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沥青老化性能评价方法

2023-09-02 来源:易榕旅网
维普资讯 http://www.cqvip.com 第5卷 第1期 2005年3月 交通运输工程学报 Journal Of Traffic and Transportation Engineering Vo1.5 NO.1 Mar. 2005 文章编号:1671-1637(2005)01—0001-05 沥青老化性能评价方法 张争奇,梁晓莉,李 j (长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室 陕西西安710064) 摘 要:为了分析旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)评价沥青结合料整体老化性能的合理性,以及长期 老化与短期老化试验结果之间的关系,采用组分试验、常规指标以及Superpave指标对沥青经短期 老化试验(RTFoT)和长期老化试验(PAV)的样品进行了试验研究。结果表明长期老化后沥青样 品的组分变化规律与短期老化不一致,物理指标增减幅度不同,但如按指标评价沥青的抗老化特 性,两种不同老化方式的沥青优劣排序基本一致,这说明虽然短期老化不能全面反映沥青的抗老化 特性,但在目前情况下作为沥青的优选方法是可行的。 关键词:道路工程;沥青;老化试验方法;弯梁流变仪(BBR);动态剪切流变仪(DSR) 中图分类号:U414 文献标识码:A Evaluation method of asphalt aging properties ZHANG Zheng—qi,LIANG Xiao—li,LI Ping (Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education Chang’an University,Xi’an 710064,China) Abstract:In order tO analyze the reasonability of rolling thin film oven test(RTFOT)on asphalt aging and the relationship between short term aging and long term aging of asphalt,the constitu— ent analysis,normal tests and Superpave performance—based tests were conducted on several as— phalt specimens after RTFOT and pressure aging vessel(PAV).Test results indicate that the change rules of asphalt constituents in the two terms are different,while mechanical parameters values change with different magnitude,but if these asphalts are ranked according tO their aging properties,the order is basically unchanged.The results show that the short term aging test is a good alternative to evaluate and select right asphalt at present time,but it can not reflect the ag— ing properties of asphalt thoroughly.4 tabs,8 figs,10 refs. Key words:highway engineering;asphalt;aging test;bending beam rheometer(BBR):dynamic shear rheometer(DSR) Author resume:ZHANG Zheng—qi(1967一),male,PhD,associate professor,86—29—82334418. zzhengqi@263.net. 0 引 嗣 沥青的老化特性是一项非常重要的性质…,国 于难以模拟其长期老化 ,大多数国家采用RT— FOT进行老化评价,但该方法只是模拟了沥青在施 工阶段的短期老化 。