低碳减排热拌沥青混合料研究（基于吸附及锁固效应南疆沙漠地区沥青混合料抑老化技术及性能评价）

低碳减排热拌沥青混合料研究（基于吸附及锁固效应南疆沙漠地区沥青混合料抑老化技术及性能评价）在过去很长一段时间，采用抗老化剂是抑制沥青老化效应的常规措施。但是抗老化剂材料一般由轻组分材料组成，直接应用过程中往往在高温条件下其自身会发生显著分解，影响了后期抗老化功能，所以近年来该类抗老化剂的应用逐渐减少[4 5 6]。为了解决南疆沙漠地区沥青材料显著老化问题，中交路桥建设有限公司、中交路桥南方工程有限公司和吉林大学组成联合攻关团队，采用另辟蹊径的研究方案，基于多孔矿物材料对轻质组分的吸附效应、锁固效应开发沥青抑老化技术措施，从而提升该地区沥青路面的耐久性。南疆(新疆天山以南地区)沙漠地区夏季温度普遍高于国内其他地区。经过前期调研可知，在此地区夏季高温时段内路表温度可达70℃左右。基于前期对该地区沥青材料老化规律的研究可以发现，沥青的老化效应十分显著，路面材料的耐久性将承受巨大的考验。关键词：南疆沙漠地区;沥青抑老化;硅藻土;吸附及锁固效应;定量评价;基金：中国交建集团科研项目，项目

基于吸附及锁固效应的南疆沙漠地区沥青混合料抑老化技术及性能评价

韩四红 陈久灿 邢昌柱 赵群 郑传峰

中交路桥南方工程有限公司 中交路桥建设有限公司 吉林大学建设工程学院

摘 要：基于微观多孔矿物材料对沥青中轻质组分的吸附及锁固效应开发沥青混合料抑老化技术措施。经过方案比选确定该项研究中应用的多孔矿物材料为硅藻土粉末，将一定比例的硅藻土粉末与沥青结合料混合制备具有抑老化功能的沥青胶浆材料。基于沥青的4组分比例测试、沥青软化点测试、沥青玻璃态转化温度测试及沥青混合料低温力学性能测试等技术环节，对该项研究中提出的沥青抑老化技术的工作性能进行定量评价。定量评价的研究结果充分表明，富含微观孔隙的硅藻土材料通过其对沥青结合料中芳香分和饱和分的吸附和锁固效应可以延缓沥青老化，与常规老化的沥青及沥青混合料相比，应用此种抑老化措施的沥青混合料在强度大小、应变大小及峰值效应恢复等方面具有显著提升作用，沥青及沥青混合料具备了显著的抑老化功能。沥青抑老化技术的开发对提升南疆沙漠地区沥青路面的耐久性具有一定的意义。

关键词：南疆沙漠地区;沥青抑老化;硅藻土;吸附及锁固效应;定量评价;

基金：中国交建集团科研项目，项目编号3R2210135424;国家自然科学基金项目，项目编号51508223;

因为沥青混合料具备较好的服役性能，所以该种材料是当前高等级公路路面材料的首要选择形式[1]。与水泥混凝土材料不同，沥青混合料在外界光、氧等环境因素作用下会发生老化，即沥青中的轻质组分(芳香分与饱和分)比例会持续降低，沥青质和胶质等组分比例会持续升高，沥青性能将会发生不同程度的衰减效应，进而导致沥青路面的耐久性变差[2 3]。

南疆(新疆天山以南地区)沙漠地区夏季温度普遍高于国内其他地区。经过前期调研可知，在此地区夏季高温时段内路表温度可达70℃左右。基于前期对该地区沥青材料老化规律的研究可以发现，沥青的老化效应十分显著，路面材料的耐久性将承受巨大的考验。

在过去很长一段时间，采用抗老化剂是抑制沥青老化效应的常规措施。但是抗老化剂材料一般由轻组分材料组成，直接应用过程中往往在高温条件下其自身会发生显著分解，影响了后期抗老化功能，所以近年来该类抗老化剂的应用逐渐减少[4 5 6]。为了解决南疆沙漠地区沥青材料显著老化问题，中交路桥建设有限公司、中交路桥南方工程有限公司和吉林大学组成联合攻关团队，采用另辟蹊径的研究方案，基于多孔矿物材料对轻质组分的吸附效应、锁固效应开发沥青抑老化技术措施，从而提升该地区沥青路面的耐久性。

