（材料学专业论文）沥青结合料老化性质及老化试验方法的研究.pdf

摘要 摘要 道路沥青作为沥青路面最主要的建筑材料之一，在使用过程中将经受风、雨 和阳光中的紫外线等作用，产生老化的现象，其物理力学性质会发生衰变，影响 沥青路面的使用性能。显然，沥青的老化性质与沥青路面的使用性能和耐久性能 是密切相关的，因此，对沥青的老化性质进行深入研究十分必要。 要准确评价沥青的老化性质，就必须对沥青进行老化，然后检测其相关性能 指标的变化。沥青老化可分为短期老化和长期老化，目前国内对沥青的老化性质 研究与评价仍主要集中在沥青短期老化阶段的性能检测。本文对沥青的短期老化 性质和长期老化性质进行了大量试验研究，认为沥青短期老化性质的评价结果并 不能真实反映沥青的长期老化性质。要准确评价各种沥青的老化性质和耐久性能， 最好的办法就是直接检测已经过长期老化的沥青残留物的性能指标，这就需要有 一套快速简便实用的沥青长期老化试验方法。 本文对t f o t 、i 玎f 0 r r 、p a v 三种老化方法进行了大量的对比试验研究，分析了 这几种老化方法在短期老化和长期老化中达到相同老化效果所需要的时间，并在 此基础上，提出了一种经改进的、简便的加速老化试验方法来实现沥青的长期老 化，并对该方法的适应性进行了验证。 关键词：老化性质，短期老化方法，长期老化方法，r t f o t ，t f o t ，p a v ，常规指 标，s h r p 指标，沥青 摘要 a b s t r a c t b e i l l go o ft h ep f i n c i p a lp a v e m e n tb i l i l d i n gm a t 砸a l s t i l ep 咖l 叫mb i n j m e n w mb ea g i n g 勰ar e 鲫l l to fi n f l u e n c e db yw i l l d 、m i na n du l t r a v i o l e tr a d i a 矗o nm l r i n g u s i n 吕n sp h y s i c 争m h a n i cp r o p e 啊 h a sad i s i m e g r a t i o n t h el l s i i l gp e r f b n i l a n c eo f 勰p h a hp g v 嘲e n tw i l lb ei n f l u e n c e d a s p b 覃l i ta g i l l gp f o p e n yh a v eat i g h t n e s sr e l 砒i o n w i 也t h eu s i n gp e r f b n n a n a n dd 曲i l i t yo f t h ea s ph a l _ tp a v 锄e m ，s oi ti sn e s 强r yt o 托s r c h 勰p l l a _ i ta g i n gp r 叩e r 哆 i fw a mt oa c c i l r a t l i l ya s s e s sa s p h a ha g i n gp r o p e r 吼i ti si 培s s a r yt oa g e 嬲p h a l t f i r s t l y ，t h e nt e s tc 0 础i v ep e r f o 瑚蛆n c e 砌e x 懿s h o r t t e 玎na g i n ga n dl o n g - t 咖a g i n g a 聆t 、op i l a so f 唧k l l ta g i n & n o w 也ed 鲫e s 吐cr e s e a r c h 孤d 嬲s e s 8a b o u ta s p h a h a g i n gp r o p 哪m o s t i y 南c u 8o ns h o f t t e r ma g i n g t h ep a p e rm a k e s ag r 髓to f t e s t sa n d r e s e 盯c ha b o u ts h o r t - t e r ma g i n gp m p e r t ya n dl o n g - t 锄a g i n gp r o p e r 哆o fa s p h a l t ， o b t a i nac o n c l u s i o no ft h ea s s sa 丘b c to fa s p h a 量ts h o f t _ t 锄a g i n gp r o p e 啊c 锄t 驰饥f 砒e l yr e f l e c ta s p h a l tl o n 哥t e r mp r o p 盯够i f w a n tt o 扯c i 】哪吐e l y 船s sw h o l e 船p l l a l t a g i n gp r 叩e n ) r 卸da g i n gr e s i s 协| i tp 幽彻柚c e ，恤eb e s tw a