那么短期老化与长期老化 的关系如何?短期老化性能好能否说明长期老化性 能也好?这对正确评价沥青真实的抗老化性能至关 内外学者对沥青老化的影响因素、老化机理以及老 化对沥青性能的影响均进行了大量的研究 ],由 收稿日期:2004—05—07 基金项目:国家自然科学基金项目(50478095) 作者简介:张争奇(1967一),男,陕西扶风人,长安大学副教授,博士,从事路面工程研究 维普资讯 http://www.cqvip.com 2 交通运输 工程学报 2005生 重要。本文采用美国SHRP推出的Superpave技 术,采用压力容器(PAV)模拟沥青的长期老化。为 了分析短期老化与长期老化性能之间的关系,选用 4种不同沥青进行短期老化与长期老化试验,以考 察沥青在不同阶段的老化规律。试验时先进行 RTFOT短期老化试验,然后进行PAV老化试验, 并分别测定2个老化阶段的组分变化和指标变化, 分析不同老化方式对沥青性质的影响及其关系。 1老化作用对沥青组分的影响 将原样沥青、经短期老化后的沥青以及经长期老 化后的沥青样品进行组分分析,试验结果见表1。 表1组分变化试验结果 Tab.1 Constituent chartging result after different aging test 沥青质 饱和分 芳香分 胶质 样名 含量/ 含量/ 含量/% 含量/ 原样 9.6 12.5 42.1 28.2 镇海 短期 l 3.3 l 3.3 36.3 33.2 长期 24.2 l 3.0 27.4 33.5 原样 5.4 22.7 31.3 30.9 兰炼 短期 9.4 23.3 31.5 26.O 长期 l1.3 2 5.5 23.7 29.8 原样 1.0 24.4 27.4 33.8 克拉 短期 1.5 22.5 28.3 36.3 长期 4.2 24.3 l9.5 29.7 原样 5.5 l9.4 33.8 32.5 盘锦 短期 7.8 22.2 32.2 31.1 长期 9.8 23.3 24.3 33.9 (1)不同沥青经老化后,不论是短期老化还是长 期老化,组分变化没有规律,除沥青质增加外,其余 组分变化情况有增有减,组分变化没有随着老化方 式表现出统一的增减规律。同时可以看出针入度较 大的沥青,老化过程中油分的减少量要比低针入度 的沥青显著,沥青质含量增加较大。 (2)若以原样沥青的含量为基准,短期老化后沥 青中的组分含量增减幅度变化见图1。可以看到经 过短期老化各组分中除沥青质含量增大外,其余组 分有增有减,表现出复杂性,说明不同沥青构成不 同,其抗老化特性是有较大差别。 (3)短期老化后的沥青样品经长期老化过程后 的组分变化见图2。可以看出:沥青质含量同样急 剧增加,并且增加幅度要比短期老化引起的增幅更 明显;另外芳香分含量表现出减少外,其余组分也是 有增有减,不同沥青组分含量的变化也有较大差异; 不同沥青经PAV老化后,并没有表现出与RTFOT 后组分相同的增减规律。 沥青质饱和分芳香分胶质 沥青质饱和分芳香分胶质 图1 短期老化组分变化 图2 长期老化组分变化 Fig.1 Constituent change Fig.2 Constituent change after short term aging after long term aging 如果按老化试验后组分含量的变化幅度排序, 则短期老化沥青排序为:盘锦、克拉、镇海、兰炼;在 PAV长期老化后的沥青排序为:盘锦、兰炼、镇海、 克拉,与短期老化后的排序不一致。 2老化过程对沥青物理指标变化的影响 随着沥青的老化,沥青的化学组成发生了很大 的变化,相应的,沥青的物理性能也会发生改变。不 同老化状态沥青样品的常规指标见表2。 