短期老化方法对沥青性能评价的适用性

梁志豪，邢明亮，李祖仲，关博文

(长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

沥青的短期老化指沥青混合料在拌合、运输、摊铺过程中沥青的老化[1]。目前，通常采用薄膜加热试验(TFOT)和旋转薄膜加热试验(RTFOT)来模拟沥青的短期老化过程。行业标准《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)认为沥青薄膜加热试验(TFOT)和沥青旋转薄膜加热试验(RTFOT)两种测试方法均适用于评定沥青的耐老化性能，且均能较好地反映沥青在拌合过程中的性质变化。但许多学者在研究及工作中发现，2种老化方法所得的沥青残留物检测结果存在一定差异[2-4]。李立寒等[5]通过对比重交沥青和2种SBS改性沥青短期老化前后沥青的质量、针入度、旋转黏度和DSR的变化，发现TFOT和RTFOT对沥青老化情况评价存在显著差异；杨明等[6]通过研究3种不同沥青老化后残留物检测结果的差异，发现大多数情况下TFOT与RTFOT不能相互替代。

上述研究表明，薄膜加热试验(TFOT)和旋转薄膜加热试验(RTFOT)存在较大差异。但是，目前的研究主要关注TFOT与RTFOT对不同沥青的差异性[7]或2种方法的优化改良[8-10]，而对2种方法老化程度随沥青类型、改性剂掺量的变化规律的研究较少，特别缺少2种老化方法适用性的研究。故本文通过研究不同类型及改性剂掺量的沥青老化前后针入度、软化点、延度、动力黏度的变化趋势，借助红外光谱法(IR)揭示特征官能团的演变规律，分析2种方法对不同类型及改性剂掺量的沥青老化效果的变化规律，分析2种老化方法的适用性，以便为工程应用提供技术支持。

1 试验部分

1.1 原材料

1.1.1 基质沥青

选用克拉玛依90#石油沥青和韩国SK90#石油沥青进行试验，2种基质沥青的主要技术参数如表1所示。

表1 两种基质沥青的主要技术参数

1.1.2 SBS改性沥青

本文研究的3种不同SBS掺量的改性沥青主要技术参数如表2所示。

表2 SBS改性沥青的主要技术参数

1.1.3 橡胶改性沥青

本文研究的3种不同橡胶粉掺量的改性沥青主要技术参数如表3所示。

以上技术参数均按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的相关规定进行测试，所得结果均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)A级道路石油沥青要求。

表3 橡胶改性沥青的主要技术参数

1.2 试验方案

1.2.1 改性沥青的制备

(1)SBS改性沥青的制备。采用SBS改性剂对基质沥青进行改性，所用SBS改性剂为燕山石化生产的1301-1线型SBS改性剂。设置高速剪切机的转速为5 000 r·min-1，温度为170 ℃～180 ℃，剪切时间为1 h，SBS用量分别为沥青质量的2%、3%、4%。

(2)橡胶改性沥青的制备。采用橡胶粉对基质沥青进行改性，所用橡胶粉为40目废旧轮胎橡胶粉。设置高速搅拌机的转速为5 000 r·min-1，温度为180 ℃～185 ℃，搅拌时间为1 h，橡胶用量分别为沥青质量的10%、15%、20%。

1.2.2 沥青性能测试方法

本研究对老化前后沥青试样进行了针入度、软化点、延度、动力黏度检验，试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的相关规定进行，并通过傅立叶变换红外光谱仪观测老化前后沥青试样特征官能团的变化规律。

1.2.3 沥青老化试验

(1)薄膜加热试验(TFOT)。将50 g原样沥青试样浇入直径140 mm、深9.5 mm的不锈钢圆盘盛样皿中，然后放在163 ℃的恒温通风烘箱中，以5.5 r·min-1的速率旋转5 h。

(2)旋转薄膜加热试验(RTFOT)。将35 g沥青试样装入高140 mm、直径64 mm的开口玻璃瓶中，把盛样瓶插入旋转烘箱中，吹入流量为4 000 mL·min-1的热空气，在163 ℃的高温下以15 r·min-1的速度旋转75 min。