y i sd i r e c t l yt e 啦l o n g - t 锄 a g i n gp r o p e 啊o f a 叩l i a 王t a 艇l i to f s i m p i ea n dc o n v e n i e n cl o i l g 以锄a g i n gs i 咖l a t i l a b o m t o r y t e s tw o i l i ds mt ob en e c 鞠彤 t h ep a p 盯n l a l 嘟眦c hr e s e a r c h 曲o i l tt f o t 、娜0 t 锄dn a g i n gs i n m l a t i o n i a b o m t 0 呵t e s t s ，f i n d o i i t t h e t i m eo f t h e m h a v e a 删a g i i l g 胡鳅i ns h o r t - t e ma g i n g a n dl o n g - t e ma g i n gp l l a s s e tu p 孤a d v 嗣衄、s 嘶l ea n dc o n v e n i e n tl o n g - t e m a g i n gs i m l l l a t i o ni a b o 忍自o f yt e s t ，跹dm d e m o n s 仃a t ea d 印t a b i l i 哆o f 也ea g 她 s i m l a t i o nl a b o r 粕叮t e s t k e y 咖d s ：a g i l l gp r o p 哪，s b o r t 舶ma g i n gt e s t ，l o n “锄a g i n gt e s t ，姗t ，t f o t ， p a v ，g e 豫li n d 坯，s 期婢m d 能，a s p h a l t 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：f 刁疆二趴 日期：力唯月罗日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：f 再珑拭 日期：纠年0 月， 日 一：【司划1 日期：z ，9 年月，厂日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 我国自改革开放以来，经济发展取得了令世人瞩目的成就，高速公路的建设 更是得到了快速发展自1 9 8 8 年沈大高速公路和沪嘉高速公路建成通车，拉开高 速公路建设的序幕以来，不到2 0 年的时间，全国高速公路总里程在2 0 0 5 年底已 经达到4 1 万公里，居世界第二位。按照国家高速公路网规划，我国将用3 0 年时 间，建成8 5 万公里国家高速公路网。该路网由7 条首都放射线、9 条南北纵向线 和1 8 条东西横向线组成，简称为“7 9 1 8 网”，将把我国入口超过2 0 万的城市全 部用高速公路连接起来，覆盖l o 亿人口。而在我国已建和在建的高速公路中，大 多数都是采用沥青路面结构形式。 沥青路面作为一种无接缝的连续式路面，由于其自身的诸多优点：如具有足 够的力学强度、行车平稳、舒适、振动小、无扬尘、噪音低以及便于维修养护等， 多年来一直受到世界各国的重视。我国迄今为止所修建的高等级公路中绝大部分 都是采用沥青路面，在一般等级公路中应用更为普及。因此，在我国公路建设事 业进入大发展的时期，对沥青路面及其相关性能进行深入研究越发显得重要和紧 迫。 沥青性质随时间而变化的现象，称为沥青的老化。沥青老化最显著的特征是 针入度变小、软化点增大、延度减小。随着沥青的老化，沥青路面变得越来越脆 硬，易于开裂，严重影响了路面的使用性能。沥青路面的使用性能和耐久性能与 沥青结合料的老化性质是密切相关的，沥青结合料老化的速率直接关系到路面的 使用寿命，是影响沥青路面耐久性的主要因素。 要了解沥青结合料的老化性质如何，最简便快捷的方法是通过实验室的老化 方法来加速沥青的老化，并检测其相关性能。所以对于沥青结合料老化性质的研 究，非常重要的一点就是如何建立起一套快速简便实用的沥青老化试验方法，加 速实现沥青的老化，以便准确的评价各种沥青的抗老化性能，探讨提高沥青耐久 性的途径，这对于指导沥青的生产和使用以及预估沥青路面的使用寿命具有重要 的意义。目前国内外多采用薄膜烘箱试验( t f c r r ) 、旋转薄膜烘箱试验( r t f o t ) 、 压力老化容器试验( p a y ) 或者人工模拟自然老化等方法来研究沥青结合料的长短 期老化性质。但这些方法都有各自的一些缺陷和不足，如： 我国现行的沥青技术标准中规定的薄膜烘箱试验( t f o t ) 和旋转薄膜烘箱 试验( 删) 是评价沥青结合料短期老化性质的，没有对沥青结合料的长期老化 性质进行评价，对沥青老化性质的评价是不全面的。 第一章绪论 2 美国公路战略研究计划( s h l c p ) 中提出的压力老化容器试验( p a v ) 虽然可 以评价沥青结合料的长期老化性质，但由于设备价格昂贵，而且试验条件要求较 高，所以暂时难以推广。 