表2常规试验结果 Tab.2 NormaI test results 镇海 克拉 兰炼 盘锦 试验项目 (AH一50) (AH一70) (AH 90) (AH 110) 25℃针入度/(0.1 ram) 58 71 82 113 针入度指数 一1.951 —0.58O 一1.332 —1.4 79 原 样 感温系数 0.054 5 0.043 70 0.049 2 0.050 4 延度(15℃)/cm >100 >100 55.4 >100 软化点 49.5 5O.5 48.7 41.4 针入度/(O.1 ram) 37 52 57 75 针入度指数 一1.035 一O.251 一o.294 0.897 旋转薄膜 感温系数 o047 o O.O41 5 o.o41 8 o.046 0 加热试验 针(163℃. 入度比/ 63.8 73.2 69.5 66.4 85rain ) 软化点/℃ 53.0 55.1 52.0 45.8 软化点差(与基质相比)/℃ 3.5 4.6 3,3 4.5 延度(15℃)/cm 23.3 S4.O 1 4.2 >1oo 针入度/(0.1 ram) 1 9 36 29 36 针入度比/ 32.8 50.7 35.4 31.9 RTFOT 针入度指数 3253 1.439 1.975 一O.1 99 残留物 感经PAV 温系数 0.025 3 O.O32 5 0.030 1 0.041 2 老化后 软化点/℃ 68.8 61.6 66.7 55.3 软化点差(与基质相比)/℃ 19.3 1】.1 18.0 13.9 延度(15℃)/cm 4.8 10.6 3.8 25.2 (1)无论是采用短期老化方式还是长期老化方式, 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 张争奇,等:沥青老化性能评价方法 3 沥青的软化点变化均明显增加,长期老化对沥青软化 点的影响更明显,见图3。与原样沥青相比,经过短期 老化后沥青的软化点增幅最大的是盘锦(10%左右), 而经过长期老化沥青的软化点最小增幅也在22 ,这 个结果与前文讨论的沥青组分变化相符合。沥青中的 沥青质属于大分子物质,大分子物质的增加必然引起 粘度提高,长期老化后的沥青组分中沥青质含量比短 期老化后的沥青质含量的增加要高2~6倍,所以沥青 老化前后的软化点变化幅度也相差甚大。 采用软化点排序:短期老化后软化点与原样沥青 样品的排序一致,为克拉-70、镇海-50、兰炼一90、盘锦一 110。经长期老化后,排序发生变化,为:镇海-50、兰 炼一90、克拉一70、盘锦一110。如用指标的变化幅度来排 序,短期老化后排序为盘锦一110、兰炼90、镇海-50、克 拉一70。长期老化后指标变化幅度排序变化为镇海一 50、克拉一70、盘锦一110、兰炼-90。仅从软化点来看,老 化方式对沥青的性能影响较大,采用短期老化来反映 沥青的整体老化性质会得出错误的结论。 (2)沥青的老化使沥青变得脆硬,沥青的柔性降 低,进而影响沥青路面的低温性能和疲劳耐久性,这 也是沥青老化特性之所以重要的原因。目前常规指 标中延度是评价沥青柔性的重要指标见图4。从延 度变化来看,经过老化,沥青的延度减小,短期老化 后不同沥青的延度残留值有很大区别,但经长期老 化后,不同沥青之间的区别在减小。 lOO g 80 6o 4O 篝2o O 图3软化点变化 图4延厦变化 Fig.3 Softening point change Fig.4 Ductility change 如用低温延度作为评价沥青低温抗裂性能的指 标,可以看出:经不同的老化过程后,标号较高的盘 锦AH-110的延度值最高,低温性能最好。 按照延度值大小排序为:盘锦AH一110、克拉 AH一70、镇海AH-50、兰炼AH一90;长期老化后延度 大小排序为:盘锦一110、克拉AH一70、镇海AH一50、 兰炼AH-90;沥青样品经长期老化后,沥青的低温 性能排序结果基本未变,这说明短期老化试验方法 反映沥青的老化特性有一定的合理性。但是2种不 同老化方式后,延度减小的幅度有较大不同,短期老 化后降幅最大的是镇海一50,降幅最小的是盘锦一 100;长期老化后降幅最大的是克拉一70,降幅最小的 为兰炼一90,这同样说明老化方式对沥青的性能影响 较大。 (3)25℃的针入度比(以原样沥青作为基准)的 变化趋势显示出经过短期老化后沥青的残留针入度 只占原来的60 ~70 ,但在长期老化后的沥青残 留针入度仅为原样沥青的30 左右,见图5。