1 试验材料

本项研究中采用的沥青结合料为SBS改性沥青。在实验室内采用SBS改性沥青标准制备流程，通过剪切、溶胀及发育等技术环节制备成品SBS改性沥青，其基本性能参数如表1所示。本项研究充分关注沥青的老化性能，所以在试验开始之前采用4组分分离试验对SBS改性沥青中沥青质、胶质、芳香分和饱和分的各自比例进行了测试。4组分的各自比例如表2所示。

研究中采用的硅藻土选自吉林省长白县，外观为白色(见图1)。对其参数指标进行了技术检测，检测结果如表3所示。本项研究中将借助于硅藻土丰富的内部孔隙结构实现对沥青结合料中芳香分和饱和分的吸附和锁固，并最终实现沥青抑老化效应。硅藻土微观孔隙的电镜扫描结果如图2所示。将硅藻土粉末材料与SBS改性沥青进行混合，在实验室

表1 沥青结合料基本性能参数

沥青类别	针入度0.1mm针入度0.1mm	延度cm延度cm	软化点℃软化点℃	黏度Pa⋅s黏度Ρa⋅s
SBS 改性沥青	71.5	84.4	59.3	2.115

表2 SBS改性沥青4组分比例

%

沥青类别	沥青质	胶质	重质组分 (沥青质 胶质)	饱和分	芳香分	轻质组分 (饱和分 芳香分)
SBS改性 沥青	8.1	30.4	38.5	21.9	39.6	61.5

内采用高速剪切机对混合物进行充分剪切，使得硅藻土材料均匀分散到SBS改性沥青中。综合考虑常规外掺材料的添加比例上限和硅藻土的密度问题，本项研究中硅藻土的掺量为沥青质量的6%并最终制备具有抑老化功能的SBS改性沥青胶浆。

图1 硅藻土外观形态特征

表3 硅藻土性能参数

参数	pH值	比表面积/(m2/g)	含水率/%	烧失量/%	SiO2含量/%	Al2O3含量/%	Fe2O3含量/%
参数值	7.5	26.4	4.8	1.7	82.82	5.40	1.62

图2 硅藻土微观孔隙结构电镜扫描结果[7]7]

2 试验方案2.1沥青结合料抑老化性能对比试验

为了评价文中提出的基于吸附和锁固效应的沥青抑老化技术措施的有效性，研究过程中进行了3个类别沥青样本的制备，分别为常规SBS改性沥青样本、长期老化SBS改性沥青样本及含有硅藻土的SBS改性沥青长期老化样本。通过分析上述3类沥青样本技术性能的差异性，对文中提出的沥青抑老化技术措施进行客观评价。

3类沥青样本制备完成以后，通过4组分分离试验对3类样本各自沥青质、胶质、芳香分和饱和分的比例进行测试分析，观察3类沥青样本组分比例的差异。沥青组分比例的差异表征沥青不同的老化状态，文中提出的基于吸附和锁固效应的沥青抑老化技术将有效降低沥青结合料中轻质组分(芳香分和饱和分)的散失，从而实现沥青抑老化效果。

沥青老化以后其软硬程度会出现变化，沥青的软化点将会出现比较直观的差异[8] 所以本项研究中将软化点作为评价沥青老化程度的一项试验内容。研究过程中将3类沥青的软化点进行直观比对，评判文中提出的抑老化措施的工作性能。

玻璃态转化温度是沥青结合料一项重要的技术性能，近年来已经受到普遍关注[9 10]。沥青老化以后，其玻璃态转化温度(Tg)对应发生显著变化，随着沥青老化程度的加深，沥青向玻璃态转化的时机将提前，所以该项评测指标可以清晰地判定沥青的老化程度，并可直观反映沥青抑老化技术措施的有效性[11 12 13]。