人工模拟自然老化的试验条件复杂，而且需要的时间太长，实用价值不高。 本论文的目的是通过对几种老化方法的研究比较，取优去劣，尝试建立起一 套快速简便实用的沥青老化试验方法，以便能实现对沥青的老化性质进行快速全 面有效的评价。 1 2 国内外研究现状 由于交通荷载及自然因素的综合作用，沥青路面的使用性能在不断的变化， 经过一定年限的使用后，其使用性能会逐渐的衰变。沥青路面使用性能衰变产生 的原因是多方面的，但从构成沥青路面的材料考虑，由于沥青的老化导致其脆性 增加，粘结力降低是造成沥青路面使用性能衰变的重要原因之一。因此国内外学 术界一直把沥青老化问题作为重点内容进行研究。 国外许多学者认为：沥青老化主要有四个方面，即氧化老化；挥发物的衰减； 自然硬化和渗流硬化。t r a 】【1 e r ( 1 9 6 1 ) 则列出了影响沥青结合料硬化的五种因素， 近似按重要性排列如下： 氧化； 挥发； 时间( 内部结构老化的发展) ； 光照诱发的聚合作用i 热量引起的浓缩聚合作用。 沥青老化分为短期老化和长期老化。短期老化是指沥青在拌和及铺筑过程中， 在高温的情况下沥青轻组分挥发以及氧与沥青发生氧化作用等因素造成的性质变 化。沥青的长期老化是指沥青路面在使用过程中，由于长时间暴露在空气中，在 光、氧、雨水等自然气候条件的作用下，沥青会发生一系列的物理及化学变化， 使沥青性质发生变化，导致路用性能劣化的过程。早期工程师意识到要完全了解 沥青老化性质，需要进行大量而广泛的实验，而建立起一套快速简便实用的沥青 加速老化试验方法则是重点之一。为此，国外的研究者做了许多试验室加速老化 方法和评价方法的研究，如表1 1 所示： 表1 1 国外关于试验室加速老化方法和评价方法的研究 第一章绪论 沥青老化1 8 h 、2 4 h ，1 6 3 质量改变，残留针入度 1 9 0 3d ( 珥 沥青混合料老化3 0 m i n ，1 4 9 回收沥青针入度的改变 n i c h o l s o n 氧吹，1 钿i n ，2 2 9 针入度，延度 1 9 3 7 r c h i g d 0 y l e氧吹，1 5 i i n ，2 0 4 针入度的改变 渥太华砂混合料，改变时间和温 h u b b a r d g o l l 由 回收沥青针入度的改变 度 s h a t t u c k 混合料烘箱老化，3 0 i i n ，1 6 3 回收沥青的针入度、延度 1 9 4 0 和软化点 1 8 i n 薄膜烘箱试验，5 h ，1 6 3 l e - h e l b o r n 质量改变，针入度，延度 1 8 in - 薄膜烘箱试验，5 h ，1 6 3 1 9 4 6l 肼i s h a l s t e a d 质量改变，针入度，延度 渥太华砂混合料烘箱老化，1 6 3 抗压强度，回收沥青，t f 1 9 5 2p a u l s 胃e l b o r n t f a r残留物 g r i f f i n ，m i l e 8 ，s h e n 微薄膜试验，薄膜厚度5老化前后的粘度老化 1 9 5 5 p e n t h e r 微米，2 h ，1 0 7 指数 v a l l e r g a ， m o n i s m i t h 紫外线和红外线照射针入度，软化点，延度 1 9 5 7 g r a n t h e m b r o n ，s p a r k s 沥青试样急速冷却沥青试样的拉伸试验 s m i t h h e i t h a n s 现场试验试验室老化微 回收沥青 1 9 5 8 j o h n s o n薄膜试验 微薄膜老化指数 t r h l e r t f 0 r r ，1 5 微米薄膜，2 h ，1 0 7 与2 6 微粘度比较 1 9 6 1 与2 5 的微粘度比较，剪h a l s t e a d t f 0 r r ，1 5 微米薄膜，2 h ，1 0 7 z e n e - i t z 切率为o 0 5 s 改进的s h e l l 微薄膜试验，2 0 微 老化前后2 5 的微粘度 1 9 6 3 h v e n ，z u b e s k o g米，2 4 h ，9 9 r t f 凹和t f o t ，1 6 3 ，5 0 i i nc o h e 8 i f a p h 试验 r t f o t 和t f a t 后的粘度， 与回收沥青比较 1 6 3 t f 0 r r ，然后在6 6 2 9 p a 1 9 6 8l e e 和1 3 2 p a 压力下保存2 4 h ，4 8 h ，2 5 的微粘度 9 6 h 和2 4 0 h 沥青和沥青一砂的混合物一限制粘度 硬化到3 0 兆泊的时间 第一章绪论 4 一剪切指数 沥青质含量 s c h m i d t 1 9 6 9 旋转微薄膜试验，2 0 微米，9 9 残留物的微粘度 s a n t u c c i t f 凹2 5 微粘度，6 0 毛细管 1 9 7 3l e e 6 