摘 要

为了研究水分-老化耦合作用下沥青胶结料各项性能的演化规律，利用自主研制的“水老化”耦合环境作用模拟装置对OGFC-13混合料进行了3个老化时长，5个接触水量，共15种水分-老化耦合环境作用的模拟。在此基础上，对回收沥青进行了FTIR、旋转黏度和表面张力测试，用以表征沥青的老化程度、力学性能以及黏附性发展规律；采用函数拟合、方差分析等方法，定量分析了水分、老化单独作用及其交互作用对回收沥青各项性能的影响。研究结果表明：水分-老化耦合作用对沥青性能的影响会随着老化时长和接触水量的变化而变化，水分-老化耦合作用下，老化时长是沥青羰基指数变化的决定性因素，沥青的黏度变化及表面张力变化主要受接触水量大小的影响沥青网sinoasphalt.com。

关键词

沥青 | 水分-老化耦合作用 | 性能演化 | 函数拟合 | 方差分析

海绵城市建设对于城市生态系统功能的提升以及城市内涝的防治具有重要意义，其中透水路面的铺筑是海绵城市建设中非常重要的环节之一。大孔隙开级配排水式沥青磨耗层(OGFC)由于其良好的渗水、抗压、耐磨、防滑、舒适易维护以及吸音减噪等特点被广泛用作透水路面的面层[1，2]。但是，由于其本身含有大量空隙，材料在外部环境的作用下更易于发生性能蜕化，这极大地降低了OGFC面层的服役寿命。

普遍认为，老化与水损害是导致透水沥青路面性能下降的两个主要因素，研究上述两种因素作用下路面材料的性能演化对于透水沥青路面的耐久性设计具有重要意义。目前已经有许多学者对单一环境因素影响下沥青材料的性能进行了研究，但对于老化-水耦合作用下沥青材料性能演化规律的研究仍不够充分[3-6]。英国诺丁汉大学的研究团队最早对“老化＋水损害”耦合作用下沥青性能的变化进行了系统性研究，并开发了老化-水损害耦合作用系统(SATS(Saturation Aging Tensile Stiffness)系统)[7]。卡凤兰等[8]在对沥青进行压力老化试验(PAV)时加入了水汽，发现水分的存在会加剧沥青的早期老化进程。Xie等[9]对比研究了室内水-光-氧复合老化(1000h，3000h)与长期实地老化3年，5年)后橡胶沥青大孔隙混合料的性能变化，发现水分对PEM混合料性能的影响非常微小。Menapace等[10]利用原子力显微镜研究了包括紫外光辐射、氧气作用、温度以及水分作用的复合环境场下沥青胶结料性能的变化，发现有水存在时沥青结构的变化规律并不明显。上述研究表明，由于水-老化耦合作用的复杂性、试验方法不统一及环境因素水平设置较少且不够精确等原因，水-老化耦合环境作用下沥青材料性能的演化规律仍无法被准确描述。

本研究采用自主研发的“水老化”耦合环境作用模拟装置模拟持续降水情况下热氧老化和水损害对OGFC-13混合料的耦合作用，在改变老化时长的基础上，通过精确控制接触水量设置了15种水分-老化环境作用组合，并将未进行“水老化”耦合环境处理的短期老化试件作为对照。在环境处理完成后，通过阿布森法回收混合料中的沥青，并对回收沥青进行FTIR扫描、旋转黏度测试以及表面张力测试获得回收沥青的各项性能指标。首先通过单因素影响分析初步解释水分-老化耦合作用下回收沥青各项性能的变化规律，在此基础上采用函数拟合、方差分析方法对测试结果进行深入分析，进一步探究水-老化耦合作用对回收沥青各项性能的影响。

1、材料及环境处理系统

1.1试验原材料

本次研究中采用的TPS高黏改性沥青制备工艺为高速剪切法，将70号基质沥青与TAFPACKSuper (TPS)增黏剂倒入保温筒内，在180℃、4500rpm转速下高速剪切45min，随后进行60min中速剪切以保证沥青与增黏剂均匀混合。

