老化对温拌沥青流变性能的影响研究
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作者:张树芬
摘要：为探究老化对温拌沥青流变性能的影响，文章在制备温拌沥青的基础上利用RTFOT及PAV试验分别模拟温拌沥青的短期老化及长期老化作用，并对试样分别进行布氏旋转黏度试验、动态剪切流变试验以及弯曲梁流变试验，通过相关流变性能指标变化分析老化对温拌沥青性能的影响。研究结果显示：老化会促使温拌沥青的黏度和高温稳定性有所增强，但同时会削弱其低温抗裂性能；就作用程度而言，短期老化对黏度及高温稳定性的作用更为显著，而长期老化对低温抗裂性能的削弱更为严重。
关键词：温拌沥青；老化；流变性能
中图分类号：U416.03-A-16-047-2
0 引言
聚焦“碳达峰、碳中和”发展目标，实现行业绿色低碳循环发展已成为当前交通基础建设行业的主要发展战略。温拌沥青由于在降低施工温度、减少能耗、保护环境以及减少碳排放等方面具备显著优势，在当前行业发展背景下，必将替代热拌沥青，成为促进高速公路沥青路面实现绿色建设的重要工艺［1］。
虽然目前对温拌沥青的认可度较高，但受制于成本控制因素，温拌沥青及其混合料的应用规模仍未达到预期，相关研究主要聚焦在温拌剂种类对沥青的改性效果、温拌沥青路用性能等方面［2-4］，而对于温拌沥青在施工过程中的短期老化以及后期应用过程中的长期老化的影响研究较少，而这正是保障温拌沥青及其混合料应用质量的关键环节。本文通过室内试验分别模拟短期老化及长期老化作用，通过对温拌沥青试样进行流变性能试验，分析老化对其性能的影响，为后续温拌沥青及其混合料的推广应用提供参考。
1 试验原材料及试验方法
1.1 试验原材料
采用中国石化镇海炼化生产的70#沥青作为基质沥青，选用有机降粘型温拌剂sasobit。相关材料性能指标如表1～2所示。
1.2 温拌沥青试样的制备
基于熔融搅拌与研磨的工艺进行温拌沥青的室内制备，基质沥青与温拌剂的质量比为100∶3。温拌沥青的短期老化及长期老化模拟采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中RTFOT及PAV试验。温拌沥青试样及老化试样的具体制备流程如图1所示。
1.3 试验方案
对制备好的原样温拌沥青、短期老化及长期老化后的温拌沥青分别进行流变性能试验，试验包括布氏旋转黏度试验、动态剪切流变试验以及低温弯曲梁流变试验。具体试验步骤及参数采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中相关规定。
2 试验结果分析
2.1 布氏旋转黏度
黏度作为一种流变指标，是对限定温度条件下材料流动性能的反映。通过对原样温拌沥青、短期老化及长期老化后的温拌沥青进行135 ℃下的布氏旋转黏度试验以评价其施工性能变化，具体结果如图2所示。
为保证沥青具备良好施工性能，规范规定沥青在135 ℃条件下布氏旋转黏度上限值为3.0 Pa・s。由图2可知，原样沥青的布氏旋转黏度仅为0.4 Pa・s，远小于规范上限值，这说明温拌沥青具备良好的施工和易性。温拌沥青的布氏旋转黏度会随着老化程度而增加，与原样温拌沥青相比，短期老化后温拌沥青黏度增加了76%，而温拌沥青经过长期老化后的黏度较短期老化增加了15%。虽然长期老化导致黏度增加幅度最大，但长期老化是模拟温拌沥青经过5～7年使用后的性能，而短期老化则是模拟从沥青混合料生产及摊铺施工这一较短过程，从时间维度考虑，短期老化对温拌沥青黏度影响最为显著。
2.2 车辙因子G*/sinδ
车辙因子G*/sinδ是通过动态剪切流变试验测定，可对沥青材料抗车辙性能进行直接评价的流变学指标。本文通过对原样及老化前后的三种沥青进行52 ℃～82 ℃温度扫描，并将车辙因子G*/sinδ取半对数与温度建立曲线关系，试验结果如图3所示。