6 、2 0 个大气压下保存，回收 粘度，微延度，f r a s 试 验，对沥青质含量和氧含 现场的老化材料 量进行罗斯特勒分析 t f o t b e n s o n光化射线照射 2 5 的微粘度和针入度 现场老化的混合料 1 9 7 6 盯f 0 r r ，r - 哟，c o l u m 氧化 p l a n c h e r b r e e n 混含料烘箱老化，5 h ，1 5 0 2 5 的微粘度，沥青质含 p e t e r s e n 量，化学分析，回弹模量 石灰和非处理沥青和混合料 2 l 2 蠕变试验，循环加 载条件，然后在5 p s i 保持 6 0 ，o 5 m 水压力下保持l d 、5 i i n ，蠕变曲线的斜率和 1 9 7 7k u a r ( b e t z 2 d 、4 d 、6 d 和1 0 d 的渗透性截距显示氧化的进展情 况，坡度或截距与初始斜 率等于耐久性指数 光化射线老化试验，r - 旷o ，涅太2 5 针入度和延度，回弹 k 唧p r e d o e h l华砂混合料老化，改进的s h e u模量，6 0 微粘度，6 0 1 9 8 1 微薄膜试验，现场混合料老化 毛细管粘度 s a n t u c c i 倾斜烘箱耐久性试验，1 1 3 ，6 0 和1 3 5 粘度，4 和 g o o d r i c b 1 6 8 h 和1 1 5 ，1 0 0 b 2 5 针入度，2 5 延度 s u n d b e r g 2 5 针入度，1 3 5 运动粘 1 9 8 3m c h a t t i e 长期盯f 0 r r ，1 0 0 h ，1 1 5 度，回弹模量，等效轴载 寿命 人工老化一1 0 0 微米沥青薄膜， 4 5 粘度，滑板微粘度计， 盯f o t 延长到8 h ；压力老化h ， 剪切率为0 0 5 s 1 e d l e r 等 6 5 ，3 0 0 p s i ；改进t f 凹，1 0 0氧化水平红外线光谱 1 9 8 5 微米，2 4 h 高分子组分 混合料烘箱1 0 0 老化5 4 h 并紫 2 5 微粘度 h u 9 0 k e n n e d y 外线照射1 4 d 一 一 沥青混合料粱的收缩 6 0 、1 0 0 p 8 i 压力老化o - 5 d ，回 6 0 和1 3 5 的毛细管粘 1 9 8 6 k i i 等 度，f r s s 和针入度试验， 收的现场老化材料 回弹模量和疲劳 第一章绪论 5 c o r b e t t s r b r i c k 分析 短期烘箱老化，1 3 5 ，8 h ，1 6 h ， 2 4 h 和3 6 h ；长期压力氧化，6 0回弹模量，间接拉伸应变， 1 9 8 8v o nq u i n t 等 ，1 0 0 p s i ：6 0 烘箱老化2d ，蠕变 然后1 0 7 老化5 天 空气对流烘箱老化，6 0 ，ld ， 回弹模量 7 d ，2 8 d ，9 0 d ； 强制通风烘箱老化，6 0 ，l d ， 间接拉伸强度 7 d ，2 8 d ，9 0 d ： t i a 等 紫外线老化，6 0 ，1 d ，7 d ，2 8 d ，回收沥青特性包括6 0 粘 9 0 d ： 度，2 5 针入度 自然条件下老化1 年，2 年和3 1 5 和2 5 s c h w e y e r 流 变，红外线光谱分析， 年 c o r b e t t s w a r b r i c k 分析 挥发导致的质量损失 1 9 8 9p e t e r s e n薄膜加速老化试验 酮含量 粘度 历时5 年，耗资1 5 亿美元的美国公路战略研究计划( s h r p ) 于1 9 9 3 年完成， 该计划的一项成果就是开发了压力老化容器试验( p a v ) 来模拟沥青路面长期使用 过程中的老化。目前压力老化容器试验( p a v ) 已经成为国内外公认的标准长期老 化方法，并己经被许多国家推广采用。但该方法试验的老化时间长( 老化时间为 2 0h ) ，所需要的设备价格较为昂贵，且操作条件要求较高，虽然国内已有一些单 位从国外引进了该套设备，但也仅限于科学研究和在这一领域的探索，在我国还 难以大规模推广 国内对沥青结合料的试验室加速老化方法也进行了不少的研究，但许多成果 都是针对于短期老化的，关于长期老化的试验方法研究并不多。同济大学的李立 寒教授研究了旋转薄膜烘箱试验( r t f o t ) 与薄膜烘箱试验( t f 0 r r ) 对沥青结合料 热老化程度的影响，对比了两种老化方法的老化效果，认为r t f o t 的老化效果稍 好于1 1 p o t 的老化效果。石油大学重质油加工国家重点实验室的赵玉翠采用薄膜烘 箱试验( t f o t ) 在不同时间、不同温度下对五种代表性的沥青进行老化。通过对 老化前后沥青的质量变化、针入度比、粘度比、沥青质含量的比较得到了五种沥 青在不同条件下性质变化规律，检验了用延长薄膜烘箱试验时间模拟长期老化的 适宜性。东南大学的陈平对比了基质沥青和改性沥青在不同老化时间，温度，以 及加水等方式对沥青老化的影响。