TPS高黏改性沥青的基本性能见表1。

本研究所用粗、细集料均为玄武岩，矿粉为石灰岩，在TPS高黏改性沥青制备完成后，按照表2中的级配制备OGFC-13沥青混合料，沥青用量为5.2％，成型试件孔隙率约为20％。

OGFC-13沥青混合料拌和完成后，首先利用恒温烘箱进行了温度为135℃、时长4h的短期老化，后由轮碾仪成型为16块300mm×300mm×50mm的车辙板试件，用于后期环境处理。

1.2“水老化”耦合环境作用模拟装置

本研究所采用的耦合环境作用模拟装置为课题组自主研制，该装置可以同时对试件施加老化和水损害损伤，通过改变老化过程的时长、温度、接触水量等条件，实现对不同情况下路面遭受环境的拟合。该装置的有效性已经在课题组之前的研究中得到充分验证，装置的具体细节及调试过程可参考课题组之前的研究[11，12]。装置的实物及原理图分别如图1(a)和图1(b)所示。

相较于诺丁汉大学研发的老化-水损害耦合作用系统(SATS系统)，该装置在水环境控制方面有较大改进，可实现滴水量的精确控制。滴水量控制系统由滴水板与聚水板等构件组成，通过改变滴水板上开孔的密度即可精确控制下方试件的接触水量，滴水板作用原理如图2所示。不同开孔密度下混合料试件的接触水量如表3所示。在环境处理过程中，滴水系统是持续运行的，对应现实中长时间持续降水情况。

2、研究方案

2.1环境处理方案

将成型后的车辙板试件置于“水老化”耦合环境作用模拟装置中，环境处理过程中温度设置为85℃，控制变量为老化时长(1d，2d，5d)以及试件的接触水量(0.00，32.05，54.82，79.58，∞)mg/(h· c㎡))，参考控制组将未进行“水老化”耦合环境处理的短期老化试件用于对照。本研究共设置了16种环境组合用于研究水-老化耦合作用对沥青胶结料性能的影响。

2.2材料回收及性能测试

本研究采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[13]中Ｔ0722-1993的离心分离法对沥青混合料中的粗集料进行分离，再通过矿粉回收仪除去上一步中回收滤液内的矿粉，最终采用该规程中T0726-2011介绍的阿布森法回收环境老化后的沥青。之后对回收沥青进行傅里叶红外光谱扫描、旋转黏度试验以及表面张力测试，以表征回收沥青的各项性能。傅里叶红外光谱扫描选择衰减全反射傅里叶红外光谱扫描，扫描装置为红外光谱仪(IRTracer -100)，所采用的中红外波长为4000cm^-1至400cm^-1；旋转黏度试验参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[13]中T0625-2011，在此需要特别说明的是，由于高黏沥青模量过高，DSR无法正常测试，故采用旋转黏度表征沥青的力学性能；表面张力测试采用白金板法，试验装置为BZY系列自动表面张力仪，上述3种测试均在150℃温度下进行。

2.3分析方法

(1)首先采用单因素影响分析法对单因素影响下回收沥青各项性能指标的变化规律进行分析，初步解释老化-水分耦合作用对回收沥青各项性能的影响。

(2)采用形如Ｚ＝n0＋n1A＋n2B＋n3AB＋n4A2＋n5B2＋n6A2B＋n7AB2＋n8A3＋n9B3的二元三次多项式函数对老化时长水平-接触水量水平-沥青性能指标进行拟合，式中Z表示沥青的性能指标，A、B分别表示老化时长水平及接触水量水平，ni为各项系数。在进行拟合前首先对老化时长和接触水量两个变量进行归一化处理，消除数据本身大小差异对拟合结果带来的影响。此外，由于浸水条件下接触水量无法量化，并且浸水时水为静态，与其他3种有水条件(动态)不一致，因此在拟合时不使用浸水条件下的数据。在拟合过程中进行方差分析，获得方差分析结果用于进一步评价老化时长／接触水量单独作用以及二者交互作用对沥青性能变化的影响。最终利用拟合函数图像进一步分析预测沥青各项性能随老化时长和接触水量的变化趋势。