2 试验结果分析

2.1 沥青老化前后试验结果分析

2.1.1 基质沥青

表4为2种基质沥青老化试验的结果。表5为2种不同基质沥青的4组分试验结果，2种不同基质沥青老化后性能变化情况见表6、7。

表4 老化后沥青的质量变化

表5 基质沥青的四组分试验结果 %

表6 克拉玛依90#沥青老化后指标变化

表7 SK90#沥青老化后指标变化

从表4、5可知：克拉玛依90#基质沥青中胶质含量较多，沥青质与芳香分的含量较少，轻组分占沥青质量的48.75%；SK90#基质沥青中沥青质与芳香分含量较多，胶质含量相对较少，轻组分占沥青质量的65.90%。从老化后的结果来看，2种基质沥青老化后都表现为质量减小，且轻组分含量较多的SK90#沥青质量损失更大。克拉玛依90#基质沥青TFOT与RTFOT残留样的质量损失比差值为0.071%，SK90#基质沥青TFOT与RTFOT残留样的质量损失比差值为0.051%，差异均较小。

表6～7所得试验结果均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)对于90#A级道路石油沥青的要求。

克拉玛依90#基质沥青在经历TFOT和RT-FOT两种方式老化后，沥青试样的针入度差异微小，软化点指标相同，延度指标有轻微差别，黏度基本相同。从老化后的残留针入度比看来，TFOT与RTFOT差异为2%；从残留延度比结果可知，TFOT与RTFOT差异为3%。老化前后的黏度变化能较明显地反映老化程度[11-12]，从残留黏度比来看，二者的差异微小，差值小于2%。

SK90#基质沥青老化后针入度、软化点、延度指标变化与克拉玛依90#基质沥青相似。从残留针入度来看，TFOT与RTFOT差异为2%；TFOT老化残留延度与RTFOT老化残留延度差异为3%；经TFOT老化后沥青软化点升高5 ℃，经RTFOT老化后沥青软化点升高4.5 ℃，两者相差0.5 ℃；从残留延度比来看，TFOF与RTFOT两者差异为2.1%。

从表6～7中残留黏度比可知，克拉玛依90#与SK90#沥青老化后的残留黏度比差异较明显，克拉玛依90#的老化程度更大。结合表5可知：沥青胶质组分越多，TFOT与RTFOT的老化程度越深。

综合上述分析可以得出：不同油源基质沥青的TFOT与RTFOT老化残留样的各项指标参数差异较小(≤3%)，可认为TFOT与RTFOT对不同油源基质沥青具有相同的老化效果，沥青胶质含量会影响老化程度的深浅。

2.1.2 SBS改性沥青

选取2%、3%、4%三种不同掺量的SBS改性沥青进行试验，其老化前后的性能见图1～4。

图1 针入度

图2 软化点

图3 5 ℃延度

图4 135 ℃动力黏度

分析试验结果可以得出以下结论。

(1)随着SBS改性剂掺量的增加，改性沥青老化前后的针入度均表现出减小的趋势；其软化点、延度和动力黏度均表现出升高趋势。这说明随着SBS改性剂的增多，沥青表现出更好的高低温性能。

(2)随着改性剂掺量的增加，2种方法的老化程度出现由差异到相近的趋势，表明SBS掺量会影响TFOT与RTFOT的老化程度。

(3)随着SBS掺量的增加，TFOT的走势与原样沥青走势相近，表明TFOT老化程度较为稳定；而RTFOT的老化程度随SBS改性剂的掺量增加而减轻。

由此可以得出推论：在SBS掺量较低时，RTFOT表现出更深的老化程度，这是由于SBS未完整成网，分散在沥青相中，在热空气作用下，SBS容易集聚，未能很好阻止沥青相老化；而当SBS掺量较高时，SBS完整成网，在沥青中分布比较均匀，RTFOT与TFOT的老化效果基本相同。