石油大学重质油研究所的范耀华研究了在不同 时间下不同温度的薄膜烘箱试验( 1 f 叮) 对沥青老化效果的影响，还对沥青进行 第一章绪论 6 了低温吸氧试验、自然老化试验等老化方法的研究。 值得注意的是，目前国内对沥青的老化性质研究仍主要集中在沥青短期老化 过程中的性能检测，我国现行沥青技术标准中采用的是薄膜烘箱( 旋转薄膜烘箱) 试验来检测沥青的各项性能指标，以薄膜烘箱( 旋转薄膜烘箱) 试验前后沥青的质 量变化、针入度比、残留延度等指标来表征沥青的耐老化性能。由于没有简单实 用的沥青长期老化试验方法，我国普遍采用短期老化试验方法，通过检测沥青短 期老化后性能的衰变趋势，来预测沥青长期老化性质但许多研究表明，沥青短 期老化性质的评价结果并不能真实反映沥青的长期老化性质。要准确评价各种沥 青的老化性质和耐久性能，最好的办法就是直接检测已经过长期老化的沥青残留 物的性能指标。所以，如何建立起一套快速简便实用的沥青老化试验方法，加速 实现沥青的长期老化，以便能准确检测各种沥青长期老化后的各项性能指标和评 价各种沥青的耐久性能，是本论文研究的主要目的。 1 3 本论文的主要研究内容 对不同品牌和标号的几种沥青进行全面试验，研究及分析对比各种沥青的 短期和长期老化性质。 对常用的几种老化方法进行对比研究，分析不同的老化方法对沥青短期与 长期的老化效果，找出这几种老化方法在短期老化和长期老化中达到相同老化效 果所需要的时间，评价各种方法的优缺点。 建立一种操作简单，高效省时的加速老化方法来实现沥青结合料的长期老 化，并对该方法的适应性进行验证。 本论文依托的项目是中海油气开发利用公司的科研项目与路用性能相关的 沥青评价体系研究。 第二章研究方案与试验方法 第二章研究方案与试验方法 7 2 1 研究方案 本论文的研究主要分为三个阶段： 第一阶段是按我国的公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j0 5 2 - _ 2 0 0 0 ) 相应的试验方法和美国s 婢计划沥青结合料性能分级( p g 分级) 标准体系中的 试验方法对几种沥青进行长短期老化后的试验检测分析，研究对比沥青的长短期 老化性质。检验我国现行的沥青技术标准是否能够真正对沥青的老化性质进行全 面有效的评价，找出其在评价沥青老化性质方面存在的不足之处，并提出解决的 办法 第二阶段是对现行常用的几种试验室老化方法( 薄膜烘箱试验、旋转薄膜烘 箱试验、压力老化容器试验) 进行对比研究，分析不同的老化方法对沥青老化的 效果，找出这几种老化方法在短期老化和长期老化中达到相同老化效果所需要的 时间。评价各种方法的优缺点，为接下来改良及建立一套快速简便实用的沥青加 速老化试验方法的研究做准备和数据积累。 第三阶段是在第二阶段的分析结果上找到一种操作简单，高效省时的加速老 化方法来实现沥青结合料的长期老化，并对此方法的适应性进行研究论证。 2 2 试验方法 本研究中所涉及的沥青的常规试验方法采用我国的公路工程沥青及沥青混 合料试验规程( m0 5 2 一- 2 0 0 0 ) 相应的试验方法。此外，还采用了美国公路战略 研究计划( s 如姆) 里面的沥青结合料性能分级( p g 分级) 标准体系中的试验方 法。 2 2 1 常规试验方法： 1 ) 沥青针入度试验 针入度是在规定温度、规定荷重和规定作用时间的条件下，标准针贯入沥青 中的深度，以o 1 蛐为单位。其标准试验条件为温度2 5 ，荷重1 0 0 9 ，贯入时间 5 s 。但有时也可以变化温度、荷重或贯入时间。 针入度试验是一种用于测量沥青稠度的经验性试验，针入度反应了沥青的稠 度，针入度越小，表示沥青的稠度越大；反之，则越小。 具体试验方法参照 1 5 06 3 31 2 1 3 t0 6 0 5 1 5 延度 1 5 0 1 5 0 1 5 0 1 5 0 1 5 0 蜡含量( 蒸馏法) 1 82 52 221 7t0 6 1 5 闪点2 7 72 8 02 6 53 2 63 3 2t0 6 1 1 溶解度 9 9 79 9 89 9 79 9 79 9 7t0 6 0 7 密度( 1 5 )尉矗 1 0 1 2 21 0 1 31 0 1 3 51 0 4 31 0 4t0 6 0 3 质量变化 _ o 0 80 0 80 1 8呻0 20 t0 6 0 9 残留针入度( 2 5 缸3 6 9 4 5 75 7 84 2 5 4 3 2 t0 6 0 4 。5 s ，1 0 0 9 ) 残留针入度比 7 07 l 。27 0 56 9 。8鹋7t0 6 0 4 t f o t 后 残留延度( 1 0 c 5 88 22 1 87 48 3 ) t0 6 0 5 残留延度( 1 5 2 5 2 1 5 0 1 5 01 4 01 “4 ) 从s r r o p g 分级 6 垂一2 26 4 2 25 8 2 86 4 2 26 4 2 2 淞2 0 一0 3 2 4 主要实验设备 本研究中所涉及的试验均在重庆交通科研设计院的沥青实验室完成。