3、结果与分析

3.1回收沥青的老化程度分析

羰基指数(CI)被广泛应用于沥青老化程度的定量评价，本文采用该指标探究老化时长与接触水量对沥青老化程度的影响规律[14，15]。羰基指数计算公式如式(1)所示。式(1)中的峰面积均由傅里叶红外光谱扫描试验获得，羰基指数的计算结果如表4所示。

3.1.1单因素对沥青羰基指数的影响

图3展示了回收沥青羰基指数在单一变量影响下的变化趋势。通过图3可以看出，在所有条件下，回收沥青的羰基指数均随着老化时长的增加而增加，且0~2d内羰基指数的增长速率明显高于2~5d，这表明，无论是否有水存在，沥青的氧化老化均会在短期达到较高水平，长期老化过程中老化速率将会变缓；在0~2d内，有水存在的条件下，沥青的羰基指数值及其增长速率均高于纯热氧老化，这表明老化早期水分的存在会促进老化反应的发生，该结论与文献[8]的研究结果相符。在动水条件下，推测是此时车辙板试件内部空隙未被水饱和，不断下渗的水流对试件内部氧气产生了动水压力，最终加速了沥青的老化反应过程。而浸水条件下老化1d后沥青的羰基指数出现了大幅提高与常规认知相悖，这表示在试件浸水且表面有一定水头时，沥青的老化可能会更加剧烈，但具体的机理还需要进一步研究。在长期老化(2~5d)过程中，除54.82mg/(h· c㎡)水量条件外，其他有水存在条件下沥青的羰基指数增长速率均低于纯热氧老化，并且在老化5d时，有水存在条件下沥青的羰基指数也均低于纯热氧老化。从试验过程观察到的结果可以看出，导致该现象的原因是持续的降水导致车辙板试件内部空隙被水饱和，在水量较大的情况下，车辙板表面甚至会存在积水现象，此时车辙板内部有限的氧气被消耗完全，而无法顺利下渗的水流又阻碍了外部空气的进入，这在很大程度上抑制了热氧老化反应的发生。

通过图3还可以看出,每条折线拐点出现的时间不司。在低接触水量条件下(0,32 05,54 82)mg/(h·c㎡))1~2d的炭基指数增长速率与 0~1d相比基本相等甚至更高，拐点在2d出现，而在高接触水量条件下(79. 85,0)mg/(h·c㎡)),拐点在1d时就已经出现，并且长期老化过程中炭基指数几乎不再增长这与之前的分析相吻合，也即在接触水量较高时，试件被饱和所需时间更短，从而图像拐点出现更早，在老化后期水对于老化的抑制作用也更加明显。而接触水量较低时羰基指数的变化情况则表明，动水压力对老化的促进作用以及水不断填充空隙对老化的抑制作用存在复杂的竞争关系，也即单位时间、单位面积上接触水量越高，动水压力作用越强，同时水填充试件空隙的速度越快，并且动水压力主要作用于早期，而水不断填充空隙对老化的抑制作用在后期更加明显。这就说明存在一个接触水量临界值使得该接触水量条件下，水对于沥青的老化始终具有促进作用。观察图3(a)不难发现，该接触水量值应该位于54.82mg/(h·c㎡)附近，在54.82mg/(h·c㎡)水量条件下，沥青短期及长期老化的速率都要高于纯热氧老化，但对沥青老化的促进作用在早期更加明显。图3(b)表明，在动水条件下，老化时间相同时，沥青的羰基指数随着接触水量的增加均呈现先增加后减小的趋势，即在54.82mg/(h·c㎡)处出现峰值，更直观地表明该水量条件处于接触水量的临界值附近。

