老化瀝青物理力學(xué)性能與化學(xué)組分變化預(yù)估研究綜述

1、 老化瀝青物理力學(xué)性能與化學(xué)組分變化預(yù)估研究綜述 李強(qiáng)熊智翔【Summary】本文按建立老化瀝青預(yù)估方程理論基礎(chǔ)的不同分三類來(lái)綜述。對(duì)各預(yù)估方程使用的老化方式和瀝青品種進(jìn)行整理并分析。根據(jù)老化瀝青預(yù)估方程可以快速準(zhǔn)確地選擇路用瀝青并在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)對(duì)瀝青路面進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。此外，在已有研究的基礎(chǔ)上提出三個(gè)研究方向?！綤eys】瀝青；熱氧老化；紫外老化；預(yù)估方程TE626.86 ： A ： 2095-2457（2018）15-0089-003DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2018.15.041瀝青從一生成就會(huì)老化，在有氧環(huán)境下，瀝青常發(fā)生熱老化和光老化。對(duì)于熱氧老化，國(guó)

2、內(nèi)外的學(xué)者包括Lu Xiaohu1，Mill2，金鳴林3等通過(guò)研究指出瀝青經(jīng)有氧老化作用生成類似羰基和亞礬官能團(tuán)等化學(xué)原子團(tuán)。Van4等通過(guò)研究指出瀝青熱氧老化溫度的不同其老化機(jī)理也有差異，當(dāng)老化溫度不高于100時(shí)氧化反應(yīng)占主導(dǎo)位置，合成含有氧的化合物；但是老化溫度超過(guò)100時(shí)，將脫氫生成H20和CO2。已有的光氧老化研究5-10表明雖然瀝青在有氧條件下光老化和熱老化生成的相應(yīng)原子團(tuán)占比都將上升，但光老化更能改變?yōu)r青的流變性能。瀝青物理力學(xué)等性能的變化就是瀝青老化發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。這種變化對(duì)路面的使用性能將會(huì)造成不容忽視的影響，如何適時(shí)的對(duì)路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)可以通過(guò)研究道路工程用瀝青老化過(guò)程中的性

3、能變化來(lái)指導(dǎo)。從已有的老化瀝青性能預(yù)估研究來(lái)看，根據(jù)理論基礎(chǔ)的不同可分為三類。1 基于阿倫尼烏斯（Arrhenius）公式的預(yù)估Arrhenius基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出化學(xué)反應(yīng)速率公式11：k=Ae-Ea/RT（1）式中：k為反應(yīng)速率；A為指前因子或頻率因子；R為摩爾氣體常量；T為熱力學(xué)溫度；Ea為表觀活化能。文獻(xiàn)12通過(guò)研究證實(shí)隨著瀝青老化的進(jìn)行，羰基的占比將持續(xù)上升，因此建議用瀝青中羰基的占比來(lái)衡量瀝青熱氧老化程度。Jin等13將基質(zhì)瀝青和改性瀝青（共15種）在溫度低于100下選取四個(gè)溫度進(jìn)行不同時(shí)間長(zhǎng)度的老化，然后測(cè)試?yán)匣鬄r青的羰基占比，建立瀝青有氧老化反應(yīng)羰基占比預(yù)估模型，模型表達(dá)式如

4、式（2）。該瀝青羰基占比的預(yù)估模型是建立在Arrhenius公式的基礎(chǔ)上，將老化反應(yīng)分為快反和慢反，能更接近實(shí)際并精確地預(yù)測(cè)老化瀝青羰基含量的變化。CCA=CCA，tank+M（1-e-kft）+Kct（2）式中：CCA為老化瀝青中羰基的占比；CCA，tank為未老化瀝青中羰基的占比；M為瀝青中羰基占比變化值；t為老化時(shí)間；Kf和Kc分別為劇烈老化下反應(yīng)速率和常速老化下反應(yīng)速率。該文獻(xiàn)是通過(guò)PG分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)瀝青分類，結(jié)果表明兩種反應(yīng)速率與瀝青的等級(jí)并無(wú)明顯關(guān)聯(lián)；不同廠家生產(chǎn)的同等級(jí)瀝青老化速率也有較大差異。文獻(xiàn)14等發(fā)現(xiàn)特定動(dòng)力學(xué)方程可以用來(lái)描述瀝青的老化速率，用正戊烷瀝青質(zhì)占比評(píng)價(jià)老化。通過(guò)對(duì)