从残 留针入度来看,经长期老化后沥青的耐老化性能克 拉、兰炼、镇海、盘锦,与短期老化后克拉、兰炼、盘 锦、镇海的次序有差别,但比较接近。 针入度比常用作评价沥青老化性能的指标,如 用该指标评价克拉一70的抗老化特性最好,其他几 种沥青老化特性较为接近。 (4)根据15℃、25℃和30℃得到的针入度指数 PI值(表2),短期老化后则有克拉、兰炼、盘锦、镇海 与原样沥青PI值排序一致。在长期老化后发生较大 变化,为镇海一50、兰炼一90、克拉一70、盘锦一110,说明 短期老化过程对沥青的感温性影响不大,但长期老化 对感温性有较大的影响,见图6。需要说明的是老化 后PI指标的提高只说明沥青经老化后性质的变化程 度,并不表明沥青性质的改善,如用规范指标(一1,1) 来衡量,盘锦一110的温度稳定性最好。 lOO O.O55 90 0.050 80 丑7O 螽0.045 峨O040 60 本5O 40 O.O3O 30 O.O25 图5针人厦比变化 图6感温系数变化 Fig.5 Penetration ratio Fig.6 Temperature susceptibility change after aging index change after aging 老化对沥青的不利方面主要表现在对沥青的低 温性能和疲劳耐久性的影响上。老化后延度、针入 度比和PI值是反映这些性能的主要指标,综合分 析几种沥青在短期老化与长期老化后沥青的指标情 况,盘锦一110的抗老化性能最好,其次是克拉一70, 最差的是兰炼一90。 3非常规指标的评价 3.1老化对DSR试验指标的影响 借鉴SHRP指标来考察沥青性能由于老化而 引起的衰减。用动态剪切流变试验(DSR)来测试由 于沥青老化而使复数剪切模量G 和相位角 发生 的变化,并观察沥青粘弹性成分的变化。试验条件 为∞一10 rad/s和y一12 ,温度为52~82℃。试 维普资讯 http://www.cqvip.com 4 验结果见图7,图中B:G /sin3。 交通运输 _T-程 学报 2005盘 值增大,从2个老化阶段的劲度值增加幅度来看,短 裹4不同老化状态的BBR试验结果 Tab.4 BBR test results after aging 从上面3种沥青的试验结果可以看出:经过短 期老化和长期老化,沥青的相位角 变小,G 值增 大;G /sin8增大,即沥青的劲度模量中粘性成分减 状态 原样 兰炼 短期老化 长期老化 原样 劲度S/MPa 74.5 81.9 98.9 101.0 m值 O.447 0.402 0.369 O.5O3 小,而弹性成分增大,使得沥青的耐疲劳性能下降; 随着温度的提高,沥青的相位角 增加的幅度越明 显,相位角 出现减小的峰值温度也随着沥青的老 化而推移;G /sin3随温度上升而下降的趋势随着 老化的程度加大而越来越显著,并且短期老化比长 期老化的影响更为明显。 裹3不同老化状态的DSR试验结果 Tab.3 DSR test result after aging G。sin- /MPa 温度/℃ 盘锦 兰炼 镇海 52 6.89 5.29 6.66 58 2.98 2.15 2.O6 64 1.36 1.O3 O.91 原样 7O 0.65 O.52 O.51 76 O.19 0.28 O.21 82 O.1O 0.16 O.12 52 lO.36 13.73 l2.48 58 4.91 5.96 5.3O 64 2.07 2.67 2.12 短期 70 1.05 1.27 O.91 76 O.5O 0.63 0.42 82 0.29 0.34 O.21 52 19.92 59.31 13.14 58 6.51 28.26 5.12 64 2.58 12.25 2.04 长期 7O 1.11 6.24 O.88 76 0.52 2.99 0.41 82 O.23 1.44 0.21 G /sin3值大小反映了沥青的抗高温变形能 力,以G /sin3大小排序,为兰炼、盘锦、镇海。短期 老化与长期老化后的排序结果基本未发生变化。而 且兰炼在短期老化后与其他2种沥青的G /sin ̄差 别不大,但经长期老化后,其值又远比其他两种沥青 大。