王浩胜 马 颜 孙长江 孙连宏

（苏交科集团检测认证有限公司，江苏 南京211112）

经济社会的发展离不开基础设施建设的助推，自1988 年政府工作报告将交通运输基础设施建设列为重点以来，中国公路建设高速期已经持续了30 年的时间，中国公路更是经历了两次突飞猛进地发展[1-3]。沥青路面在服役期间受荷载作用和自然环境（水、热、光照、氧化等因素）综合作用，会产生老化现象，其力学性能在使用过程中将呈现衰减趋势。当沥青路面达到疲劳极限时其功能性将丧失，直接表现为路面裂纹、龟裂、坑槽、沉陷、松散、车辙等病害[4-5]。因此沥青老化问题对于道路领域是一个重要的课题，基于此，本文研究老化对沥青常规物理性能和流变性能的影响。

1 老化沥青常规物理性能

三大指标和粘度是沥青胶结料的常规性能检测试验，因为其对设备要求较低，实验操作简便，是目前研究沥青胶结料物理性能的常用手段。针入度实验能够反映沥青的粘滞性，针入度越大，表明沥青的粘滞性越差。针入度试验标准条件为温度25℃，荷重100g，贯入时间5s。在报告针入度试验结果时，要求同一试样3 次平行试验结果的最大值和最小值之差在规定允许误差范围内，计算3 次试验结果的平均值，取整数为针入度试验结果，以0.1mm 计。软化点试验可以测定沥青胶结料的高温性能，软化点大的沥青高温稳定性较好。环球法是常用的软化点试验方法，同一试样进行两次平行试验，在允许误差范围内取其平均值作为软化点试验结果，单位为℃。延度试验的目的主要是测定各类沥青胶结料可塑性，规范规定的试验环境下延度测试值越大，沥青的塑形则越好，反之越差。本文选取的延度试验条件为温度25℃，拉伸速度5cm/min±0.25cm/min，在误差范围内取三次平行实验的平均值作为延度试验结果，单位为cm。粘度试验能够反映沥青在实验温度下抵抗变形的能力，是说明沥青粘滞性的物理性能参数，与路用性能关系紧密，通过测试不同温度下的粘度建立粘温曲线可以确定沥青混合料的拌合和压实温度。目前常用布洛克菲尔(Brookfild)粘度计测定沥青胶结料在45℃以上的表观粘度，观测沥青胶结料在试验温度下的粘度变化，当小数点后面2 位读数稳定后，在每个试验温度下，每隔60s 读数一次，连续读数3 次，以3 次读数的平均值作为测定值，单位为帕斯卡秒(Pa·s)。本节通过对不同老化程度沥青（0#原样基质沥青、老化时间为85min 的70#R85 沥青、老化时间为170min 的70#R170 以及老化时间为340min 的70#R340）的三大指标及粘度进行测试分析，初步评价老化对沥青的影响，结果如表1。

表1 沥青常规性能实验结果

由表1 可知随着老化程度的增加沥青针入度减小，软化点提高，延度降低，粘度变大，说明老化会使沥青变脆，对沥青的低温性能产生不利影响，老化沥青的软化点比普通沥青大，虽然表面上老化提高沥青的高温性能，但说明其轻质油分蒸发，沥青质含量增加，胶体结构被破坏，对沥青整体性能不利。

2 老化沥青的流变特性

沥青作为一种典型的粘弹性材料，同时展现出弹性和粘性特征，其变形性和流动性受应力、温度、时间等多个因素的影响，因此，针入度、软化点及延度等指标仅能在一定程度上反映道路沥青的路用性能，存在试验温度区间狭窄、试验精度较差等不足。美国SHRP 计划将流变学试验引用到沥青胶结料研究领域，同时建立了superpave 沥青试验规范，实验结果精度高、各指标更符合沥青实际工作环境，与路用性能相关性好。动态剪切流变仪(DSR)是研究沥青流变性能的常用实验方法，其工作原理是将沥青夹在一个固定板和一个可以左右震荡的震荡板之间，通过测试震荡板在震荡过程中沥青的应力和应变反应而测定沥青的流变性能，本文通过温度扫描对不同程度老化沥青进行动态剪切流变试验，温度扫描实验参数设置如下：平行板尺寸为25mm，平行板间距1mm，实验采用应力控制模式，应力值为0.12Pa，实验频率为10rad/s，从46℃开始扫描，温度间隔为6℃，当试验温度下G*/sinδ≤1.0kpa时测试停止。通过DSR 可以测试得到反映沥青材料粘弹性指标的复数模量(G*)和相位角(δ)，通过G*和δ 可以计算出沥青的车辙因子(G*/sinδ)，G*/sinδ 越大，沥青抗永久变形能力越强。

