| 标题 | 矿粉掺量对紫外光老化后沥青物理性能和化学组成的影响 |
| 范文 | 丁亚碧+童申家+谢祥兵+王乾 摘要：为了研究矿粉掺量对沥青抗紫外光老化性能的影响，对不同粉胶比下的基质沥青与改性沥青胶浆进行紫外光老化前后相关性能研究。结果表明：适量矿粉的掺入可以提高沥青的抗紫外光老化能力，改性沥青胶浆抗紫外光老化能力优于基质沥青胶浆；通过饱和分含量的变化可以评价改性沥青胶浆中SBS改性剂的裂解程度；强紫外光地区基质沥青胶浆的合理粉胶比为1.0～1.2，改性沥青胶浆的合理粉胶比为0.8～1.0。 关键词：紫外光老化；沥青胶浆；粉胶比；四组分分离 中图分类号：U214.75文献标志码：B Impact of Mineral Powder Content on Physical Properties and Chemical Composition of Asphalt After UV Light Aging DING Yabi， TONG Shenjia， XIE Xiangbing， WANG Qian （School of Civil Engineering， Xian University of Architecture and Technology， Xian 710055， Shaanxi， China） Abstract： In order to study the effect of mineral powder content on the antiUV aging properties of asphalt， the relative properties of matrix asphalt and modified asphalt mortar before and after the UV light aging were studied with different powderasphalt ratios. The results show that the incorporation of proper amount of mineral powder can improve the antiUV aging ability of asphalt mortar， and the antiUV aging ability of the modified asphalt mortar is better than that of the matrix asphalt mortar； the degree of cleavage of SBS modifier in modified asphalt mortar can be evaluated by the change of saturate content； the reasonable powderasphalt ratio of the matrix asphalt mortar in regions with strong UV light is 1.01.2， and the reasonable ratio of the modified asphalt mortar is 0.81.0. Key words： UV light aging； asphalt mortar； powderasphalt ratio； separation of four components 0引言 沥青混合料是由决定黏弹性性能的胶浆和提供骨架的集料组成。其中，以沥青胶浆最为重要，它是决定沥青混合料低温抗裂性、耐久性和黏附性等性能的关键因素[12]。