沥青老化及老化预测模型的研究进展

刘 燕 沈菊男

(苏州科技大学道路工程研究中心，江苏 苏州 215011)



沥青老化及老化预测模型的研究进展

刘 燕 沈菊男

(苏州科技大学道路工程研究中心，江苏 苏州 215011)

介绍了沥青老化在国内外的研究现状，并分析了预测沥青老化寿命的非线性方程在国内外的研究进展，指明了国内现有沥青老化研究的局限性，为类似问题的深入研究提供参考。

沥青，老化速率，非线性方程，微观性能

1 沥青老化国内外研究进展

沥青老化的评价试验方法分为相应的两种方式，即短期和长期老化。表1整理了近10年来研究者对沥青老化的研究。

从表1国内外学者的研究中可以发现，老化沥青的性能包括微观组成结构和动态流变性能。有学者利用IR从微观角度研究沥青老化后化合物(羰基和羧基)的含量变化；利用AFM研究沥青老化后微观表面的粗糙度和平整度；利用四组分分析老化前后四组分的含量变化；利用GPC试验所得的LMS参数研究沥青老化后的分子大粒径变化；还有对低温抗裂和粘度等力学性能的研究。

但是，国内外关于沥青老化因素的研究主要是直接选用沥青进行室内模拟老化，这些模拟老化条件主要集中在光、热、氧和水单一或二者耦合的作用，没有考虑热、氧、光和水等多种气候环境因素的耦合作用，这与实际的沥青老化条件相差太大。

2 沥青老化非线性模拟的国内外研究进展

2.1 国外研究现状

早在1995年，美国试验与材料学会(ASTM)提出了沥青一般老化模型：

loglogη=A+VTSlogTR。

1995年，Norman W. Garrick[9]认为，氧化过程取决于沥青分子和氧气分子的相遇几率，采用如下的非线性微分方程描述：

x(t)=(Lx0)/[1+(L-1)e-rt]。

其中，x(t)为t时刻两种分子的结合程度；x0为x的初始值；L，r均为常数。

表1 近10年对沥青老化的研究

2015年，Ye Fen[10]等选用3%,3.5%,4%的SBS改性沥青，温度从170 ℃到30 ℃，每20 ℃为一级，取相应温度的沥青试样中间一小部分迅速降温至零下以保住其稳定的微观结构，然后采用荧光显微镜分别观测其微观结构图。在直观的图片中可以发现，SBS改性剂(白色部分)随着温度的降低会呈现聚集的趋势，随后采用MATLAB将图片划分为若干个很小的网格，统计每个网格中白色部分所占的像素数并计算统计频次，这样就获得了像素数的平均值μ与方差σ2，并选取标准差与平均值的比值Vσ来表征SBS颗粒的离散程度。研究最终提出了一个普遍方程Vσ=ae-bT(a,b>0)用来表征SBS沥青微观结构特征指标与温度的定量关系。

2.2 国内研究现状

纪小平[12]试图应用微分方程去描述沥青性能在外界条件作用下的老化，并且量化了沥青老化过程中的两个参数：老化速率和最终老化程度。

郑南翔[13]认为，沥青的老化过程主要是由两个官能团的接触机会决定的。根据这个假设，可以认为沥青在老化开始时刻的性能的改变率是最大的，随着老化的进行，官能团之间的接触程度越来越高，最终老化速率将趋于零。式(1)可以用来描述沥青的老化规律。

x′(t)=ax(t)-bx2(t)

(1)

其中，x(t)为t时刻的沥青性能；x′(t)为沥青性能在t时刻的改变率；a,b均为常数。

令a=r，a/b=K，将式(1)写成式(2)，以更好的描述老化方程：

x′(t)=rx(t)[1-x(t)/K]

(2)

将式(2)分离变量，得此微分方程的解：

x(t)=K/(1+Ce-rt)

(3)

其中，C为常数。

假设沥青在初始时刻(t=0)的性能为x0，则将t=0代入式(3)，得：

C=(K/x0)-1

(4)

将式(4)代入式(3)，得到：

x(t)=K/[1+(K/x0-1)e-rt]

(5)

令K=Lx0，这个方程可以进一步的简化为：

x(t)=(Lx0)/[1+(L-1)e-rt]

(6)

其中，r,L均为常数。

纪小平[12]采用基质沥青进行不同时间的RTFOT。以未老化的沥青性能为初始时刻的沥青性能，以老化450min的沥青性能为沥青的最终性能，得到预测沥青老化的非线性微分方程。最后比较发现，理论方程与实验值之间有很好的拟合程度，说明沥青的室内老化可以通过方程x(t)=(Lx0)/[1+(L-1)e-rt]来模拟。

康宏伟，谭学章[14]采用的模拟方程依然是x(t)=(Lx0)/[1+(L-1)e-rt]，选用SBS改性沥青，分别进行不同时间的RTFOT，再测定其针入度、5 ℃延度、软化点、135 ℃粘度指标。最后，以老化时间t为自变量，沥青性能指标为因变量，建立起用来预测沥青老化时间的非线性微分方程。通过对试验值与老化方程理论计算值之间的相关性分析，发现其相关性系数均在0.9以上，从而验证了该方程用于预测沥青老化寿命的可靠性。

3 结语

国外动态反映沥青老化程度的方程多为线性、对数或指数方程，这类方程的缺点是只能反映沥青老化程度而不能反映其老化速率。国内学者采用的非线性方程基本都为x′(t)=ax(t)-bx2(t)，这个方程的一个非常有用的特性是它能被方程两边的x的初始值x0常态化，方程的常态化模型能够解决有不同初始值的系统模型。但是，国内现有研究的局限性在于：

1)室内模拟老化试验，如RTFOT,60 ℃通风烘箱老化试验，这些模拟试验的条件只考虑了热、氧两个因素，既没有考虑热、氧、光和水等多种气候环境因素的耦合作用，也没有考虑沥青混合料特性(沥青膜厚度、孔隙率和矿料)对沥青老化的影响。

2)测定的老化后沥青指标为针入度、软化点、粘度和延度，这些指标都是沥青的常规指标，而对于沥青老化的微观性能(如羰基、沥青质、胶质、油分的含量)和高温蠕变、疲劳、低温抗裂等力学性能指标，并没有以此建立的模型。

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Research progress of asphalt aging and aging prediction model

Liu Yan Shen Junan

(CenterforRoadEngineeringResearch,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou215011,China)

The paper introduces the research status of the asphalt aging at home and abroad, analyzes the non-linear equation of predicting the asphalt aging lifespan at home and abroad, and points out the limitation of the asphalt aging in China, so as to provide some reference for the deeper research on the similar problems.

asphalt, aging rate, non-linear equation, micro-performance

1009-6825(2017)14-0108-03

2017-03-06

刘 燕(1992- )，女，在读硕士； 沈菊男(1962- )，男，博士，教授

TU535

A