瀝青指紋識(shí)別系統(tǒng)評(píng)價(jià)瀝青路面老化機(jī)理研究

馬 輝,楊曉強(qiáng),季天劍

（1.江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210000; 2.成都路泰高科工程技術(shù)研究院,四川 成都 611332;3.四川科路泰交通科技有限公司,四川 成都 610404; 4.南京航空航天大學(xué),江蘇 南京 210016）

0 引言

瀝青指紋識(shí)別分子鏈基礎(chǔ)上研究了路面發(fā)生老化的微觀。常規(guī)的分析瀝青老化是采用三氯乙烯溶解測(cè)試針入度指標(biāo)表征。從三氯乙烯分析法表明路面隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間老化加劇。從瀝青層位分子鏈角度分析瀝青發(fā)生了基于表面的輕微老化的重大發(fā)現(xiàn)。

1 背景

瀝青混凝土在使用過程中受到溫度、濕度、紫外線和行車荷載等多種因素的影響，研究難度大，在本項(xiàng)目只能對(duì)這些綜合的因素所造成的瀝青分子遷移和揮發(fā)進(jìn)行探索性研究。該項(xiàng)目主要探索道路不同層位的瀝青顆粒瀝青進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)分布來判定瀝青老化遷移的規(guī)律，同時(shí)分析瀝青常規(guī)指標(biāo)的變化規(guī)律，判定瀝青路面瀝青老化程度[1]。

成都路泰高科工程技術(shù)研究院旗下瀝青及混合料指紋鑒定中心對(duì)瀝青分子分級(jí)，定義瀝青分子量基礎(chǔ)第1段小于700為“飽和分”，瀝青分子量基礎(chǔ)第2段700～2 000分子量為“芳香分”，瀝青分子量基礎(chǔ)第3段2 000～6 000分子量為“膠質(zhì)”，瀝青分子量基礎(chǔ)第4段6 000～8 000分子量為“瀝青質(zhì)”，瀝青分子量改性第1段8 000～50 000，瀝青分子量改性第 2 段 50 000～10 000，瀝青分子量改性第3段100 000～150 000，瀝青分子量改性第4段 150 000～200 000，瀝青分子量改性第 5 段大于 200 000。

2019年1月21 日至2019年1月23日完成江蘇高速公路的取芯工作。對(duì)江蘇高速公路運(yùn)營(yíng)2年、4年、7年和14年道路取芯，上面層的芯樣頂面取5～10 mm混合料顆粒，上面層的芯樣的總厚度的50%位置取5～10 mm混合料顆粒，上面層的芯樣底部取5～10 mm混合料顆粒（避免底部被乳化瀝青黏層污染）。中面層的芯樣頂面取5～10 mm混合料顆粒（避免底部被乳化瀝青黏層污染），中面層芯樣的總厚度的50%位置取5～10 mm混合料顆粒，在中面層的芯樣底部取5～10 mm混合料顆粒（避免底部被乳化瀝青黏層污染）。下面層的芯樣頂面取5～10 mm混合料顆粒（避免底部被乳化瀝青黏層污染），下面層芯樣的總厚度的50%位置取5～10 mm混合料顆粒，下面層的芯樣底部取5～10 mm混合料顆粒（避免底部被封層污染）。兩層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只取上面層和下面層、三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的取下面層、中面層、上面層。瀝青混合料樣品處理采用四川科路泰交通科技有限公司研發(fā)的瀝青混合料瀝青分離裝置。

2 道路運(yùn)營(yíng)過程瀝青老化遷移規(guī)律

2.1 道路取樣

2019年1月21 至23日，項(xiàng)目組對(duì)江蘇典型的運(yùn)營(yíng)高速道路進(jìn)行了取芯。如表1所示。

表1 江蘇高速公路取芯匯總

2.2 取芯處理

江蘇高速公路芯樣瀝青老化測(cè)試，如圖1，遵循挖取各層的顆粒大小5～10 mm顆粒的原則。挖取位置如下：

圖1 江蘇高速芯樣顆粒取樣位置圖

（1）挖取芯樣表面被車行駛污染的表面顆粒1顆，挖取上面層上部未被車輛接觸的顆粒1顆，顆粒自上往下最深位置12 mm左右。

（2）挖取上面層下部顆粒1顆，顆粒位于上面層底部，不被黏層乳化瀝青污染為度。

（3）挖取中面層上部顆粒1顆，避免中面層乳化瀝青污染。

（4）挖取中面層下部顆粒1顆，避免下面層乳化瀝青污染。

（5）挖取下面層上部顆粒1顆，避免下面層乳化瀝青污染。

（6）挖取下面層下部顆粒1顆，避免封層瀝青污染。

2.3 宿揚(yáng)高速公路運(yùn)營(yíng)2年路面瀝青老化芯樣瀝青分析

從兩年測(cè)試分子鏈標(biāo)明，運(yùn)營(yíng)2年左右的瀝青路面的瀝青未發(fā)生老化引起的瀝青分子遷移現(xiàn)象。如表2所檢測(cè)數(shù)據(jù)。