因此，许多学者对沥青胶漿的相关性能展开了研究，如王秉纲等[3]研究了矿粉对沥青老化性能的影响，得出当粉胶比小于1.5时，添加矿粉能够减轻沥青的老化程度，大于15时，反而会加剧沥青的老化；Moraes等[3]运用高效凝胶色谱法研究了矿粉对沥青热氧老化的影响，通过比较不同类型矿粉形成的胶浆老化前后分子量的分布和力学性能的变化，得知矿粉可以减轻沥青的热氧老化并改变沥青胶浆老化后分子量分布；张碧琴等[4]采用流变试验测试了不同粉胶比的高低温性能，通过确定其拐点，得出基质沥青最佳粉胶比的范围为09～14；樊亮[5]等利用流变测试技术，对基质沥青和改性沥青胶浆进行性能评价，提出以多应力蠕变回复试验中的不可回复柔量差进行沥青胶浆的最大粉胶比判断。 目前对沥青热氧老化研究较多，而对沥青混合料服役性能起决定性作用的是沥青胶浆，沥青胶浆是影响路面使用年限的一个重要因素[68]。同时，沥青胶浆中矿粉与沥青的相对比例影响着沥青胶浆的性质，进而影响着沥青混合料的耐久性能[9]。基于以上所述，本文对不同粉胶比的基质沥青和改性沥青胶浆进行紫外光老化前后物理性能和化学组成的试验研究，提出强紫外光地区的合理粉胶比。 1原材料与紫外光老化试验 1.1原材料 试验所用沥青为陕西国创沥青有限公司提供的SK90基质沥青和SBS IC改性沥青，其主要性能指标见表1。试验所选用的矿粉为石灰岩矿粉，均经过0.075 mm的筛分，其主要性能指标。 根据文献[1]、[3]的相关研究，针对中国高速公路路面主要是密级配沥青混合料，选定沥青胶浆粉胶比（矿粉质量与沥青质量之比）分别为0、0.8、1.0、1.2、1.4作为本文的研究对象，采用精密磁力搅拌器对沥青胶浆进行搅拌。试验前先将沥青、矿粉放入恒温烘箱中一定时间，然后按所确定的比例称取相应的矿粉，分次掺入到沥青中进行搅拌，直至沥青胶浆混合物表面不再出现气泡为止，保证填料与沥青达到均匀共混的效果[10]。将制得的沥青胶浆倒入30 cm×40 cm的不锈钢盘子中，保证沥青胶浆厚度在2 mm左右，利用胶浆的流动性使其自动流平；待冷却一定时间后，将试样放入紫外光老化试验箱中进行紫外光老化，老化时间为10 d。 2试验结果及讨论 2.1软化点试验 软化点反映了沥青的高温黏度，软化点越高，沥青黏度越大，感温性能越好。为了研究不同掺量的矿粉对沥青抗紫外光老化性能的影响，利用软化点增量来评价沥青胶浆老化程度。软化点增量试验结果如图1所示。 可以看出：对基质沥青而言，加入矿粉后沥青胶浆软化点增量均小于未掺入矿粉的基质沥青，说明矿粉的加入会延缓基质沥青老化；随着粉胶比的增大，基质沥青胶浆软化点增量先降低后增加。这是因为适量的矿粉会吸收沥青中过多的油分，使得沥青的分散程度更加均匀，从而减缓了沥青的老化程度；反之，掺入过量的矿粉会增加沥青的分散程度，使沥青有更大程度的老化。基质沥青胶浆最小软化点增量约为1.6 ℃，对应的粉胶比为1.0～12，说明该粉胶比下基质沥青胶浆老化程度最轻。 改性沥青胶浆软化点增量变化规律比较复杂，其值有正有负。当加入少量矿粉时，软化点增量由-8变到1.2。这是因为改性沥青是由基质沥青和改性剂2部分组成，没有掺入矿粉时，改性剂优先发生紫外光老化而降解，起到延缓沥青老化的作用；但少量矿粉的掺入，会使得改性剂降解程度减弱[1112]。当粉胶比为0.8～10时，改性沥青胶浆紫外光老化主要以基质沥青的老化为主，说明少量矿粉的加入会减轻改性剂的老化，而掺入过多又会加速其老化[1314]。因为过量矿粉的掺入会降低油分对改性剂的溶胀作用，使得基质沥青与改性剂的交互作用变弱，老化程度变重[15]。 2.2延度 延度是衡量沥青在外力作用下发生拉伸变形而不被破坏的能力。沥青胶浆延度与温度有良好的相关性，本文以10 ℃延度作为沥青胶浆低温抗裂性能指标，充分考虑矿粉颗粒对沥青的影响，按照1 cm·min-1的速度拉伸沥青胶浆试样至断裂。为了研究不同掺量的矿粉对沥青抗紫外光老化性能的影响，利用延度变化率来评价沥青胶浆老化程度。 由图2可以看出：改性沥青胶浆的延度变化率均高于没有掺入矿粉的基质沥青胶浆，说明改性沥青胶浆的抗老化能力优于基质沥青。随着粉胶比的变化，基质沥青和改性沥青胶浆的变化趋势基本一致，即先增大后减小。