热氧老化沥青多次损伤width=7,height=2,dpi=110愈合性能

沥青路面经过行车荷载反复作用及材料老化后,会因内部微裂缝的产生、积累,逐渐发展为宏观的疲劳裂缝[1].疲劳破坏已成为沥青路面的主要破坏形式之一,严重影响着路面使用性能[2].所幸研究发现沥青材料具有自愈能力,可自动修复疲劳裂缝,延长疲劳寿命.1965年Deacon[3]发现沥青混凝土的使用寿命随间歇时间的增加而延长,此结论也得到其他研究者的证实[4-5].自此,沥青自愈合相关研究得到广泛重视.罗蓉等[6]通过动态剪切流变仪(DSR)对70#基质沥青和SBS改性沥青进行无间歇和间歇条件下的时间扫描试验,结果表明SBS改性沥青自愈合能力更强,且2种沥青的愈合情况均随着间歇时间的增长越来越好.崔亚楠等[7]通过DSR对沥青胶浆进行了“疲劳-愈合-疲劳”试验,分析了其疲劳性能和自愈性能,研究表明改性剂有助于提高沥青的抗疲劳性能,延长间歇期有助于愈合恢复.Alvaro[4]通过CT扫描分析了沥青愈合的微观过程,结合Arrhenius方程对沥青自愈合速率和愈合温度进行了相关性分析,并提出沥青毛细流动理论,综合分析了裂缝表面分子扩散能与毛细动力作用,但模型要求沥青需处于牛顿流体状态,不适用于温度较低时沥青的损失愈合行为分析.Williams[8-10]等通过对沥青中的两性氧化物、芳香族有机物等低分子化合物的微观分析,证实沥青的化学组成对其损伤-愈合性能有显著的影响.Bhasin等[11]发现当沥青材料一旦与裂缝界面接触,沥青分子就会扩散直至裂缝完全闭合,并认为沥青愈合能力取决于表面分子在裂缝界面间的扩散能力.

目前,国内外对沥青自愈合性能的研究较多,但试验多采用“疲劳-愈合-疲劳”的间歇式加载模式,该方法仅能表征沥青的首次损伤-愈合能力,并不能反映后续过程;而路面沥青实际的损伤-愈合并非1次,因此掌握沥青多次损伤-愈合规律更有价值,另外路面沥青随服役年限的增长势必老化,研究中也应将其考虑在内.为此,本文采用DSR中的时间扫描模式对沥青进行损伤-愈合循环加载试验,研究了沥青多次损伤-愈合性能规律,并以此为基础,通过傅里叶红外光谱(FTIR)试验分析了沥青化学结构对其多次损伤-愈合性能的影响,以期为沥青损伤-愈合性能的相关研究提供参考.

1 试验概况

1.1 试验材料

采用70#基质沥青和SBS改性沥青.其中SBS改性沥青制备过程为：先使用高速剪切机在180℃，5000r/min条件下将70#基质沥青和4.5%(质量分数)线型SBS改性剂(YH-791)剪切30min；再以250r/min的速率搅拌60min；最后加入稳定剂,以250r/min的速率搅拌60min.沥青各项技术指标均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求,如表1所示.

表1 沥青主要技术指标

Table 1 Main technical properties of asphalts

老化沥青制备时以上述70#基质沥青和SBS改性沥青为原材料,按照JTGE20—2011《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》中的沥青旋转薄膜加热试验(RTFOT),来模拟沥青的中短期老化(后文将老化85min的沥青试样以R85表示,老化170min 的沥青试样以R170表示);按照压力老化容器加速沥青老化试验(PAV),来模拟沥青的长期老化(后文以P表示).老化沥青主要技术指标如表2所示.

表2 老化沥青主要技术指标

Table 2 Main technical properties of aged asphalts

1.2 试验方法

1.2.1 动态剪切流变试验

采用美国TA公司研发的Discovery系列DHR-2型DSR,以时间扫描模式进行沥青损伤-愈合循环加载试验,以研究多次损伤条件下沥青的自愈能力.试验过程如图1所示.其中平行板尺寸参考文献[12],长度取为8mm,间距取为2mm,应变控制在5%,以保证沥青处于线性黏弹性范围,加载频率为10Hz,对应60～65km/h的行车作用.沥青愈合指数HI的表达式如式(1)所示：

(1)

图1 动态剪切流变试验详图
Fig.1 Detail of dynamic shear rheological test

式中：Ginitial为初始复数模量;Gafter为愈合后的复数模量;Gbefore为愈合前的复数模量.