该实验 室拥有先进、齐全的沥青与沥青混合料方面试验仪器。具有较好的实验条件和实 第二章研究方案与试验方法 验环境。本研究中所使用的主要实验仪器设备情况见表2 2 。 表2 2 主要实验仪器设备 电子天平( 精度o 0 0 1 9 ) p r 2 0 0 3 d r 垤t t l e rt o l e d o s _ i t z e r l a n d 电热鼓风干燥箱 c s l o l - 3 髓重庆万达仪器有限公司 真空干燥箱 z k - 8 2 a上海市实验仪器总厂 第三章沥青长短期老化性质研究 第三章沥青长短期老化性质研究 1 2 3 。1 概述 国内外大量的研究资料表明，不同来源与组成的沥青，尽管其软化点基本相同， 针入度随温度的改变也很接近，但其抗老化性能( 耐久性) 却相差甚远，在经过长 期老化后，它们的各个性能指标可能会产生较大的差异。但目前国内对沥青老化 性质的研究检测仍主要集中在沥青拌和、运输和铺筑这一短期老化过程，我国沥 青技术标准也没有提出关于沥青长期老化的试验方法，现行沥青技术标准中采用 的是薄膜烘箱( 旋转薄膜烘箱) 试验等短期老化方法来评定沥青的老化性质和耐老 化特征，以薄膜烘箱( 旋转薄膜烘箱) 试验前后沥青的质量变化、针入度比、残留 延度等指标来表征沥青的抗老化性能。而沥青在路面使用过程中的老化实际上是 一个漫长的过程，我国现行沥青技术标准中对沥青短期老化性质的评价是否能正 确反映出沥青的长期老化性质? 短期抗老化性能好是否能说明长期抗老化性能也 好? 这对正确评价沥青真实的整体老化性质至关重要。 2 0 世纪9 0 年代美国公路战略研究计划( s h i i p ) 提出了压力老化容器试验( p a v ) ， 并以此作为沥青长期老化的标准试验方法。为了分析沥青短期老化性质与长期老 化性质之间的关系，本章采用薄膜烘箱试验( t f 0 r r ) 模拟沥青的短期老化和采用压 力老化容器试验( p a v ) 模拟沥青的长期老化，然后对沥青在这两种老化阶段中的 老化性质进行对比分析，考察我国现行沥青技术标准中的薄膜烘箱( 旋转薄膜烘箱) 老化试验是否能够对沥青整体的老化性质和耐久性能进行正确有效的评价。 3 2 试验设计 3 2 1 短期老化试验 按公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j0 5 2 2 0 0 0 ) 中沥青薄膜加 热试验( t 0 6 0 9 一1 9 9 3 ) 的要求分别对中海5 0 号、中海7 0 号、中海9 0 号、埃索7 0 号和壳牌7 0 号5 种沥青进行t f o t 短期老化( 试验温度1 6 3 ，试验时间5 h ) 。 对老化后的试样进行常规指标( 针入度、软化点、延度) 和s h l i p 指标( d s r 、 b b r ) 检钡0 。 3 2 2 长期老化试验 按公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j0 5 2 2 0 0 0 ) 中沥青旋转薄 膜加热试验( t 0 6 1 0 一1 9 9 3 ) 的要求分别对中海5 0 号、中海7 0 号、中海9 0 号、埃 第三章沥青长短期老化性质研究 1 3 索7 0 号和壳牌7 0 号5 种沥青进行r t f c r r 短期老化( 试验温度1 6 3 ，试验时间 8 5 m i n ) 。然后参照从s h t 0r2 8 一0 2 试验方法对这5 种经过r t f o t 短期老化的沥青 残留物试样进行p a v 老化( 老化温度为1 0 0 、老化空气压力为2 1 押a 、老化时 间为2 0 h ) 。 对老化后的试样进行常规指标( 针入度、软化点、延度) 和s h r p 指标( d s r 、 b b r ) 检测。 3 3 试验结果 5 种沥青的老化试验结果如表3 。l 、表3 2 、表3 3 所示： 表3 1 备沥青样品在不同老化时期的常规指标 中海中海中海埃索壳牌 指标单位 试验方法 5 0 号7 0 号9 0 号7 0 号7 0 号 针入度( 2 5 d i i5 2 ，76 4 28 26 0 96 2 9 t0 6 0 4 ，5 s ，1 0 0 9 ) 原样 软化点( r 妞) 4 9 74 7 64 4 74 7 14 7t0 6 0 6 1 0 延度 1 7 41 3 4 1 5 06 3 31 2 1 3 t0 6 0 5 1 5 延度 1 5 0 1 5 0 1 5 0 1 5 0 1 5 0 针入度( 2 5 如3 6 94 5 7 5 7 84 2 54 3 2t0 6 0 4 ，5 8 ，1 0 0 9 ) 残留针入度比 7 0 7 l 27 0 56 9 86 8 7t0 6 0 4 t f 0 r r 后( 与原样) 软化点( r 蛐) 5 65 2 8 4 9 95 2 55 2 9t0 6 0 6 1 0 延度 5 88 22 1 87 48 3 t0 6 0 5 1 5 延度 c 丑2 5 2 1 5 0 1 5 01 4 01 