以G /sin8的增值评价沥青老化性能排序:短 期老化为盘锦、兰炼、镇海;长期老化为镇海、盘锦、 兰炼。 3.2老化对低温劲度模量S与 的影响 对于用弯曲粱流变仪测定沥青弯曲蠕变劲度的 试验结果见表4,劲度值越小,低温抗开裂能力越好。 随着沥青的老化,一12℃的低温弯曲蠕变劲度 盘锦 短期老化 98.0 0.493 长期老化 151.0 O.396 原样 173.0 0.374 镇海 短期老化 198.O O.343 长期老化 228.0 0.297 期老化前后从小到大排序为:镇海(3.5 )、克拉 (5.0 Ao)、兰炼(9.9 )、盘锦(11.4 9/6);长期老化 前后(从小到大排序)为:克拉(11.8 )、盘锦 (16.0 )、兰炼(20.8 )、镇海(27.4 )。可以看 出短期老化试验对沥青的影响不敏感,不同沥青 之间的劲度变化差别不大,而长期老化引起的增 值要比短期老化引起 的增值大,这说明长期 老化对沥青的性能有 非常大的影响,或者说 沥青低温劲度值的增 加主要发生在长期老 化阶段。如果长期老 化阶段的劲度值变化 较小,则可以认为该 沥青的抗老化能力较 好。其值变化较小的 沥青为克拉一7O与盘 锦一110,而兰炼一90与 镇海一50的劲度变化 较大,也就是说克拉一 7O与盘锦一1l0的低 温性能要好,而兰炼一 9O与镇海一50的低温 性能差。 如按低温劲度模 量S值的从小到大排 序为:克拉一7O、兰炼一 9O、盘锦一11O、镇海一 5O,从排序上看,长期 图7 DSR试验结果 老化劲度模量的排序 Fig.7 DSR test result 维普资讯 http://www.cqvip.com 第1期 张争奇,等:沥青老化性能评价方法 5 与短期老化后的排序是一致的,见图8。 250 0.6 0.5 200 0.4 曼 50 E 0.3哥 装l00 孺 0.2 50 0.1 0 0 原样 短期 长期 图8 BBR试验结果 Fig.8 BBR test镇兰克盘镇兰克盘 }{}{ 海炼拉锦海炼拉锦  resulm m m mt after agi ng m值表征蠕变劲度随时间变化的速率,m值越 大,说明对温度应力的消散能力越好,则希望老化对 m值的减小影响也越小越好。经过老化后,斜率值 m也表现出稍微的下降趋势。与劲度值相对应的, 可以看到经过短期老化各种沥青的m值均变小,其 下降幅度最大的是兰炼(8.4 ),最小的为盘锦 (4.6 )。经过长期老化后,各沥青的m值为镇海 变化幅度最大(14.6%),盘锦最小(8.4 )。在不同 老化方式后,变化幅度不同,但如按其绝对值排序,2 种不同老化方式后排序是一致的,见图8。 可以从上面得出结论:沥青经过短期老化和长 期老化后其物理性能发生了很大的变化,表现为针 入度减小,软化点提高,感温性能下降,低温延度变 小,沥青的复数模量增大,低温弯曲蠕变劲度值增 大,并且长期老化要比短期老化的大很多。 4 结 语 (1)从沥青在不同老化方式下的指标的变化程 度来看,长期老化后指标的变化幅度比短期老化的 要大,说明长期老化对沥青的性能影响较大。 (2)不同老化方式后沥青组分变化无规律,短期 老化和长期老化阶段所发生的反应是不同的。 (3)长期老化后各指标的排序结果与短期老化 的排序结果基本相同,短期老化试验对沥青长期老 化特性有一定的反映。也说明在目前情况下,基于 短期老化后指标对沥青的排序优选基本上是可行 的,但前提条件是沥青的短期老化指标或性能差别 较大。 (4)不同沥青的短期老化试验试验指标有较大 差异,而长期老化试验指标较接近。如从指标的变 化幅度来看,长期老化后与短期老化后的排序结果 是不同的,说明不同沥青对老化状态的敏感性是不 同的。以此分析,在短期老化性能相近的情况下,判 断沥青的长期老化性能有一定的风险。 (5)由于沥青的抗老化特性是由多方面因素决 定的,其中标号也是重要影响因素,在本次试验比较 中,为了使试验结果有代表性,选用了4种不同标号 的沥青,本文结论对同一标号的沥青是否适用还有 待进一步研究。 参考文献: References: [1] 张登良.沥青与沥青混合料[M].北京:人民交通出版社, 2001. 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