3.1.2沥青羰基指数的函数拟合及方差分

采用2.3节分析方法中描述的二元三次多项式回归方程对所测试验数据进行拟合，得到老化时长水平(因素A)、接触水量水平(因素B)与响应值(羰基指数CI)间的函数关系，如式(2)所示。在回归过程中同时进行了方差分析，方差分析结果如表5所示。

表5展示了回归过程中的方差分析结果。由图5发现，模型整体的P值为0.0701，略大于0.05，结合拟合函数的相关系数(R^2＝0.8148＜0.9)，模型整体拟合效果较差，但仍具有一定可信度。模型各项中，B、A2以及B3等3项P值在0.1附近，显著程度相对较高，而所有的交互项显著程度均较低，该结果表明老化时长和接触水量单一变量对回收沥青羰基指数的影响作用更加显著，两者的交互作用对回收沥青羰基指数的影响程度较弱。去掉现有模型中非显著项(P值＞0.29)后重新进行拟合，得到优化后羰基指数与老化时长、接触水量的拟合函数关系式为：

模型优化后羰基指数回归过程的方差分析结果如表6所示。此时模型整体极其显著，说明该模型拟合效果较好，此外，模型中老化时长(A)也表现极其显著，优于其他3项，这表明水老化之后回收沥青的羰基指数主要受老化时长的影响，这与试验数据结果中所有条件下回收沥青的羰基指数均随着老化时长的增加而增加的现象相符合。此外，有水条件下的CI~老化时长曲线的变化趋势与纯热氧老化情况下曲线的变化趋势高度一致，这同样证明了接触水量对回收沥青羰基指数的影响有限，老化时长才是该指标的主要影响因素。

模型优化后回收沥青羰基指数的拟合函数图像及等高线图分别如图4(a)和图4(b)所示。图4(a)和图4(b)均直观地表现出羰基指数主要随老化时长的增加而增大，此外，根据拟合函数计算得到羰基指数极大值对应的接触水量约为51.97mg/(h·c㎡)。该水量与本研究试验中设置的54.82mg/(h·c㎡)水量条件非常接近，后续研究可以在该水量条件附近展开，进一步探究水分-老化耦合作用对沥青老化程度的影响。

3.2回收沥青的力学性能分析

本研究选用黏度指标表征不同环境处理后沥青的力学性能，通过旋转黏度试验测试了每种环境老化后沥青150℃时的黏度，试验结果如表7所示。表7中的结果表明，浸水老化1d时，回收沥青的黏度最大(6633.33Pa·s)，而在79.58mg/(h·c㎡)水量条件下老化5d后，沥青的黏度最小，为2783.33Pa·s。为了分析环境处理条件对沥青黏度的影响，绘制沥青黏度随单一环境因素变量的变化趋势图，如图5(a)和图5(b)所示。

3.2.1单因素对沥青旋转黏度的影响

图5(a)为回收沥青黏度随老化时长的变化规律，在纯热氧老化条件下(接触水量为0)，回收沥青的黏度随老化时间的增长持续增加，符合老化使沥青黏度增大的一般规律。在有水存在的条件下，老化1d 后，沥青的黏度值都出现了较大幅度的提高并且均高于纯热氧老化1d后沥青的黏度。这与沥青老化程度的变化趋势一致,这表明有水条件下沥青黏度的快速增加是沥青的加速老化导致的，但该加速效应的持续时间较短。由图5(a)可知，有水存在条件下老化1~2d，回收沥青的黏度值出现了大幅下降，并且与0~1d沥青黏度的增长相比，下降的幅度与之相同甚至更大。根据此时沥青的老化程度变化分析，水在填充试件空隙的过程中不断抑制老化的发生，沥青黏度增长的加速效应也不断减弱而沥青黏度出现下降则表明该情况下水的存在不仅会抑制沥青老化，还会对沥青的力学性能产生额外的负面影响,并且该额外影响占主导作用。从长期角度看，在有水存在条件下，老化5d的沥青黏度值均低于纯热氧老化,除 32.5mg/(h·c㎡)水量条件外，其余3种高水量条件沥青的黏度值均低于未老化沥青,并且三者非常接近。这同样表明水分的长期存在对沥青的黏度值有不利影响，并且可能存在一个水量饱和值使得高于此水量条件下长期水老化后沥青的黏度值达到相同水平。