4 4 4 针入度( 2 5 岫2 1 82 9 13 3 52 3 92 6 6t0 6 0 4 ，5 s ，1 0 0 9 ) 盯f ( 丌+ p a v 残窘针入度比 鲁4 1 4 4 5 34 0 93 9 24 2 3t0 6 0 4 ( 与原样) 后 软化点( r 蛐) 6 2 3 5 8 85 6 15 8 75 7 5t0 6 0 6 1 0 延度 0 71 34 90 5o 5 t0 6 0 5 1 5 延度 4 97 91 15 37 1 麦3 2 各沥青样品在不同老化时期的车辅因子( g s i n6 ) 温度g 衫s i n6 ( k p a ) 阶段 ( ) 中海5 0 号 中海7 0 号中海9 0 号埃索7 0 号壳牌7 0 号 5 29 4 8 6 6 5 9 34 5 4 36 8 6 16 5 2 8 原样 5 83 9 52 7 7 1 1 9 6 8 2 8 7 2 7 5 6 6 4 1 7 3 41 2 3 60 9 0 5 61 3 1 8 1 2 1 5 第三章沥青长短期老化性质研究 1 4 5 2 1 9 5 8 1 3 4 5 9 7 1 6 1 3 1 71 3 1 1 t f 叽后5 88 0 4 75 5 9 84 1 3 25 4 9 3 5 4 5 8 6 43 5 3 32 4 6 91 8 5 6 2 4 22 3 8 9 r 1 f o r + p a v 5 2 6 4 6 3 了4 2 5 6 4 13 3 ，3 8 5 82 5 2 31 5 1 71 0 6 41 6 0 31 2 9 3 后 6 41 0 6 26 5 5 64 6 1 66 9 7 65 9 6 表3 3 各沥青样品在不同老化时期的低温蠕变劲度s 和蠕变速率m 值 阶段 原样t f 叽后r t f 叮+ p a v 后 温度( ) 一6一1 2 一1 8 61 2 一1 86一1 2一1 8 中海劲度( p 旷a ) 5 1 51 6 54 3 0“82 0 35 0 0“2 髓 5 2 4 5 0 号 n 值 0 5 5 l 0 4 3 o 3 0 4o 4 8 5 0 3 8 o 2 8 30 4 1 60 3 2 40 2 5 8 中海劲度( 肝a ) 3 7 21 1 83 4 7 4 5 1 5 b3 8 76 7 41 9 54 3 9 7 0 号 - 值 0 5 8 90 4 60 3 3 50 5 3 3o 4 20 3 1 3o 4 4 60 3 5 80 2 8 l 中海劲度( 肝a ) 8 8 9 2 9 2| 1 1 0 3 3 8 6 1 51 5 5 3 2 3 9 0 号m 值 o 4 9 8 o ，3 7 3 o 4 5 30 ，3 “ o ，4 7 5 0 3 8 6 0 ，2 9 7 埃索劲度( 狎a ) 3 9 31 2 03 5 l4 5 1 6 3 3 9 21 0 62 6 l5 1 7 7 0 号 t 值 0 5 5 70 4 4 90 3 20 5 3 5 0 4 0 l 0 3o 4 0 60 3 0 日0 2 2 5 壳牌 劲度( 肝a ) 3 8 91 1 93 蚰4 71 6 l3 9 042 5 34 7 5 7 0 号 值 0 5 7 8 o 4 6 6 o 3 3 4 o 5 2 3o 4 0 80 3 0 60 4 0 60 3 1 70 2 4 5 3 4 试验数据分析 3 4 1 老化后的常规指标比较 由表3 1 可以看出，所有的沥青样品无论是在短期老化中还是在长期老化中， 其针入度和延度都是不断减小，而软化点则不断增大但是在不同的老化时期， 沥青针入度，延度和软化点的变化幅度并不是一致的。通常在短期老化阶段各性 能指标变化幅度较大，而进入长期老化阶段，则变化幅度逐渐减小t 山如果从针入度指标来判断各沥青的抗老化性能，在短期老化后对各沥青样 品进行排序，针入度( 2 5 ) 变化率由小到大的顺序为：中海7 0 号 中海9 0 号 中海5 0 号 埃索7 0 号 壳牌7 0 号，残留针入度比( 2 5 ) 由小到大的顺序为：壳 牌7 0 号 埃索7 0 号 中海5 0 号 中海9 0 号 中海7 0 号，见表3 4 。在长期老 化后对各沥青样品进行排序，针入度( 2 5 ) 变化率由小到大的顺序为：中海7 0 号 壳牌7 0 号 中海5 0 号 中海9 0 号 埃索7 0 号，残留针入度比( 2 5 ) 由小到 大的顺序为：埃索7 0 号 中海9 0 号 中海5 0 号 壳牌7 0 号 中海7 0 号，见表 3 4 。在长期和短期老化中，各沥青样品针入度变化率大小排序以及残留针入度比 排序都是不一致的，有些沥青样品在短期老化中的针入度变化率大小排序靠前， 第三章沥青长短期老化性质研究 而在长期老化中的排序反而靠后，出现了排序不一致的现象，见图3 1 ，说明这些 沥青样品在两个老化时期中的抗老化性能是不一样的。因此从针入度指标来说， 用短期老化的结果是无法正确判断沥青的长期老化性质的。 