陳 波，徐成桂

（1.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院 資源勘查與土木工程系，四川 樂山 614000；2.成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，四川 樂山 614000）

前 言

伴隨我國交通事業(yè)迅猛發(fā)展，作為優(yōu)良路面膠結(jié)材料的瀝青消耗總量逐年增加，為緩解全球石油能源枯竭，油砂瀝青作為一種新型非常規(guī)石油資源得到了廣泛應(yīng)用[1，2]。油砂瀝青是高硫、低酸、高金屬、高瀝青含量的歸屬特稠油范圍的油品，具備低溫性能較好、蠟含量低等優(yōu)質(zhì)特點(diǎn)，是生產(chǎn)道路瀝青的一種優(yōu)質(zhì)原料。但是油砂瀝青在攪拌、運(yùn)輸、公路鋪設(shè)以及公路使用過程中，會不可避免地產(chǎn)生老化現(xiàn)象，影響油砂瀝青公路承載性能以及使用壽命[3，4]。

國外對油砂瀝青公路承載性能研發(fā)始于1950年，如多倫多大學(xué)的Dads首次研究將纖維應(yīng)用于瀝青混合料中，用于預(yù)防瀝青路面的反射裂縫。1962年通過對瀝青混合料進(jìn)行不同溫度的測試發(fā)現(xiàn)熱氧老化的存在。我國是1990年以后隨著對瀝青混合料意識的加強(qiáng)，研究在瀝青混合料中加入纖維，增加熱氧老化的抗性。

熱氧老化是油砂瀝青的最主要老化方式之一，其存在于油砂瀝青公路鋪設(shè)前后以及公路投入使用的各個階段。油砂瀝青熱氧老化分為描述瀝青混合材料在攪拌、運(yùn)輸、公路鋪設(shè)過程中產(chǎn)生老化的短期熱氧老化和公路在實(shí)際服役過程中受環(huán)境因素以及車輛荷載影響下產(chǎn)生老化的長期熱氧老化[5]。油砂瀝青熱氧老化后，輕組分減少，重組分增多，改變了自身膠體結(jié)構(gòu)，會直接影響油砂瀝青公路的承載性能[6]。伴隨高分子化學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，用途不同，材料各異的抗老化劑相繼產(chǎn)生，亦是油砂瀝青公路采取的抗熱氧老化能力的主要方式。其中受阻胺類抗老化劑具備捕獲自由基、單線態(tài)氧功能以及分解氫過氧化物的作用，可顯著提升高分子材料耐老化性能，阻止油砂瀝青進(jìn)一步熱氧老化[7～9]。

低溫環(huán)境下，溫度會對油砂瀝青公路混合料性能產(chǎn)生極大影響，但目前低溫對油砂瀝青材料的彎拉性能等影響公路承載力的相關(guān)研究較少[10，11]。本文利用油砂瀝青混凝土進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，分析不同熱氧老化程度的油砂瀝青在不同低溫條件下的破壞彎曲應(yīng)變性能，評價油砂瀝青公路承載性能，并通過在油砂瀝青中加入受阻胺類抗老化劑，分析不同含量的受阻胺抗老化劑加入后，長期熱氧老化對油砂瀝青公路承載性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)用原材料

試驗(yàn)用油砂瀝青為長煉70#油砂瀝青，選自內(nèi)蒙古扎賚特旗圖牧吉油砂礦產(chǎn)；礦粉和集料分別采購于三友兄弟非金屬有限公司和若豪保溫材料有限公司；受阻胺類抗老化劑選自北京加成助劑研究院生產(chǎn)的GW-944。油砂瀝青性能指標(biāo)如表1所示，集料物理性能指標(biāo)如表2所示，受阻胺類抗老化劑GW-944質(zhì)量指標(biāo)如表3所示。

表1 油砂瀝青性能指標(biāo)Table 1 The performance index of the oil sand asphalt

表2 集料物理性能指標(biāo)Table 2 The physical performance index of the aggregate

表3 受阻胺類抗老化劑GW-944質(zhì)量指標(biāo)Table 3 The quality index of hindered amine antiaging agent GW-944

1.2 試件制備

將油砂瀝青分成兩份，一份直接進(jìn)行熱氧老化模擬，另一份加熱融化后，利用剪切機(jī)高速攪拌，并在油砂瀝青中加入油砂瀝青含量的0、0.3%、0.5%、0.7%的受阻胺類抗老化劑GW-944，攪拌20min，置于溫度為70℃恒溫干燥箱中，自流平形成油砂瀝青薄膜，選用澳大利亞IPC公司生產(chǎn)的型號為UTM-25試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)為試驗(yàn)設(shè)備，利用《公路工程瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)尺寸，棱柱體小梁試件尺寸大小為250mm×30mm×35mm，跨徑大小為200mm。試件制作完成后，采用熱氧老化模擬試驗(yàn)方法進(jìn)行試件熱氧老化。