表2 江蘇高速取芯樣K276+100瀝青分子遷移測(cè)試匯總

2.4 建阜高速公路運(yùn)營(yíng)4年路面瀝青老化芯樣瀝青分析

運(yùn)營(yíng)4年左右路表顆粒測(cè)試的基質(zhì)瀝青分子轉(zhuǎn)移明顯，部分“飽和分和芳香分”老化后分子遷移到“膠質(zhì)”區(qū)間。SBS改性劑也存在高分子往低分子遷移的現(xiàn)象。分析認(rèn)為，路表溫度對(duì)瀝青中的油分的揮發(fā)有直接的關(guān)系。路表顆?；|(zhì)瀝青700以下分子量往700～2 000區(qū)間遷移，SBS改性劑的高分子量往9 000～5萬分子量遷移。主要原因是路面溫度及紫外線等作用改性劑高分子裂解遷移。通過路面混合料中瀝青的分子量遷移現(xiàn)象，論證了高分子材料一定周期會(huì)出現(xiàn)分子裂解現(xiàn)象。表面層上部未污染的顆粒與上面層下部的瀝青中小于2 000分子量的油分流失，說明部分油分揮發(fā)導(dǎo)致料這部分分子量流失，路表上部（不直接與路表接觸）的混合料顆粒在小于2 000分子流失與表面層相比較明顯減弱。說明瀝青分子遷移與混合料的深度有關(guān)聯(lián)。下面層普通瀝青的上部與下部瀝青分子處于穩(wěn)定狀況，未出現(xiàn)瀝青分子遷移現(xiàn)象。如表3所檢測(cè)數(shù)據(jù)。

表3 江蘇高速取芯樣K40+000瀝青分子遷移測(cè)試匯總

2.5 宿新高速公路運(yùn)營(yíng)7年路面瀝青老化芯樣瀝青分析

運(yùn)營(yíng)7年左右上面層上部出現(xiàn)基質(zhì)瀝青低分子量揮發(fā)與遷移到700～6 000分子區(qū)。SBS改性劑的高分子量往2～5萬分子量遷移至9 000～2萬分子區(qū)間。主要原因是路面溫度及紫外線等長(zhǎng)時(shí)間作用下，SBS改性劑高分子緩慢出現(xiàn)了裂解遷移。4年的瀝青混合料上面層上部未發(fā)現(xiàn)分子遷移，路面運(yùn)營(yíng)到7年發(fā)現(xiàn)上面層上部基質(zhì)瀝青與SBS改性劑開始出現(xiàn)分子遷移。上面層中部以下部分的瀝青分子處于穩(wěn)定狀況，未出現(xiàn)瀝青分子遷移現(xiàn)象。如表4所檢測(cè)數(shù)據(jù)。

表4 江蘇高速取芯樣K64+900瀝青分子遷移測(cè)試匯總

2.6 淮徐高速公路運(yùn)營(yíng)14年路面瀝青老化芯樣瀝青分析

運(yùn)營(yíng)14年左右上面層(上部、中部、下部）和中面層(上部、中部）出現(xiàn)基質(zhì)瀝青低分子量遷移到2 000～6 000分子區(qū)。上面層上部和中面層中上層存在小于700分子揮發(fā)，伴隨小于700分子向700～2 000分子區(qū)遷移。6 000～9 000 分子裂解向 2 000～6 000 分子遷移。上面層不同位置存在SBS改性劑的高分子裂解現(xiàn)象。上面層中部以下的基質(zhì)瀝青分子處于穩(wěn)定狀況，未出現(xiàn)瀝青分子遷移現(xiàn)象。如表5所檢測(cè)數(shù)據(jù)。

表5 江蘇高速取芯樣K216+750瀝青分子遷移測(cè)試匯總

3 結(jié)論

初步結(jié)論，瀝青路面中瀝青存在運(yùn)營(yíng)周期伴隨上面層基質(zhì)瀝青部分的揮發(fā)和老化分子遷移現(xiàn)象。瀝青混合料在運(yùn)營(yíng)過程中承受荷載和溫度的累計(jì)作用，在空氣、溫度和瀝青油分揮發(fā)的通道來看，該項(xiàng)目通過路面分子鏈測(cè)試的方法認(rèn)為，瀝青路面4年以內(nèi)的瀝青老化只限路表10 mm左右的位置，其他的深度老化明顯比較弱。瀝青路面運(yùn)營(yíng)周期達(dá)到7年以上，瀝青老化遷移仍然緩慢。14年路面運(yùn)營(yíng)后的瀝青分子鏈測(cè)試的數(shù)據(jù)表明，中面層中部以下的基質(zhì)瀝青以及高分子改性劑老化很緩慢，可以認(rèn)為沒有明顯老化。