5、AH-70和AH-90路用瀝青在150、163和180三個(gè)溫度，分別老化0h、5h、10h、15h、20h、25h、30h，將老化過(guò)程中瀝青質(zhì)的占比視為變量x（未老化時(shí)x=x*），基于瀝青中正庚烷瀝青質(zhì)的占比建立預(yù)估方程：In（1-x）=In（1-x*）-Ae-Ea/RTt（3）隨著基質(zhì)瀝青等級(jí)提高，A和Ea逐漸降低并且不同瀝青對(duì)應(yīng)的值相差較大，但老化反應(yīng)速率k（式1）逐漸增大。文獻(xiàn)15提出以瀝青PG上限溫度值TPG為指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)老化，研究一種基質(zhì)瀝青和兩種改性瀝青在溫度不超過(guò)100的熱氧老化條件下TPG的變化規(guī)律，通過(guò)對(duì)3種瀝青進(jìn)行4種溫度下不同時(shí)間段的老化處理，建立基于指標(biāo)TPG的瀝青熱氧老

6、化預(yù)估方程。式中：M=PG0-TPG，tank，與壓強(qiáng)和瀝青品種有關(guān)且與老化溫度無(wú)關(guān)；TPG，tank為未老化瀝青PG上限溫度值，PG0是常速老化下化學(xué)反應(yīng)直線的截距；Af指劇烈老化下的頻率因子；Ac指常速老化下的頻率因子；Eaf為劇烈老化下化學(xué)反應(yīng)活化能；Eac常速老化下化學(xué)反應(yīng)的活化能。研究結(jié)果表明不同瀝青其參數(shù)有較大的差異，參數(shù)Af、Ac、Eaf和Eac 隨著瀝青PG等級(jí)的提高逐漸降低?；诎惸釣跛构降念A(yù)估方程可以很好的用來(lái)預(yù)測(cè)老化瀝青的羰基含量、正庚烷瀝青質(zhì)含量和TPG，各預(yù)估方程都至少選用兩種瀝青來(lái)驗(yàn)證模型的普遍適用性，對(duì)于具體的文獻(xiàn)其老化溫度都選擇在瀝青老化溫度界限（100）的

7、一側(cè)，進(jìn)一步的研究可驗(yàn)證老化溫度界限兩側(cè)是否能用同一模型方程表達(dá)。上述模型都是建立在熱氧老化基礎(chǔ)上，這主要是由于阿倫尼烏斯公式的兩個(gè)自變量為溫度和摩爾氣體常量。所以暫時(shí)并沒(méi)有應(yīng)用到紫外老化預(yù)測(cè)中。2 基于線性或乘冪函數(shù)的預(yù)估由于規(guī)范中瀝青的老化試驗(yàn)不能完全體現(xiàn)其在使用過(guò)程中的變化16，研究者通過(guò)延長(zhǎng)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)時(shí)間并設(shè)定多個(gè)力學(xué)指標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)結(jié)合數(shù)學(xué)基本函數(shù)建立用來(lái)描述瀝青性能變化趨勢(shì)的方程。文獻(xiàn)17利用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱對(duì)70號(hào)，90號(hào)基質(zhì)瀝青及對(duì)應(yīng)的改性瀝青分別進(jìn)行30min、60min和90min的老化，測(cè)試瀝青試件135旋轉(zhuǎn)粘度等指標(biāo)。建立老化瀝青粘度預(yù)估方程：上述基于線性或乘冪函數(shù)的老化瀝