回收沥青黏度随接触水量的变化规律如图5(b)所示。由图5(b)可看出，在动水条件下(32.05、54.82、79.58mg/(h·c㎡))，相同老化时长，沥青的黏度均随接触水量的增大而减小，这说明在接触水量较高时，水量越多，对于沥青黏度的负面影响越明显。

3.2.2沥青旋转黏度的函数拟合及方差分析

采用上文中同样的方法对回收沥青150℃时的旋转黏度进行了拟合，最终得到150℃黏度与老化时长、接触水量的拟合函数关系式为。

由表8可知，Ｂ，AB，B2，AB2，B3项对沥青黏度值的影响是显著的，其中B，B2，B3等3项的P值都小于0.02，显著程度更高。这些模型项均与接触水量有关，这表明接触水量是回收沥青黏度变化的主要影响因素，接触水量与老化时长的交互作用也对沥青的黏度值有较大影响，这与上文中试验数据的分析结果高度一致。从图6(a)沥青黏度的拟合函数图像可以看出，在试验设置的自变量区间内，存在沥青黏度的极大值和极小值，根据拟合方程求解得到老化0d、接触水量为28.56mg/(h·c㎡)时沥青的黏度有极大值，为4926.81Pa·s；而当老化时长为3.93d、接触水量为70.74mg/(h·c㎡)时，沥青黏度存在极小值，为2187.54Pa·s，极值点数值为试验条件的进一步细化设置提供了参考。

图6(b)绘制了拟合方程的等高线图，通过该图可以明显地看出沥青黏度值的分布状况。图6(b)表明，在较低范围的接触水量条件下，短期老化会大幅提高沥青的黏度，而长期在高水平接触水量条件下老化的沥青，其黏度值将大幅降低，这与试验结果非常一致。

3.3回收沥青的黏附性分析

为了研究沥青在水分-老化耦合作用过程中黏附性能的变化，本研究采用表面张力对沥青的黏附性能进行表征，表面张力测试数据见表9。

3.3.1单因素对沥青表面张力的影响

根据表9中的试验结果绘制回收沥青表面张力随单一变量的变化趋势图，如图7所示。由图7(a)可以看出，在所有水量条件下，随着老化时间的增长，回收沥青的表面张力基本呈增加趋势，这表明无论是否有水参与，老化都有利于沥青表面张力的增长。此外，水量条件对于回收沥青表面张力增长趋势的影响十分显著，在动水条件下，较高的接触水量((54.82，79.58)mg/(h·c㎡))会在老化早期显著提高表面张力的增长速率，但1d后，表面张力的增长速率就下降到与纯热氧老化相同水平，甚至更低。而在较低的动水条件下((32.05)mg/(h·c㎡))，水分的参与会使老化早期沥青的表面张力降低，1~2d时恢复增长，但在2d后，增长速率就会下降，并且低于纯热氧老化时沥青表面张力的增长速率。对于静水(即浸水)条件，整个老化过程中沥青表面张力的增长速率变化不大，图像近似一条直线，但其增长速率同样呈现出先增加后减小的趋势，并且在长期老化过程中表面张力的增长速率同样低于纯热氧老化。上述现象表明，低强度的持续降水对于沥青本身的黏附性始终存在不利影响，浸水或高强度的降水在短期内可能会大幅提高沥青自身的黏附性，但在长期老化过程中会对沥青自身的黏附性产生不利影响。