1.3 熱氧老化模擬試驗(yàn)方法

1.3.1 短期熱氧老化

采用RTFOT模擬油砂瀝青短期熱氧老化過程。遵循《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T0610，于室內(nèi)條件下，采用小型拌合機(jī)拌制油砂瀝青混合料，并依據(jù)21～22kg/m2松鋪系數(shù)將油砂瀝青混合料均勻鋪設(shè)于搪瓷盤中，放置于溫度設(shè)定條件為135℃±3℃烘箱中，在強(qiáng)制通風(fēng)環(huán)境下加熱4h，加熱過程中每間隔1h翻拌一次，加熱完成后取出，完成短期熱氧老化試驗(yàn)[12]。

1.3.2 長期熱氧老化

長期熱氧老化用于模擬油砂瀝青路面服役過程中的老化過程，采用PAV方式進(jìn)行模擬。在短期熱氧老化基礎(chǔ)上，依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T0702-2011，進(jìn)行混合料成型[13]，并于常溫條件下自然冷卻6h，冷卻充分后脫模處理，置于恒溫烘箱中，在強(qiáng)制通風(fēng)條件下，加熱溫度為85℃±3℃，加熱5d，完成長期熱氧老化試驗(yàn)。

1.4 小梁彎曲試驗(yàn)

模擬車輛荷載作用下，油砂瀝青混凝土路面承載能力。分析油砂瀝青公路彈性層狀可知，在面層厚度達(dá)到13cm時，荷載重復(fù)作用可顯著增長面層應(yīng)變，迅速增至路面斷裂，符合應(yīng)力控制模式[14]。

試驗(yàn)開始之前，將熱氧老化完成的油砂瀝青混凝土小梁試件置于環(huán)境箱中，同時實(shí)施4h以上的保溫，試驗(yàn)溫度選擇-15℃和-35℃，使用常應(yīng)變進(jìn)行加載，速率維持在5.5mm/min。實(shí)驗(yàn)中若油砂瀝青混凝土小梁達(dá)到最大彎拉強(qiáng)度，即視其達(dá)到極限承載力，此時認(rèn)為該試件被破壞[15]。根據(jù)小梁試件尺寸大小，計(jì)算油砂瀝青混凝土小梁破壞時的印象公路承載性能的彎拉強(qiáng)度KB、彎拉應(yīng)變ωB以及彎曲勁度模量FB，計(jì)算式分別如下：

式中，j、b分別表示試件跨中斷面試件高度、寬度，單位為mm；QB、G、d分別表示時間破壞時的最大荷載（N）、試件跨度（mm）、時間破壞時的跨中撓度。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱氧老化時間對油砂瀝青常規(guī)性能影響

熱氧老化時間對油砂瀝青部分常規(guī)性能影響結(jié)果如表4所示。

表4 熱氧老化時間對油砂瀝青部分常規(guī)性能影響結(jié)果Table 4 The effect of thermal oxidative aging time on the conventional performance of oil sand asphalt

分析表4數(shù)據(jù)可知，伴隨熱氧老化時間的增加，油砂瀝青的針入度下降、軟化點(diǎn)溫度上升、135℃黏度增加、10℃、15℃延度減小。結(jié)果表明，隨著熱氧老化時間增加，油砂瀝青常規(guī)性能均呈現(xiàn)惡化態(tài)勢，說明熱氧老化對油砂瀝青混合料性能影響很大。

2.2 不同溫度下，熱氧老化時間對試件破壞時彎拉強(qiáng)度影響

-15℃、-35℃條件下，模擬熱氧老化影響試件彎拉強(qiáng)度的結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同溫度下熱氧老化時間對試件彎拉強(qiáng)度影響Fig.1 The effect of thermal oxidative aging time on the bending tensile strength of specimens at different temperature

從圖1可以看出，小梁彎曲破壞試件在-15℃、-35℃兩種溫度條件下產(chǎn)生的彎拉強(qiáng)度破壞趨勢。伴隨熱氧老化時間增加，試件彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，即在短期熱氧老化時間內(nèi)，彎拉強(qiáng)度增長，超出短期熱氧老化時間達(dá)到長期熱氧老化時間，彎拉強(qiáng)度降低，且該變化程度較為緩慢。彎拉強(qiáng)度變化趨勢在-15℃、-35℃兩種溫度條件下的變化大致相同。伴隨熱氧老化時間增加，相比于-15℃，-35℃溫度下的試彎拉強(qiáng)度更高；同等熱氧老化程度下，試件處于-35℃溫度下的彎拉強(qiáng)度更強(qiáng)。

2.3 不同溫度下，熱氧老化時間對試件破壞時最大彎拉應(yīng)變的影響

-15℃、-35℃條件下，模擬熱氧老化影響試件最大彎拉應(yīng)變的結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同溫度下熱氧老化時間對試件最大彎拉應(yīng)力影響Fig.2 The effect of thermal oxidative aging time at different temperature on the maximum bending stress of the specimen