1.2.2 傅里叶红外光谱试验

FTIR试验采用美国热电尼高力公司的NEXUS EU-RO红外光谱仪.以薄膜法测定沥青的化学官能团,扫描次数为32次/s,分辨率为4cm-1.试验操作如下：先将沥青样本溶于四氯化碳溶剂中,然后涂抹于KBr晶片上,待溶剂挥发后置于傅里叶红外光谱仪中进行FTIR试验.

为分析功能基团的组成和含量对沥青多次损伤- 愈合性能的影响,采用特征官能团峰面积比进行定量分析.沥青的特征官能团峰面积比Ii表达式如式(2)所示：

Ii=Ai/∑A

(2)

式中：Ai为特征官能团吸收峰面积;∑A为所有吸收峰面积之和.

2 试验结果与分析

2.1 沥青的多次损伤愈合试验

通过DSR试验,测得8种沥青在多次损伤-愈合状态下的复数模量与加载次数的关系,结果如图2所示.由图2可见：整体上沥青的复数模量随加载次数的增加持续降低,沥青老化程度的增加导致初始复数模量增大,但复数模量的衰减趋势并未受到影响,期间复数模量的陡增代表沥青刚经历过1次间歇愈合(5次增加代表5次愈合);尽管每次愈合时间相同,但沥青在首次损伤时,愈合前后的复数模量相差最大,说明沥青的首次损伤对其复数模量的恢复影响最大.

孙艳娜等[13]建议采用复数模量衰减至初始值50%时的加载次数Nf50来评价沥青的疲劳性能.参考该指标可知,沥青随老化程度的增加,疲劳寿命逐渐缩短,且随着损伤次数的增加,达到疲劳时复数模量所需的加载次数逐渐减少,表明沥青损伤次数越多,其抗疲劳性能越低.SBS改性沥青疲劳寿命要大于基质沥青,表明SBS改性沥青的抗疲劳性能要好于基质沥青.这是因为SBS改性剂为苯乙烯与丁二烯的嵌段共聚物,在高强硬段和高弹软段的共同作用下,沥青的变形和恢复特性得以改变,改性剂的加入使沥青抵抗疲劳损伤的能力有所增强.

沥青愈合指数HI与损伤-愈合次数的关系如图3所示.由图3可见：各沥青的愈合指数随损伤-愈合次数的增加整体呈线性下降趋势,70#基质沥青首次愈合指数为0.726,此后每次损伤-愈合后,其愈合指数平均降幅为10.9%,同样情况下,70#-R85,70#-R170和70#-P的愈合指数平均降幅为17.3%,18.8%和21.8%;SBS改性沥青首次愈合指数为0.718,此后每次损伤-愈合后,其愈合指数平均降幅为10.7%,同样情况下,SBS-R85,SBS-R170和SBS-P的愈合指数平均降幅为15.4%,17.7%和18.8%.说明沥青老化程度越高,愈合指数降幅越大;相比较而言,SBS改性沥青的愈合指数降幅较70#基质沥青小.

图2 沥青复数模量与加载次数的关系
Fig.2 Relationship between complex modulus and number of loading of asphalts

图3 沥青愈合指数与损伤-愈合次数关系
Fig.3 Relationship between healing index and number of damage-healing of asphalts

老化程度对沥青的愈合指数影响显著,表现为老化程度越高愈合指数越小,且经过多次损伤-愈合后,未老化沥青与老化沥青的愈合指数差距越来越大.例如同等损伤次数下,首次损伤-愈合后SBS-P愈合指数为0.488,为未老化时的68.0%,3次损伤- 愈合后SBS-P愈合指数为0.203,为未老化时的38.4%,5次损伤-愈合后SBS-P愈合指数为0.121,为未老化时的29.5%.SBS改性沥青在未老化情况下愈合指数与70#基质沥青相近,但随着老化程度的增加,SBS改性沥青愈合指数明显更大,表明老化对SBS改性沥青的影响较小.原因在于沥青经过热氧老化作用后,轻质组分即饱和分和芳香分部分挥发,部分转换为沥青质或被吸收,而SBS改性剂中聚合物能吸收基质沥青的轻质油分并发生溶胀,聚合物链增强了沥青各组分分子之间交联作用,形成三维的网状结构,从而提高了材料的抗老化和疲劳损伤能力,经过相同老化环境和应变水平损伤后,SBS改性沥青的微裂缝宽度更小、更有利于愈合,因此SBS改性沥青复数模量恢复得更好,表现出更好的自愈能力[14-15].由图3还可见,老化程度较高的沥青在经过多次损伤-愈合后,愈合指数趋近于0,基本失去了自愈能力,例如70#-P经过3次损伤-愈合后,愈合指数为0.104,经过5次损伤-愈合后,愈合指数为0.040.