回收沥青表面张力随接触水量的变化趋势如图7(b)所示。随着接触水量的增加，沥青的表面张力均表现出先减小后增大再减小的变化趋势，这表明接触水量对沥青表面张力的影响更加复杂，水对于沥青表面张力的影响机理以及二者之间具体的变化关系还需要进一步研究。

3.3.2沥青表面张力的函数拟合及方差分析

为了深入研究老化时长、接触水量以及二者之间交互作用对沥青表面张力的影响，同样采用二元三次多项式回归方程对所测试验数据进行拟合，并在回归过程中进行方差分析，方差分析结果如表10所示。最终得到表面张力与老化时长、接触水量的拟合函数关系式：

表10中的结果表明，模型整体显著，并且相关系数接近于1，这表明模型拟合效果较好。模型各项中，B，B2，B3等3项Ｐ值均小于0.01，这表明接触水量是沥青表面张力的主要影响因素，同时P(B2)≈P(B3)＜P(B)，接触水量高次项对于表面张力的影响更加显著，这与前文的分析结果相符合，即接触水量对沥青表面张力的影响更加复杂。两影响因素交互项的P值均较高，并且大于单一因素项的P值，这表明两影响因素的交互作用对沥青的表面张力变化的贡献较小。

表面张力拟合函数图像及等高线图分别如图8(a)和图8(b)所示。图8(a)表明，在所设置的变量范围内，存在表面张力的极大值和极小值，根据函数关系式求解得到接触水量为67.10mg/(h·c㎡)，老化时长为4.41d时，表面张力有极大值为26.53ｍN/m；当接触水量为16.10mg/(h·c㎡)，老化时长为0.12d时，表面张力有极小值为13.72ｍN/m。图8(b)更直观地表示出沥青表面张力随老化时长及接触水量的变化情况，沿近似对角线方向沥青表面张力增长速率最快，这表明在任一老化时长下，都有一个特定的接触水量值使得沥青表面张力的增长速率在该条件的水老化耦合作用下达到最快，并且该接触水量值与老化时长近似呈正线性相关关系。上述结论是根据已有试验数据得到的大致规律，仍需进一步补充试验对该规律进行更加具体的描述。

4、结语

本研究采用自主研发生产的“水老化”耦合环境作用模拟装置对OGFC-13沥青混合料试件进行了15种环境组合作用处理，基于旋转黏度测试、FTIR扫描以及表面张力测试3种试验测试手段，利用单因素影响分析、函数拟合以及方差分析3种分析方法研究了回收沥青力学性能、老化程度以及黏附性随环境因素的变化规律，得到的主要结论如下。

(1)在持续降水情况下，水分-老化耦合作用对沥青各项性能的影响会随着老化时长及接触水量大小发生变化，对于不同的性能，变化规律也不相同。

(2)老化早期，水分-老化耦合作用会促进老化反应发生，同时促进沥青黏度的增长；在长期老化过程中，水分-老化耦合作用有利于抑制沥青进一步老化，但会对沥青的力学性能产生负面影响，并且该负面影响会随着接触水量的增大而增大。

(3)在较高的接触水量条件下，水分-老化耦合作用对于沥青表面张力增长的影响表现为前期促进，后期抑制；随着老化时长的增加，存在一个随之增加的接触水量值使得在该接触水量值对应的水分—老化耦合作用下，沥青的表面张力增长最快。

(4)方差分析结果表明，相较于接触水量和接触水量-老化时长交互作用，老化时长对水分-老化耦合环境下沥青羰基指数的影响最为显著，并且该影响接近线性；接触水量是水分-老化耦合环境下沥青黏度变化的主要影响因素，接触水量与老化时长之间的交互作用稍次之；水分-老化耦合环境下沥青表面张力的变化主要受接触水量的影响，并且影响关系是非线性的。

(5)上述结论均基于持续降水情景，在其他降水情景下，所得结论可能会大不相同。考虑降水对试件空隙的填充作用，为了模拟更加真实的降雨过程，同时充分体现水分-氧气的共同作用，间断降水条件下沥青性能的演化将作为下一步研究的重点。