对于基质沥青胶浆，当粉胶比为1.0～1.2时，延度变化率最大，为5619%，表明基质沥青胶浆老化程度最轻。对于改性沥青胶浆，当粉胶比为08～1.0时，延度变化率最大，约为59%，此时改性沥青胶浆老化程度最轻。当掺入矿粉过多时，沥青胶浆延度变化率又有所降低，这可能是2方面原因造成的：一方面是过多填料颗粒之间不会产生交联，仅是简单地分散在沥青中，在外力作用下沥青胶浆被拉伸到一定细度时，会因颗粒的存在而产生尖端效应，造成应力集中而过早断裂；另一方面是沥青胶浆中过多的矿粉填料会增加沥青的分散程度，使得沥青更大程度地老化[16]。 2.3针入度 针入度同样也反应了沥青的黏度，针入度越小，沥青黏度越大。为了研究不同掺量矿粉对沥青抗紫外光老化性能的影响，利用针入度变化率来评价沥青胶浆老化 可以看出，改性沥青胶浆针入度变化率均高于基质沥青的，说明改性沥青胶浆的抗老化能力优于基质沥青。在同一温度下，随着粉胶比的变化，基质沥青与改性沥青胶浆针入度变化率的变化趋势基本一致，即先增大后减小，并且改性沥青胶浆针入度变化率明显高于基质沥青胶浆，说明改性沥青胶浆的抗老化能力优于基质沥青胶浆。对于同一种沥青胶浆，在不同温度下针入度的变化率趋势一致，说明沥青胶浆同沥青一样具有感温性能[17]。当矿粉掺量比较少时，随着粉胶比的增大，胶浆针入度变化率增大，说明适量矿粉可以延缓沥青老化；但当矿粉掺入量超过一定范围时，胶浆针入度变化率又显下降趋势，说明过量矿粉掺入会降低沥青胶浆抗老化能力。对应的针入度变化率最大的粉胶比为：基质沥青胶浆1.0～1.2，改性沥青胶浆0.8～10。 2.4沥青胶浆化学族组成分析 沥青化学组分分析是将沥青分离为化学性质相近，且与路用性质有一定联系的几种组分。中国目前主要采用4组分分析法[18]。为了研究不同掺量的矿粉对紫外光老化后沥青4组分变化的影响，揭示紫外光老化后沥青胶浆相关性能变化的微观机理，本文利用4组分分析法来评价沥青胶浆紫外光老化后各组分的变化。沥青胶浆4组分分离物见. 通过不同掺量矿粉的沥青紫外光老化前后4组分分离试验结果得出：改性沥青胶浆的沥青质含量小于基质沥青胶浆，说明改性沥青胶浆抗紫外光老化能力大于基质沥青胶浆。在紫外光条件下，不同掺量矿粉对沥青质和胶质影响比较显著，呈先减小后增大的趋势。这主要是由于：胶质含量的变化取决于芳香分向胶质的转化速度与胶质向沥青质的转化速度，适量矿粉的加入吸收了轻组分中的芳香分和饱和分，阻碍了芳香分向胶质的转化过渡，造成胶质含量减少幅度明显；在矿粉加入过量时，胶浆中过多的填料会增加沥青的分散程度，使沥青发生更大程度的老化。同时，过多的矿粉加剧了饱和分和芳香分的聚合反应，生成更多的胶质，增大了胶质向沥青质的转化速度，从而造成胶质含量的增加，最终导致沥青质含量增大。 在紫外光老化后的改性沥青胶浆中，饱和分和芳香分的含量高于基质沥青胶浆。这主要是由于：SBS改性剂的老化会裂解出更多的饱和分和芳香分，且加入过多的矿粉会使沥青老化严重，加快芳香分向胶质的转化，造成芳香分含量减少。因此，可用改性沥青胶浆中饱和分含量的变化反映SBS改性剂的裂解程度。 3结语 通过对紫外光老化后不同粉胶比沥青胶浆的化学组成分析和沥青在紫外光老化前后的物理性能的变化规律可以得出以下结论。 （1）矿粉的加入可明显提高沥青的抗紫外光老化能力；矿粉加入量的不同对沥青抗紫外光老化能力影響不同；加入过量时，会加剧沥青老化。 （2）沥青胶浆抗紫外光老化能力优于沥青，改性沥青胶浆抗紫外光老化能力整体优于基质沥青胶浆；可以用饱和分含量的变化来评价改性沥青胶浆的老化程度。 （3）在紫外光条件下，改性沥青胶浆最佳粉胶比为0.8～1.0，基质沥青胶浆最佳粉胶比为1.0～1.2。 参考文献： [1]庞凌.沥青紫外老化特性的研究[D].武汉：武汉理工大学，2008. 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