8、青性能預(yù)估方程表明對(duì)于不同種類的瀝青只是模型參數(shù)值不同，該類模型方程對(duì)各種瀝青有普遍的適應(yīng)性且其參數(shù)計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單。就這類預(yù)估方程所考慮的老化方式而言，老化溫度比較單一，可增加不同溫度的老化。在這類模型中沒(méi)有紫外老化下的預(yù)測(cè)，此類模型是否對(duì)紫外老化適用仍需要進(jìn)一步研究。3 基于瀝青老化初始速率最大且最終趨于0的預(yù)估此類非線性預(yù)估方程的建立是基于老化時(shí)間t=0時(shí)有最大的瞬時(shí)老化速率，隨著老化的進(jìn)行最終老化速率將接近于0，即假設(shè)老化速率與時(shí)間的關(guān)系符合20：文獻(xiàn)21通過(guò)對(duì)克拉瑪依90#瀝青進(jìn)行RTFOT試驗(yàn)，首次運(yùn)用模型10來(lái)預(yù)估163熱氧老化下瀝青三大指標(biāo)以及60粘度的變化。文獻(xiàn)22根據(jù)5種基質(zhì)瀝

9、青不同時(shí)間RTFOT、60烘箱老化試驗(yàn)結(jié)果和野外自然老化回收瀝青所測(cè)粘度，對(duì)于RTFOT老化方式下不同種類的瀝青其參數(shù)A、B有差異，其中參數(shù)A從5.11-5.71變化，參數(shù)B從0.0035/min-0.0062/min變化；60下老化較慢，參數(shù)A降至1.2-1.3，參數(shù)B在0.155/d-0.205/d范圍內(nèi)變化；此外對(duì)于野外老化參數(shù)A=5.4176，B=0.2939/a，出于野外老化條件下A值在室內(nèi)RTFOT老化參數(shù)A取值范圍內(nèi)，栗培龍?zhí)岢隹捎肦TFOT老化來(lái)模擬野外長(zhǎng)期老化。該文獻(xiàn)的預(yù)估方程不僅囊括了多種瀝青和不同溫度的老化，還結(jié)合了工程實(shí)際下的老化，在一定程度上將室內(nèi)與室外的老化聯(lián)系起來(lái)

10、，注意到預(yù)估方程表示的是瀝青粘度這一個(gè)指標(biāo)在老化過(guò)程中的變化，進(jìn)一步可研究其余指標(biāo)RTFOT老化與野外老化的相關(guān)程度。文獻(xiàn)23選取常見(jiàn)的四種瀝青（70#、90#、成品改性和自制改性瀝青），通過(guò)RTFOT老化在文獻(xiàn)21的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展研究，基于三大指標(biāo)和135布氏黏度建立老化瀝青預(yù)估方程。不同瀝青的預(yù)估方程參數(shù)A相差不大，A針入度在0.37-0.55范圍內(nèi)變化，A軟化點(diǎn)在1.3-1.4范圍內(nèi)變化，A延度在0.02-0.04范圍內(nèi)變化；參數(shù)B表示老化過(guò)程性能的變化快慢，成品改性瀝青延度指標(biāo)在老化過(guò)程中變化較其他三種瀝青快，70#基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)、135布氏黏度和針入度增長(zhǎng)速度最快而其余瀝青增長(zhǎng)速度相