2.1 基于DSR 试验复数模量和相位角分析

由图1 可以看出，基质沥青、老化沥青的复数模量与相位角随温度的变化趋势一致，随着温度的升高，沥青的复数模量不断降低，相位角持续变大。说明沥青经过老化处理不会对其粘弹特性这一本质属性造成改变，仅使得沥青复数模量及相位角的具体数值产生变化。沥青复数模量及相位角随温度变化的原因在于温度的升高会增大沥青的自由体积，从而导致其状态慢慢发生改变，即是由低温条件下的高弹态逐步转化为高温时的粘流态。温度升高会使沥青由硬变软，复合剪切模量降低；换个角度来看，温度升高会使沥青材料粘弹性质当中的粘性成分增加，弹性成分减小，从而使沥青材料的相位角增大，极端情况就是当材料为弹性体时，其相位角为0°，而当材料变为粘性流体时，其相位角为90°。根据图可知，同一温度下，随着老化程度的加重，沥青复数模量明显增大，相位角降低，表明老化会使沥青由软变硬，沥青中弹性比例增大，粘性成分降低。原因在于沥青老化的过程中存在轻质组分的挥发并生成了强极性的物质，老化程度越高，沥青中的化学结构组成变化越大，造成沥青复数模量的增大及相位角的降低，宏观表现为沥青变得硬而脆。但随着温度的升高，不同老化程度沥青的复数模量及相位角差异减小。

图1 老化对基质沥青复数模量及相位角的影响

图2 老化对沥青车辙因子的影响

2.2 基于DSR 试验车辙因子分析

图2 为基质沥青、老化沥青的车辙因子与温度的关系曲线图。随着温度的升高，基质沥青、老化沥青的车辙因子均逐渐减小，沥青的流动变形增大，抗车辙能力减弱。

图2 为不同老化程度沥青车辙因子与温度关系图，同一温度下，随着老化时间的延长，沥青车辙因子增大，即沥青老化越严重，流动变形越小，抗车辙能力越强，沥青具有更好的高温稳定性。随着试验温度的升高，不同老化程度沥青的车辙因子差异明显减小。依据Superpave 规范，原样沥青G*/sinδ≥1.0kPa，为方便对比，本文以G*/sinδ 达到1.0 kPa 时对应的温度为抗车辙极限温度，见表2。

表2 沥青的抗车辙极限温度

由表2 可知，沥青抗车辙极限温度随老化程度增大而提高，说明老化使沥青变硬，流动变形减小，达到相同的流动状态时需要更高的温度条件。

2.3 基于DSR 试验Tanδ 分析

Tanδ 为损耗模量与储能模量的比值，用于表征沥青的粘弹特性，Tanδ 越大则沥青的粘性分量越大。图3 为基质沥青、老化沥青的Tanδ 与温度的关系曲线图，可以发现沥青的Tanδ 均随着温度的升高而不断增大，其变化特征为前期较缓，后期增速较快，表明温度升高会增大沥青的粘性分量，使沥青更多表现出粘性特征。由图3 可知，相同温度下，沥青老化程度越重，其Tanδ 越小，且随着温度的升高，不同老化程度沥青的Tanδ 差异变大。说明沥青在老化过程中，粘性成分不断减少，流动性能减弱，弹性分量增加，沥青更多的表现出弹性特征，使沥青变硬变脆。

3 结论

3.1 随着老化程度的增加沥青针入度减小，软化点提高，延度降低，粘度变大，说明老化会使沥青变脆，对沥青的低温的低温性能产生不利影响，沥青老化后其轻质油分蒸发，沥青质含量增加，胶体结构被破坏，对沥青整体性能不利。

3.2 随着老化程度的加重，沥青复数模量明显增大，相位角降低，表明老化会使沥青由软变硬，沥青中弹性比例增大，粘性成分降低。沥青老化的过程中存在轻质组分的挥发并生成了强极性的物质，老化程度越高，沥青中的化学结构组成变化越大，造成沥青复数模量的增大及相位角的降低，宏观表现为沥青变得硬而脆。

3.3 随着老化时间的延长，沥青车辙因子增大，即沥青老化越严重，流动变形越小，抗车辙能力越强，沥青具有更好的高温稳定性。

3.4 发现沥青的Tanδ 均随着温度的升高而不断增大，其变化特征为前期较缓，后期增速较快，表明温度升高会增大沥青的粘性分量，使沥青更多表现出粘性特征。沥青老化程度越重，其Tanδ越小，沥青在老化过程中，粘性成分不断减少，流动性能减弱，弹性分量增加，沥青更多的表现出弹性特征，使沥青变硬变脆。

图3 老化对沥青Tanδ 的影响