分析圖2可知，同等熱氧老化條件下，-15℃溫度條件下的最大彎拉應(yīng)力是-35℃溫度條件下最大彎拉應(yīng)力的1.05倍左右。說明溫度越低，試件最大彎拉應(yīng)力越小，承載性能越差。同等溫度下，隨著熱氧老化時間增加，試件最大彎拉應(yīng)變減小，分析產(chǎn)生該種現(xiàn)象的原因可能是由于油砂瀝青的膠結(jié)材料老化而形成的，熱氧老化條件下，油砂瀝青膠質(zhì)含量下降，輕質(zhì)組分揮發(fā)減少，重質(zhì)組分含量增加，導(dǎo)致油砂瀝青膠結(jié)料彈性增強(qiáng)，黏性降低。若處于溫度較低環(huán)境下，油砂瀝青膠結(jié)料會呈現(xiàn)較大脆性，此時若施加外界荷載，抗剪切和抗彎拉性能變差，承載性能降低。油砂瀝青膠結(jié)料的熱氧老化縮小了油砂瀝青混合料自身即與石料間的粘結(jié)力，產(chǎn)生斷裂現(xiàn)象，降低彎拉應(yīng)變。

2.4 不同溫度下，熱氧老化時間對試件破壞時彎曲勁度模量的影響

-15℃、-35℃條件下，模擬熱氧老化影響試件彎曲勁度模量的結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同溫度下熱氧老化時間對試件彎曲勁度模量影響Fig.3 The effect of thermal oxidative aging time on the bending stiffness modulus of specimens at different temperature

從圖3可以看出，溫度一定前提下，熱氧老化前的試件彎曲勁度模量小于熱氧老化開始后，且伴隨熱氧老化時間逐漸增加，試件彎曲勁度模量逐漸上升，彎曲勁度模量與熱氧老化階段間呈現(xiàn)顯著指數(shù)變化關(guān)系。不同溫度條件下，熱氧老化方式對應(yīng)的回歸方程為S'=axebt，其中b的取值區(qū)間為0.157～0.239，即短期熱氧老化與長期熱楊老化方式的溫度與試件彎曲勁度模量之間變化趨勢大致相同。

2.5 GW-944對試件延度影響

圖4 不同GW-944含量下試件延度Fig.4 The ductility of specimen with different GW-944 contents

圖5 不同GW-944含量下試件延度增加幅度Fig.5 The increase range of ductility of specimen with different GW-944 contents

油砂瀝青延度指標(biāo)變化是是評價熱氧老化程度對油砂瀝青試件承載性能重要指標(biāo)之一。且油砂瀝青公路路面開裂與低溫延度具備相關(guān)性。不同含量的受阻胺抗老化劑GW-944作用下，油砂瀝青15℃延度變化情況如圖4所示，延度增加幅度變化情況如圖5所示。

分析圖4、圖5可知，受阻胺抗老化劑GW-944的添加對熱氧老化前的試件低溫延度影響較小，伴隨GW-944的添加含量的增加，延度嘴邊變化為6mm，GW-944的添加含量為0.3%、0.7%時，延度變化幅度分別為-0.81%、0.30%。受阻胺抗老化劑GW-944的添加對熱氧老化后的試件低溫延度改善效果顯著，伴隨GW-944的添加含量的增加，延度呈現(xiàn)出先增大后減小，在GW-944的添加含量為0.5%時延度最大，為91mm，延度提升36%左右。結(jié)果表明受阻胺抗老化劑GW-944的添加改善了熱氧老化油砂瀝青的低溫性能，增強(qiáng)了油砂瀝青試件承載能力。原因在于油砂瀝青的熱氧老化過程中，受阻胺抗老化劑吸收光并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榈踝杂苫龠M(jìn)了油砂瀝青再生以及穩(wěn)定功能，有效阻止油砂瀝青的熱氧老化。

3 結(jié) 論

本文研究了熱氧老化對油砂瀝青公路承載性能的影響，通過一系列試驗(yàn)可得出以下結(jié)論：

（1）隨著熱氧老化時間增加，油砂瀝青試件常規(guī)性能均呈現(xiàn)惡化態(tài)勢；

（2）-15℃和-35℃兩種溫度條件下，伴隨熱氧老化時間增加，可顯著影響試件承載性能，其中試件彎曲強(qiáng)度先增大后減小、最大彎拉應(yīng)變減小、彎曲勁度模量增加；且同等熱氧老化程度下，試件處于-35℃溫度下的彎拉強(qiáng)度更強(qiáng)，最大彎拉應(yīng)力較小，彎曲勁度模量較大。

（3）受阻胺抗老化劑在GW-944的添加含量為0.5%時，對油砂瀝青再生以及穩(wěn)定功能達(dá)到最佳狀態(tài)，顯著提升熱氧老化后的試件延度增強(qiáng)試件承載性能。