老化模型。

3）經(jīng)室內(nèi)老化后的基質(zhì)瀝青，低溫路用性能隨老化時(shí)間增長(zhǎng)而降低，且長(zhǎng)期老化對(duì)其影響較大；在同一試驗(yàn)溫度下，隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)，蠕變勁度S 增大，蠕變速率m 降低。由于缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)，及BBR 試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散型較大，對(duì)于構(gòu)建瀝青老化時(shí)間與低溫性能指標(biāo)間的量化關(guān)系仍需進(jìn)一步探索。