11、差無(wú)幾。文獻(xiàn)24-25通過(guò)向SK90#基質(zhì)瀝青中添加 TPS制得高粘改性瀝青，進(jìn)行163不同時(shí)間的老化，解決了高粘瀝青熱氧老化過(guò)程中三大指標(biāo)和粘度動(dòng)態(tài)描述方面的不足等問(wèn)題。分析得到基質(zhì)瀝青和高粘瀝青對(duì)于不同指標(biāo)其模型參數(shù)A的大小順序并不固定，高粘瀝青的軟化點(diǎn)、針入度在老化過(guò)程中的增長(zhǎng)或衰減速率B要大于基質(zhì)瀝青，而延度衰減速率B基本持平，粘度增長(zhǎng)速率B相對(duì)基質(zhì)瀝青要低好幾倍。上述老化研究都通過(guò)延時(shí)RTFOT并設(shè)定老化過(guò)程性能檢測(cè)點(diǎn)來(lái)建立老化預(yù)估方程，研究的瀝青種類豐富。但老化溫度基本為163，溫度對(duì)參數(shù)的影不明確。在光氧老化研究中，為了把室內(nèi)老化與野外紫外老化聯(lián)系起來(lái)，所以室內(nèi)紫外老化時(shí)間的確定

12、常通過(guò)等量原則來(lái)完成的，即保證室內(nèi)外紫外輻射量相同。文獻(xiàn)26對(duì)90#A級(jí)瀝青進(jìn)行不同時(shí)間的紫外老化，首次建立紫外老化瀝青針入度、延度和60粘度預(yù)估方程。文獻(xiàn)27出于橡膠瀝青在紫外老化后性能預(yù)估的不足，對(duì)實(shí)驗(yàn)室自制橡膠瀝青進(jìn)行不同時(shí)間的紫外老化，首次建立老化瀝青不同溫度下動(dòng)力學(xué)參數(shù)G*/sin的預(yù)估模型，模型表達(dá)式見(jiàn)式（11），通過(guò)指標(biāo)G*/sin動(dòng)態(tài)形象地描述老化過(guò)程中瀝青流變性能的變化。文獻(xiàn)26和27都是研究紫外老化下瀝青性能的變化規(guī)律，都與野外實(shí)際紫外輻射量關(guān)聯(lián)。由于預(yù)估方程只描述了一種瀝青，拓展研究可通過(guò)不同種類的瀝青老化來(lái)具體化不同瀝青模型參數(shù)值的差異。4 結(jié)語(yǔ)文章根據(jù)建立預(yù)估方程理論

13、基礎(chǔ)或前提的不同，分三類綜述已有的老化瀝青預(yù)估模型，并對(duì)建立模型所用的老化方式和瀝青種類進(jìn)行整理分析，三類模型各有其優(yōu)缺點(diǎn)。各文獻(xiàn)的具體模型都可以精確的預(yù)估瀝青老化過(guò)程中相應(yīng)指標(biāo)的變化并量化老化速率，對(duì)實(shí)際道路工程瀝青的選擇以及預(yù)防性養(yǎng)護(hù)有一定的指導(dǎo)意義?；谝延械难芯砍晒?，提出以下研究方向：由于紫外燈強(qiáng)度對(duì)瀝青性能的變化影響不明確，考察不同強(qiáng)度紫外燈相同紫外輻射累積量下瀝青老化程度以及性能的變化趨勢(shì)。瀝青光熱條件下的老化并沒(méi)有相應(yīng)的預(yù)估模型，單一因素下的模型結(jié)構(gòu)是否適用于預(yù)測(cè)多因素耦合作用下性能的變化還有待進(jìn)一步研究。從現(xiàn)有的研究來(lái)看，較少有對(duì)老化瀝青混合料的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)老化瀝青混合料

14、性能的變化對(duì)路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)具有更積極的意義?！綬eference】1Lu X，Isacsson U. Effect of ageing on bitumen chemistry and rheologyJ. Construction & Building Materials， 2002， 16（1）：15-22. 2Mill T.，Tse D.S.，Loo B. Oxidation Pathways for AsphaltJ. Prepr. Pap.-Am. Chem. Soc.， Div. Fuel Chem.，1992，37： 1367-1375.3金鳴林，楊俊和，馮安祖.韓國(guó)70道路瀝青

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