2.1.3 橡胶粉改性沥青

选取10%、15%、20%三种不同掺量的橡胶粉改性沥青进行试验，结果见图5～8。

图5 针入度

图6 软化点

图7 10 ℃延度

图8 135 ℃动力黏度

由试验结果可得到以下结论。

(1)随着橡胶粉掺量增多，沥青的软化点、延度均变大，说明橡胶粉在一定程度上改善了沥青的高低温性能。

(2)从针入度指标看来，3种掺量橡胶粉改性沥青RTFOT老化后，针入度均小于TFOT老化沥青试样，表明RTFOT的老化程度深于TFOT。

(3)从动力黏度指标看来，3种掺量橡胶粉改性沥青在TFOT老化后，动力黏度均大于RTFOT老化沥青试样，表明TFOT的老化程度深于RTFOT，与结论(2)相悖。

(4)从反映沥青结合料高低温性能的软化点与延度指标看来，经TFOT老化后，橡胶粉改性沥青的软化点与延度均大于RTFOT老化沥青残留样。

分析其原因，是由于RTFOT试验自身存在缺陷：RTFOT老化盛样瓶为一端开口的半封闭结构；且《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中明确指出：不允许将已倒过的沥青试样瓶重复加热以取得更多试样。在老化过程中，沥青结合料的组分将发生相对变化，轻组分部分挥发，胶质与沥青质的相对含量增大，黏度将增大，流动性降低，胶质与沥青质易于黏附于老化瓶壁。特别对于高黏度改性沥青结合料(如本文试验的橡胶粉改性沥青)，由于改性剂受热降解、分离，部分改性剂黏附于老化瓶壁上难以倒出，导致改性剂与沥青相分离[13]，倒出的并不是老化后真实的改性沥青结合料，这部分沥青结合料不能真实反映整个改性沥青结合料的老化特性。

2.2 沥青老化前后微观结构分析

红外光谱的波数范围在4 000～400 cm-1之间。一般而言，羰基(C=O键)吸收峰在1 800～1 650 cm-1之间，亚砜基(S=O键)的吸收峰主要在1 300～1 100 cm-1之间，羧酸的吸收峰主要在1 700～1 650 cm-1之间，醛基、酮基的吸收峰在1 750～1 720 cm-1附近，自由羟基吸收峰在3 640～3 610 cm-1之间，而600 cm-1之下的吸收峰多为碳和其他元素组成的复杂化合物[14-15]。羰基和亚砜均是沥青组成分子吸氧发生化学反应的产物，其含量越大说明沥青老化越严重[16]。

2.2.1 基质沥青

对老化前后的2种不同油源基质沥青进行红外光谱测试，结果如图9、10所示。

图9 克拉玛依90#老化前后红外光谱

图10 SK90#老化前后红外光谱

从图9、10可以看出，克拉玛依90#沥青和SK90#沥青老化后分别在1 748 cm-1、1 654 cm-1处出现吸收峰，而老化前在对应波数上未有明显吸收峰，说明沥青经TFOT与RTFOT老化后均表现为羰基含量增加,生成了醛、酮、酯或羧酸类等含氧组分。并且,老化后克拉玛依90#沥青在1 040 cm-1附近、SK90#沥青在1 020 cm-1附近的亚砜吸收峰逐渐增大，符合沥青吸氧老化的规律[17]。

无论对于克拉玛依90#沥青还是SK90#沥青，TFOT与RTFOT两条谱线生成的吸收峰面积大致相同，线形基本一致，表明其老化后官能团变化相似。因此，对于基质沥青，TFOT与RTFOT均能较好地模拟沥青老化状态。

2.2.2 SBS改性沥青

选择老化前后的2%、4%SBS改性沥青进行红外光谱测试，结果如图11、12所示。

图11 2%SBS改性沥青红外光谱

图12 4%SBS改性沥青红外光谱

由图11可知，2%SBS沥青老化后羰基吸收峰(1 606 cm-1)与亚砜吸收峰(1 046 cm-1)面积均增大，从吸收峰大小来看，RTFOT老化后的羰基吸收峰面积略大于TFOT，亚砜吸收峰面积相近，此时RTFOT的老化程度略大于TFOT。