表3 4 各沥青样品在不同老化时期的针入度变化率及残留针入度比 中海7 0中海9 0中海5 0埃索7 0壳牌7 0 针入度变化率 t f 叽后 2 8 82 9 53 03 0 2 3 1 _ 3 ( 2 5 )中海7 0壳牌7 0中海5 0 中海9 0埃索7 0 骶p m 姆酬君 5 4 75 7 75 8 65 9 16 0 8 壳牌7 0埃索7 0中海5 0中海9 0中海7 0 残留针入度比 t f 0 r r 后 6 8 76 9 8 7 07 0 57 1 2 ( 2 5 )埃索7 0中海9 0中海5 0壳牌7 0中海7 0 盯f o t + p a v 后 3 9 24 0 94 1 44 2 34 5 3 图3 1 各沥青样品在不同老化时期的针入度变化率比较 b 在不同老化时期对各沥青样品的软化点变化率进行排序，在短期老化后软 化点变化率由小到大的顺序为：中海7 0 号 埃索7 0 号 中海9 0 号 壳牌7 0 号 中海5 0 号。在长期老化后软化点变化率由小到大的顺序为：壳牌7 0 号 中海7 0 号 埃索7 0 号 中海5 0 号 中海9 0 号，见表3 5 从表中可以看出各沥青样品 按软化点变化率进行排序，在短期老化后和长期老化后的排序结果并不一致，说 明这些沥青样品在两个老化时期的抗老化性能不一样。从图3 2 可以明显的看出， 各沥青样品短期老化后的软化点变化率大小排序与长期老化后的软化点变化率大 小排序是不一致的。因此，与针入度指标一样，短期老化后的沥青软化点指标也 第三章沥青长短期老化性质研究 是无法正确判断沥青的长期老化性质的。 表3 5 各沥青样品在不同老化时期的软化点变化率 1 6 t f o t 后 中海7 0埃索7 0中海9 0壳牌7 0中海5 0 l o 91 1 51 1 61 2 61 2 7 软化点变化率 壳牌7 0中海7 0埃索7 0中海5 0中海9 0 r t f o t + p a v 后 2 2 32 3 52 4 62 5 42 5 5 图3 2 各沥青样品在不同老化时期的软化点变化率比较 c 从表3 6 可以看到，在短期老化后，沥青延度变化率( 1 0 ) 由小到大的 排序为：中海5 0 号 埃索7 0 号 壳牌7 0 号 中海7 0 号。在长期老化后，沥青 延度变化率( 1 0 ) 由小到大的排序为；中海5 0 号 中海7 0 号 埃索7 0 号 1 5 01 2 9 1 9 0 旋转祜度 p a _ s1 2 11 1 31 3 1 3 5 旋转粘度 p 山8 o 5 6o 5 5 50 5 5 5 t0 6 2 5 1 6 5 旋转粘度 p a 噜so 。1 4 5o 1 4 20 1 4 5 从表4 1 可以看出，3 种老化后的中海7 0 号沥青残留物常规指标( 针入度、 软化点、延度、旋转粘度) 检测结果非常接近，图4 5 显示了各常规指标的对比 结果。从常规指标上看，7 h p a v 老化与5 h t f o t 老化和8 5 m i n r t f o t 老化具有大致 相等的老化效果。其中8 5 m i n 的r t f 0 r r 老化程度稍大，其次是7 l l 的p a v 老化，5 h 的t f 0 r r 老化程度稍小。但3 种老化方法的老化效果是处于同一水平上的，可以说 是等效的，即单纯从常规指标上看，7 ”a v 与5 h t f o t 和8 5 m i n r t f c r r 在沥青的短期 兰婴兰塑童丝塑耋垡蔓竺查鲨皇耋堡塾墨堡塞 丝 老化中可以相互替代。 图4 53 种老化方法的常规指标对比 b s h r p 指标( d s r 、踮r ) 7 h p a v 老化、5 h t f o t 老化和8 5 i n r t f o t 老化的中海7 0 号沥青残留物的d s r 高温性能试验和b b r 低温性能试验检测结果如下： 1 ) d s r 高温性能 d s r 高温性能试验检测结果见表4 2 ，从表中可以看到3 种老化后的中海7 0 号沥青残留物的d s r 高温性能各项参数指标的检测结果之间差别很小。图4 6 4 8 显示了其直观的对比结果。 表4 2 三种老化的中海7 0 号沥青残留物d s r 高温性能参数指标 温度 7 h p a v 5 h t f o t8 5 m i n r t f o t g s i n6g 丰 6 g 搴s i n6 g 宰 6 g ，s i n6g 宰 6 ( ) ( k p a ) ( p a )( 。)( k p a )( p a ) ( ) ( b a ) ( p a )( 。) 4 6 3 3 2 33 2 5 8 07 8 6 23 2 ，8 3 3 2 1 9 07 8 6 33 3 4 53 2 7 9 07 8 6 1 5 2 1 3 3 6 1 3 2 1 0 8 1 3 71 3 ，0 6 1 2 9 l o 8 1 | 3 8 1 3 4 51 3 2 9 08 1 3 5 5 8 5 6 8 95 6 5 4 8 3 6 15 4 8 15 4 4 78 3 6 95 5 9 85 5 6