基于RTFOT试验方法的沥青老化性能研究

陈惊宇 武翔云

沥青作为重要的交通建筑材料，其老化现象一直是尚未解决的一大难题。导致沥青老化的因素有很多，比如交通荷载、温度、紫外线、水分等，并且沥青的老化是持续性的，在制作、运输过程以及施工过程中也会产生老化。道路沥青主要的老化过程发生在路面交付使用之后，特别是面层沥青，在车轮荷载和自然因素的共同作用下，沥青材料性能衰减较为明显。

1 沥青室内老化

为了缩短试验周期，并控制实验条件，达到满意的试验效果，学者们提出了室内模拟沥青老化的试验。沥青的模拟老化是通过控制室内条件对沥青在自然环境中的老化因素进行模拟，并加速沥青老化进程，以便在较短的试验周期内得到沥青老化后的试验数据。由于这种方法是在室内条件下进行，试验者可根据研究目的设计所需要的实验条件，排除其余非研究条件的干扰。从目前研究资料和成果来看，室内模拟老化试验现象和数据具有良好的规律性和重现性。

2 室内老化与自然老化对照关系

栗培龙等人研究得出常见沥青老化试验方法与沥青在自然条件下老化的相互对照关系。沥青RTFOT、PAV、60℃烘箱老化主要是由于沥青发生了氧化反应，沥青经RTFOT老化解热85min、180min、360min之后的轻组分挥发（质量变化）主要发生在初期，随着老化程度加深，逐渐专户额为一种吸氧反应。

TRFOT是通过提高老化温度或者反应物浓度来加快沥青老化进程，RTFOT加热时长与路面使用自然条件下沥青老化年限的对照关系如表1。

表1 沥青老化时长与实际服务年限之间的关系

3 RTFOT老化试验

3.1 试验方法

本次试验采用沥青为韩国SK-70#沥青，使用的老化设备为旋转薄膜烘箱（如图1），该设备能保持沥青的加热温度为163±0.5℃，内部有空气喷嘴、温控调节器和可旋转钢架。空气喷嘴在钢架最下方以4000mL/min±200mL/min的流速向烘箱内部喷射热空气，为沥青老化提供氧气；可旋转钢架上有8个圆孔，可同时放置8个内部直径为31.75mm±1.5mm的盛样瓶，每个盛样瓶中课注入35g±0.5g沥青以供老化。

参照《公路沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）T0609-2011方法，将加热时间分别设置为85min、180min、360min、600min进行加热老化，以模拟不同使用年限老化的道路沥青。

试验前应先将加热烘箱预热不小于16h，然后打开计时器开始计时，设置计时时限为85min、180min、360min、600min，到达规定时限之后停止环形架转动，关闭热空气喷射，立即逐个取出盛样瓶，迅速将试样倒入洁净的容器中，以备后期试验使用。

3.2 沥青指标分析

通过对比沥青基本指标对沥青老化程度和性能变化进行评价，不同时长RTFOT老化之后的沥青性能测试结果如表2。

表2 不同时间（RTFOT）老化后基本指标结果

将表2沥青老化后基本指标变化结果分析得图1。

图1 老化后基本指标随着老化时间变化图

从图表中可以看出，随着老化时间延长，沥青延度和针入度降低，并且降低速率放缓，软化点升高。沥青软化点随着老化时间延长而不断增加，说明老化后的沥青高温稳定性越来越好。针入度也是随着老化加深而逐渐减小，在老化前期（从未老化到RTFOT加热85min）针入度减少较多，而在老化后期（RTFOT加热180～600min）针入度减少的差值逐渐减少。从表2中可以算出，针入度比不断下降，这就说明沥青的老化程度不断加深，但性能衰减的速率有所放缓。沥青的延度随着老化时间延长而明显降低，并且呈现出差值变小的趋势，这说明随着沥青老化程度的加深，沥青的低温抗变形能力越来越差，老化初期时低温抗变形能力衰减迅速，随着老化程度加深，衰减速率逐渐减缓。综合来讲，沥青的老化会导致其高温性能有所提高，但是低温性能明显衰减，其衰减速率逐渐放缓。

3.3 沥青组分分析

沥青是原油经过处理后的产物，其化学成分十分复杂，由很多复杂的碳氢化合物和碳氢化合物衍生物混合组成的，C和H元素的含量达到97%以上。从沥青的构成上来看，可以将其大致分为缩合芳香烃、碳氢化合物、环烷烃等有机化合物组成。鉴于沥青的复杂构成，想要将沥青分离成单独的化合物单体十分困难，目前的分析手段难以达到理想的效果，因此有常用的手段是将沥青看做是四个组分构成：沥青质、胶质、芳香分、饱和分。经过对老化后的沥青进行组分分析，得出不同老化程度的沥青四组分含量如表3。

从试验结果可以看出，沥青中的芳香分、饱和分含量逐渐减少，并且减少速率有逐渐放缓的趋势。这是由于芳香分容易在热氧环境下与沥青中的环烷烃发生氧化反应形成胶质，而饱和分虽然性质较为稳定，但也会由于高温逐渐挥发，但挥发量逐渐减少。从图2中可以看出沥青中的沥青质含量明显增多，但是也会随着老化程度加深而增量减少。这是由于沥青中的其他成分会在热氧环境下发生氧化反应，逐渐形成胶质，而胶质逐渐聚合形成沥青质，导致沥青质含量增多。从以上分析可得知，沥青胶质的变化不仅与芳香分氧化形成胶质的速率有关，还跟胶质聚合形成沥青质的速率有关。综上所述，沥青的老化随着时间延长导致老化程度逐渐加深，但速率有逐渐放缓的趋势。

表3 不同老化程度沥青四组分分析结果

图2 不同程度老化后沥青组分变化

4 结论

沥青的RTFOT室内老化能较好的模拟沥青在自然条件下的老化，试验结果呈现良好的规律性和重现性。室内老化（RTFOT）能明显加速沥青老化进程，从沥青的基本指标来看，延度、针入度减少最为明显，从组分分析来看，沥青质的增加最为明显。从而得出，沥青老化会导致其低温抗裂性能迅速衰减，沥青的延展性变差，沥青粘度明显增大，这使得沥青的疲劳寿命逐渐降低，但是其老化速率逐渐放缓。

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