由图12可知，4%SBS改性沥青老化后羰基吸收峰(1 604 cm-1)与亚砜吸收峰(1 039 cm-1)面积均有所增大，但增大幅度较小，此时TFOT老化残留样与RTFOT老化残留样的谱线差异较小，TFOT的老化效果近似于RTFOT。

分析其原因是：SBS改性沥青由于SBS与基质沥青交联作用，提高了沥青结合料的韧性，使得SBS改性沥青具有较好的延展性。2%SBS改性沥青黏度较小(1.173 Pa·s)，在RTFOT老化瓶内能较好地成膜并且不易黏附，且SBS改性剂与沥青相未能很好地交联成网，使得沥青结合料整体的老化程度较深。而4%SBS改性沥青黏度较大(1.973 Pa·s)，在163 ℃下流动性较小，且SBS改性剂与沥青相的交联成网较好，使得老化后的谱线与原样沥青谱线差异减小。

2.2.3 橡胶粉改性沥青

选择老化前后的10%、20%橡胶改性沥青进行红外光谱测试，结果如图13、14所示。

图13 10%橡胶改性沥青红外光谱

图14 20%橡胶改性沥青红外光谱

橡胶粉改性沥青老化前后红外光谱变化较大的波数范围在1 000～12 00 cm-1附近，官能团变化表现为亚砜基(1 110 cm-1)含量大幅度增加；而羰基吸收峰(1 602 cm-1)变化较为细微，说明橡胶沥青短期老化更多地表现为沥青中的硫醚和硫酚被氧化生成亚砜基[18]。

由图13、14可以明显看出，RTFOT谱线在波数为670～900 cm-1范围内与老化前沥青的谱线有较大差异，原因是沥青结合料中橡胶粉与沥青重组分在老化瓶中聚集黏附，使得沥青结合料成分发生变化。

从橡胶沥青的改性制备工艺可知，橡胶沥青在180 ℃以上才能表现出较好的流动性[19]；但无论是薄膜加热试验(TFOT)还是旋转薄膜加热试验(RTFOT)，其规程要求的试验温度均为163 ℃，可以认为该温度下不能正确模拟橡胶沥青的老化状况。并且，由于橡胶颗粒在受热后会从弹性向黏弹性或者黏性转变，在RTFOT老化瓶中极易黏附，妨碍均匀沥青膜的形成，造成RTFOT方法测试结果不准确。

3 结 语

(1)在模拟沥青短期老化的TFOT与RTFOT两种方法中，老化程度与沥青类型及改性剂掺量存在一定的相关关系，对于不同沥青2种方法的适用性不同。对于基质沥青，TFOT与RTFOT在模拟沥青短期老化时老化程度基本等效，且胶质含量越多的沥青，TFOT与RTFOT均表现出更重的老化程度。

(2)对于SBS改性沥青，随着SBS掺量不同，2种方法老化程度也不同，表现为：在SBS掺量较少时，SBS与沥青相未完整交联，RTFOT老化程度更深，沥青使用TFOT与使用RTFOT老化后的各项指标存在较大差异；而当SBS掺量较高时，SBS与沥青相完整交联成网，TFOT与RTFOT两种方法的老化程度相近。

(3)对于橡胶改性沥青及其他高黏沥青，由于其黏性大，流动性差，导致形成均匀沥青膜较困难，改性剂易黏附聚集，在模拟橡胶改性沥青短期老化时，TFOT老化方法较为合适且老化程度随着橡胶粉掺量的增加而减小，模拟该类沥青短期老化不宜采用RTFOT老化方法。

(4)在本文试验比较中，选择了针入度、软化点、延度、动力黏度与红外光谱作为沥青性能指标以评价TFOT与RTFOT的老化效果；为了减少试验量且具有代表性，选用了2种不同油源的基质沥青，3种SBS与橡胶粉改性沥青进行试验。本文结论对其他油源沥青或其他改性剂掺量的改性沥青是否适用还有待进一步试验研究。