2.2沥青混合料技术性能对比试验

沥青老化状态的强弱将最终通过沥青混合料的路用性能反映出来，本项研究中为了最终评测文中提出的沥青抑老化技术措施的应用可行性，开展了沥青混合料技术性能的系统性分析。采用的混合料级配为SMA-13骨架密实型级配，沥青结合料的添加比例为集料质量的5.8%。测试的具体工作包含如下内容：基于沥青混合料弯曲试验测试混合料极限弯曲破坏强度和极限弯曲破坏应变；基于马歇尔圆柱体标准试件测试混合料的劈裂强度；基于冻融劈裂试验测试混合料的水稳定性。

3 试验结果与分析3.1沥青结合料抑老化性能试验结果

常规SBS改性沥青、长期老化SBS改性沥青及本项研究中应用硅藻土制备完成的具有抑老化功能的SBS改性沥青经过长期老化处理后沥青质、胶质、芳香分和饱和分各自比例如表4所示。3类沥青样本的软化点和玻璃态转化温度测试结果的比较见图3、图4。

表4 3类沥青样本长期老化前后4组分比例测试结果

%

沥青类别	沥青质	胶质	重质组分	饱和分	芳香分	轻质组分
			沥青质 胶质			饱和分 芳香分
SBS改性沥青(未老化)	8.1	30.4	38.5	21.9	39.6	61.5
SBS改性沥青(长期老化处理)	16.4	41.9	58.3	14.8	26.9	41.7
抑老化SBS改性沥青(长期老化处理)	13	36.1	49.1	15.7	35.1	50.8

图3 3类沥青样本长期老化前后软化点比较

图4 3类沥青样本长期老化前后玻璃态转化温度比较

基于3类沥青沥青质、胶质、芳香分和饱和分的组分比例测试结果可知，SBS改性沥青经过长期老化后，轻组分的比例下降32.1% 应用本项研究中的抑老化技术其轻组分比例的下降程度为17.3% 直观地表明掺入沥青结合料中的硅藻土材料对沥青轻组分材料具备吸附和锁固效应，并具备显著的沥青抑老化功能。

经过长期老化处理以后，SBS改性沥青的软化点由初始状态(未老化)时的59.3℃提升至68.1℃ 沥青硬化效应明显。但是应用硅藻土材料以后，即使同样对SBS改性沥青进行长期老化处理，其软化点只是提升到63.2℃ 说明本项研究中采用的沥青抑老化技术可以延缓软化点的提升，同样说明本项技术具备显著抑老化效果。沥青老化以后，达到玻璃态的温度时机会提前。3类沥青样本玻璃态转化温度的对比数据表明，SBS改性沥青未老化前玻璃态转化温度为-19.4℃ 进行长期老化处理以后玻璃态转化温度显著升高为-12.1℃ 表明这种状态下沥青结合料很容易达到脆硬状态，对结合料性能将产生显著不利影响。但是本项研究中开发的沥青抑老化技术使得沥青结合料的玻璃态转化温度又向低温处延后3.8℃ 改善了沥青结合料的低温性能，间接表明硅藻土材料的应用可以具备较好的抑老化效应。

3.2沥青混合料技术性能对比试验结果

对3类不同沥青混合料分别测试了不同温度条件下极限弯曲破坏强度、极限弯曲破坏应变、弯曲应变能密度、劈裂强度、TSR值(冻融劈裂强度比)等，试验结果如表5～表7所示。3类沥青混合料上述力学性能参数的比较关系如图5～图8所示。

表5 3类沥青混合料样本在不同温度条件下弯曲试验测试结果

沥青 类别	-10℃强度参数		−10℃应变能密度kJ⋅m−3-10℃应变能密度kJ⋅m-3	-20℃强度参数		−20℃应变能密度kJ⋅m−3-20℃应变能密度kJ⋅m-3	-30℃强度参数		−30℃应变能密度kJ⋅m−3-30℃应变能密度kJ⋅m-3
	强度MPa强度ΜΡa	应变×10−6应变×10-6		强度MPa强度ΜΡa	应变×10−6应变×10-6		强度MPa强度ΜΡa	应变×10−6应变×10-6
SBS改性沥青(未老化)	8.32	1 258	4.82	13.14	878	7.25	5.38	621	3.15
SBS改性沥青(长期老化处理)	7.14	749	3.11	6.25	631	2.47	3.29	457	1.88
抑老化沥青(长期老化处理)	7.84	971	4.03	9.38	757	4.48	4.97	548	2.41

