橡胶改性沥青抗水老化性能研究

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摘要：摘要：文章模拟广西实际多雨气候特点，采用室内冻融循环方法，通过常规指标试验、动态剪切流变试验及低温弯曲流变试验测试橡胶沥青水老化的高低温性能，并借助红外光谱(FTIR)分析冻融循环作用下橡胶沥青特征官能团及相对分子质量变化情况，以探究橡胶沥青水

　　摘要：文章模拟广西实际多雨气候特点，采用室内冻融循环方法，通过常规指标试验、动态剪切流变试验及低温弯曲流变试验测试橡胶沥青水老化的高低温性能，并借助红外光谱(FTIR)分析冻融循环作用下橡胶沥青特征官能团及相对分子质量变化情况，以探究橡胶沥青水老化的微观特性。研究结果表明：冻融循环使得橡胶沥青的针入度和延度指标下降，软化点上升，沥青发生老化;橡胶沥青经冻融循环作用后车辙因子升高，相位角下降;冻融循环作用使得橡胶沥青蠕变劲度S增大，蠕变速率m减小。其中FTIR试验表明，冻融循环作用将加剧橡胶沥青材料的老化;橡胶改性沥青的抗水老化性能优于基质沥青。

　　关键词：橡胶改性沥青;水老化;冻融循环作用;微观特性

　　0 引言

　　沥青路面在施工和服役期间存在的老化现象表现为松散、坑槽、开裂等主要病害类型，而沥青混合料抗水损坏能力是影响沥青路面使用寿命的重要因素，这需要同时探究水分对沥青及沥青混合料性能的影响。

　　对于沥青材料水稳定性的研究，目前已有学者就此展开了一系列的研究并发现，水分的存在影响沥青长期老化后流变性能、宏观性能以及微观组分的变化，同时加速沥青热氧老化速率[1-5]。孟勇军[6]基于广西降雨时间约占全年1/3的实际，指出水分作用时间应不大于PAV试验时间1/3，基于对沥青进行脱水处理再继续剩余时间的无水PAV试验发现，水分作用增大了沥青老化后抵抗变形的能力，但弹性恢复性能下降。

　　对于沥青混合料的水稳定性研究，多着眼于以浸水马歇尔和冻融劈裂为代表的评价体系[7-10]，而水会造成沥青材料以及沥青-集料界面作用的改变[11]，造成混合料各项性能的衰变，因而水影响着沥青混合料性能的变化。现有试验方法中多采用高温水长期浸泡或冻融循环的方式来模拟实际路面状况[12-14]，且不少学者研究温度、盐分和冻融循环对沥青路面的影响，研究发现在盐-温-冻融的作用下，沥青混合料的间接拉伸强度、抗压强度、疲劳寿命均显著降低[15-17]。此外，研究发现沥青混合料在水-温-荷载作用下其疲劳寿命明显降低[18-19]。冯俊领[20]等通过室内外模拟试验，研究了夏季高温多雨条件下沥青路面的水稳定性，提出了以劈裂抗拉强度指标评价夏季室外水浴高温循环变化对沥青混合料水损害影响的方法。这些方法作用机理与实际动水冲蚀并不相同，汉堡车辙、浸水APA等试验中静水浸泡作用也难以反映实际状况[21]。动水的实际作用包括动水下沥青材料性质改变、水在沥青膜中的扩散规律、动水对沥青-机理界面影响程度等，均应基于室内动水冲刷模拟方法开展针对性的研究。

　　1 原材料与试验方法

　　1.1 原材料

　　(1)沥青

　　选用70#A级基质沥青，其主要技术指标见表1。

　　(2)橡胶粉

　　选用深圳路海威40目脱硫橡胶粉，其主要技术指标见表2。

　　(3)SBS

　　本文选取常用的YH-791H线性SBS，其主要技术指标见表3。

　　(4)稳定剂

　　选用市面常用典型的白色促进剂T1(见图1)与黑色稳定剂T2(见图2)。

　　(5)橡胶沥青制备

　　参考熊剑平[22-23]等人对于橡胶沥青制备工艺的研究，结合实际制备经验，本文选用橡胶沥青基础配方与制备工艺见表4。

　　1.2 试验方法

　　中国大部分地区的主要降雨量大都发生在夏季，平均降雨历时的空间分布规律显示为“短-长-短”。西北至华北地区平均降雨历时都在3.3 h以下，东北、华南与西南地区大都在3.3～3.9 h，西北、华东与华南地区平均降雨历时都较长，很大比例都在4.2 h以上，西北地区降雨历时最长，平均降雨历时在5.4 h以上[24]。

　　将制备的沥青试件置于25 ℃恒温水箱中30 min，注入薄膜烘箱试验的盛样皿中，质量控制在50 g±0.5 g，沥青薄膜厚度为3.2 mm，放入干燥器中冷却至室温制备。将制备的沥青试件置于25 ℃恒温水箱30 min后放入塑料袋中，往袋中注水10 mL，用细绳将袋子扎紧。为缩短冻融循环试验时间，根据郑健龙试验方法[25]对冻融试验进行设计，将试件放入试验室温度为-20 ℃的冰箱中16 h后移至60 ℃水浴箱中8 h，因此1次冻融循环时间为24 h。重复以上步骤，将试件分别冻融循环1次、3次、5次。

　　参考半刚性基层和水泥混凝土冻融循环试验方法，本文以-20 ℃～60 ℃为冻融循环作用温度，将成型好的30 cm×30 cm×5 cm车辙试件在室温条件下进行饱水24 h，放入塑料袋中，注水没过试件10 mm并密封，放置在-20 ℃冰箱冻16 h后移至60 ℃的恒温水槽融化8 h，即完成1次冻融循环作用。沥青混合料冻融循环次数选为1次、3次。

　　2 结果与分析

　　2.1 常规指标试验结果与分析

　　对不同冻融循环次数的橡胶改性沥青进行三大指标测试，试验结果见表5。

　　(1)针入度和延度总体上随冻融循环次数增加呈下降趋势，而软化点呈上升趋势。这主要是因为沥青质在经过冻融循环后含量逐渐增加，同时在表面形成一定强度的沥青膜，这致使沥青变硬。此外，随着冻融循环次数逐渐增加，表面的沥青膜越厚，针入度测试结果就越小[26]。由于橡胶改性沥青内部发生了水-温老化反应，且水在冻融循环作用后产生了结晶膨胀，破坏了沥青内部结构，导致延度下降，软化点提升[27]。

　　(2)根据图3分析，针入度和延度前期下降速率较快，后期逐渐减缓。对不同冻融循環次数下的橡胶改性沥青针入度、延度和软化点趋势进行拟合，发现均符合幂函数型变化趋势。经过5次冻融循环作用后，针入度下降约14.6%，延度下降约28%，软化点提高约5.4%，表明冻融循环作用对橡胶改性沥青性能影响程度为：延度>针入度>软化点。

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