对沥青愈合指数与愈合次数进行拟合,得到愈合指数预估方程,如表3所示.

2.2 沥青官能基团对沥青多次损伤愈合性能的影响

图4为沥青傅里叶红外光谱测试结果.由图4可见：所有沥青红外光谱最明显的是3430,2920,2851,1608,1456,1375cm-1附近的6个吸收峰.其中3430cm-1处吸收峰由—OH伸缩振动引起;2920cm-1和2851cm-1处吸收峰是环烷烃和烷烃的C—H振动的结果,且以—CH2—对称伸缩振动吸收为最强;1608cm-1处吸收峰由共轭双键C=C苯环骨架振动引起;1456cm-1处吸收峰由—CH2— 弯曲振动和—CH3不对称弯曲振动叠加而成,因—CH2—与—CH3振动频率相近,通常会叠加在一起;1375cm-1处吸收峰是—CH3对称弯曲振动的结果.这些吸收峰说明沥青由多种饱和长链烷烃、芳香族、带长链的碳氢化合物组成,组成与结构较复杂.由图4还可见,SBS改性沥青的傅里叶红外光谱与70#基质沥青相似,原因在于SBS改性剂的加入并未与基质沥青发生强烈的化学反应,两者实质上为物理共混.

表3 沥青愈合指数拟合公式

Table 3 Fitting formula of healing index of asphalt

苯环(—C6H6)的含量、亚甲基(—CH2)与甲基(—CH3)的比值是评价沥青化学结构的重要指标.根据OMNIC软件中的基线法可测得各特征峰的面积,结合式(2)计算得到1608cm-1(—C6H6)，1456cm-1(—CH2)，1375cm-1(—CH3)处的特征官能团峰面积比,如表4所示.由表4可知,各沥青的I1 608值均随老化程度的增加而增大,其中70#基质沥青的I1 608值增长速率高于SBS改性沥青,I1 456/I1 375值随老化程度的增加而减小,70#基质沥青的I1 456/I1 375值减小速率高于SBS改性沥青,表明改性剂的掺入能够抑制沥青老化时官能团的变化.

图4 沥青傅里叶红外光谱
Fig.4 FTIR spectra of asphalts

表4 沥青特征官能团峰面积比

Table 4 Characteristics of functional group peak area ratio of asphalts

图5为沥青愈合指数与化学结构的关系.其中I1 608值越大代表苯环含量越大,即沥青中大分子物含量越高,导致在自愈合过程中分子的扩散效率较低,同等损伤条件下需要更长的时间进行自愈.I1 456/I1 375值代表亚甲基含量与甲基含量之比,I1 456/I1 375值越大则沥青分子中支链含量越低,即沥青含有更多轻长型分子结构,此结构下的分子扩散时所受阻力作用比其他类型更小.Bhasin等[16]通过分子动力学模拟得到分子扩散速率与I1 456/I1 375呈正相关关系.因此,I1 456/I1 375值越大，分子扩散速率越快,较高的分子扩散速率意味着沥青具有较高的自愈能力,相同愈合时间下沥青愈合指数更大.

3 结论

(1)沥青复数模量随加载次数的增加而减小.随损伤-愈合次数的增加,沥青达到疲劳时所需的加载次数逐渐减少.首次损伤时沥青的复数模量减少幅度最大.SBS改性沥青的疲劳性能优于70#基质沥青,改性剂的加入能够增强沥青的抗疲劳损伤.

(2)沥青愈合指数随损伤-愈合次数的增加整体呈现线性降低趋势,老化程度对沥青的愈合指数影响显著,表现为老化程度越高愈合指数越小,且经过多次损伤-愈合后,未老化沥青与老化沥青的愈合指数差距加大,SBS改性沥青在多次损伤-愈合和老化后的愈合性能均优于70#基质沥青.

(3)SBS改性剂并未与70#基质沥青发生强烈的化学反应,改性沥青的官能团与70#基质沥青官能团种类相似;I1 608值的增大意味着沥青中的大分子含量增加,分子扩散速率减慢,同类沥青I1 608值较高时具有较低的自愈能力;I1 456/I1 375值越大沥青分子中支链含量越低,即沥青含有更多轻长型分子结构,分子扩散时所受阻力作用更小,分子扩散速率更快,同类沥青I1 456/I1 375值较小时具有较高的自愈能力.

图5 沥青愈合指数与化学结构的关系
Fig.5 Relationship between healing index and chemical structure of asphalt