表6 3类沥青混合料样本在不同温度条件下劈裂试验测试结果

沥青类别	−10℃劈裂强度MPa-10℃劈裂强度ΜΡa	−20℃劈裂强度MPa-20℃劈裂强度ΜΡa	−30℃劈裂强度MPa-30℃劈裂强度ΜΡa
SBS改性沥青(未老化)	1.67	2.48	1.16
SBS改性沥青(长期老化处理)	1.37	1.03	0.74
抑老化SBS改性沥青(长期老化处理)	1.49	1.53	0.97

表7 3类沥青混合料样本水稳定性测试结果

沥青类别	冻融处理前后劈裂 强度加权平均值/MPa		TSR值/%
	冻融处理	未冻融处理
SBS改性沥青(未老化)	1.18	1.29	91.3
SBS改性沥青 (长期老化处理)	0.74	0.99	74.9
抑老化SBS改性沥青 (长期老化处理)	0.88	1.11	79.3

图5 3类沥青混合料极限弯曲破坏强度比较

图6 3类沥青混合料极限弯曲破坏应变比较

图7 3类沥青混合料弯曲应变能密度比较

图8 3类沥青混合料劈裂强度比较

对于沥青混合料的强度而言，比如本项研究中测试的沥青混合料极限弯曲破坏强度与劈裂强度，当沥青处于未老化状态时，其强度随着温度降低会在-20℃左右出现一个强度峰值，这是一个普遍的强度变化规律[14 15]。由于未老化SBS改性沥青其玻璃态转化温度为-20℃左右(本项研究中为-19.4℃) 当温度低于该温度时，沥青和沥青混合料达到脆性状态，强度出现快速衰减。当老化效应与低温环境耦合在一起时，该峰值效应消失，极限弯曲破坏强度和劈裂强度都出现接近于直线型的衰减。本项研究中SBS改性沥青经过长期老化作用后，其强度与温度的对应关系满足上述普遍规律。但是当混合料中采用本项研究提出的抑老化技术措施以后，明显能看到混合料力学性能的改善效果，直接体现在两个方面：一为强度大小有显著提升；二为强度随温度的变化规律又重新出现峰值效应。这说明文中采用的沥青抑老化技术发挥了显著功能。

一般而言，沥青混合料的极限弯曲破坏应变都会随着温度的降低而持续降低[16 17]。 本项研究中得出的试验规律与上述普遍规律一致，同时通过数据对比可以发现，应用本项研究开发的沥青抑老化技术措施以后，混合料的极限弯曲破坏应变有显著提升。将沥青混合料极限弯曲破坏强度和极限弯曲破坏应变统一到一起，即采用沥青混合料弯曲应变能密度评价混合料低温性能以后，前述中提到的强度提升和峰值恢复效应都很明显。基于沥青混合料水稳定性的测试结果可知，采用本文开发的沥青抑老化技术措施以后，相比于经过长期老化的沥青混合料，其水稳定性也呈现相应幅度的提高。

4 结语

本项研究基于南疆沙漠地区沥青路面由于老化而导致耐久性不足的工程现状，通过系统的技术分析开发了一种工作原理清晰、技术性能显著的沥青及沥青混合料抑老化技术措施，得出如下研究结论：

(1)在南疆沙漠炎热地区，伴随着沥青的老化，沥青中芳香分和饱和分等轻质组分的比例持续降低，沥青呈现脆硬化趋势，沥青路面的耐久性将经受考验，开展沥青抑老化技术措施十分必要；

(2)硅藻土矿物粉末材料自身富含大量的微观孔隙，该种孔隙可以吸附沥青结合料中的轻质组分并实现锁固效应，降低沥青老化过程中轻质组分的散失，从而起到抑制沥青老化的作用；

(3)基于沥青组分比例、沥青软化点、沥青玻璃态转化温度、混合料极限弯曲破坏强度、混合料极限弯曲破坏应变、混合料弯曲应变能密度、混合料劈裂强度及TSR值等测试分析，可以证明本项研究开发的沥青抑老化技术措施对抑制沥青老化效应、延缓沥青老化进程有显著效果；

(4)本项研究中开发的沥青抑老化技术对提升南疆沙漠地区沥青路面的耐久性具有一定的作用。

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