由图3可知，各种温拌沥青车辙因子的变化趋势保持一致，在温度持续升高的情况下车辙因子不断减小，这说明老化作用并没有造成沥青材料的粘弹特性发生改变，高温条件导致沥青趋于黏性，在外力作用下将发生不可恢复变形，最终在宏观上体现为沥青抗车辙能力的丧失。就单一温度条件下而言，原样温拌沥青的车辙因子最低，而温拌沥青经过短期老化后促使车辙因子显著增大，长期老化后的温拌沥青车辙因子虽然略微高于短期老化温拌沥青，但两者的曲线值较为接近。这说明短期老化会显著增强温拌沥青的抗车辙性能，而长期老化增强效果较小。为对其进行定量评价，分别对曲线进行线性拟合，参考《高性能沥青路面（superpave）施工规范》（DB52/T 1599-2021）中对原样沥青及老化后车辙因子最小值1.0 kPa及2.2 kPa推算各类沥青的高温失效温度。具体结果如表3所示。
由表3可知，三种温拌沥青的线性拟合公式相关系数均较高，其中原样沥青的失效温度为66.1 ℃，而经过短期老化及长期老化后的温拌沥青，其高温失效温度增加幅度分别为4.4 ℃和5.8 ℃，这说明老化显著提升了温拌沥青的高温稳定性。这主要是因为老化作用造成沥青内部各组分比例发生变化，轻质组分变少而重质M分比例增加，导致沥青稠度及硬度的提高，最终体现在沥青经过老化后高温失效温度的变化。考虑到老化时间影响，短期老化对温拌沥青抗车辙性能的增强效果更为显著。
2.3 蠕变劲度模量S和蠕变速率m变化
弯曲梁流变仪主要是通过测定沥青材料在低温条件下的蠕变劲度模量S以及蠕变速率m来评价材料的低温抗裂性能。本文选取-18 ℃作为低温试验温度，分别对原样温拌沥青、短期老化及长期老化后温拌沥青进行低温弯曲梁流变试验。试验结果如图4所示。
如图4所示，温拌沥青的蠕变劲度S会随着老化程度的加深而逐渐增大，而蠕变速率m则会逐渐减小。蠕变劲度S的增大说明沥青材料特性趋于脆性而更容易发生破坏，蠕变速率m减小则说明材料的应力松弛性能逐步丧失，更容易发生永久性破坏，两者指标均反映出老化作用会削弱沥青的低温抗裂性能。蠕变劲度S和蠕变速率m的变化虽然可以反映沥青材料低温抗裂性能的变化趋势，但缺乏定量对比描述。参考相关研究方法采用蠕变劲度S的蠕变速率m的比值S/m对低温抗裂性能变化进行定量描述，S/m值越大说明沥青材料低温抗裂性能越差［5］。由图4中的数据计算出原样温拌沥青的S/m值为759，而经过短期老化及长期老化后温拌沥青的S/m值分别增加了12.7%和47.2%，由此可见，长期老化对温拌沥青低温抗裂性能的损伤是短期老化的3.7倍，这说明与短期老化相比，长期老化会对温拌沥青低温抗裂性能造成更为严重的破坏。
3 结语
（1）老化使得温拌沥青的135 ℃布氏旋转黏度及车辙因子G*/sinδ增加，这说明温拌沥青的施工性能及高温稳定性均有所提升，而短期老化在老化过程中的增强效果更为显著。
（2）老化程度的加深会导致温拌沥青的蠕变劲度S增大，蠕变速率m减小，最终体现在对温拌沥青低温抗裂性能的削弱。长期老化对温拌沥青低温抗裂性能的削弱比短期老化更为严重。
（3）综合老化对温拌沥青流变性能的指标影响，在后续温拌沥青的施工应用过程中需要强化对低温抗裂性能指标的质量控制。
参考文献
［1］唐 旭.温拌沥青及沥青混合料应用技术研究［D］.大连：大连理工大学，2018.
［2］吴新锋.Sasobit温拌改性沥青流变性能研究［J］.公路交通科技（应用技术版），2017，13（11）：90-92.
［3］袁飞云，徐加秋，阳恩慧.温拌剂种类及掺量对沥青性能的影响研究［J］.中外公路，2018，38（5）：173-177.
［4］杨侣珍.温拌剂Sasobit对SBR改性沥青短期老化后性能的影响［J］.中外公路，2020，40（2）：285-289.
［5］徐加秋，阳恩慧，王世法，等.Sasobit温拌沥青的低温性能评价指标研究［J］.公路交通科技，2020，37（2）：8-14.
作者简介：
张树芬（1983―），工程师，主要从事高速公路养护管理工作。
nlc202211211024
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