何海波

(廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

目前，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，公路建設(shè)也取得了跨越式的成就。由于瀝青路面比水泥路面具有行車舒適、維修快捷等優(yōu)勢(shì)，我國現(xiàn)有高速公路中約有94%使用瀝青混凝土路面。但隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，瀝青混凝土路面的承載能力現(xiàn)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前交通量的要求，同時(shí)在各種外界環(huán)境綜合作用下，路面出現(xiàn)不同程度的多種病害，如裂縫、松散、車轍等。普通瀝青路面在當(dāng)前公路工程應(yīng)用中的表現(xiàn)不容樂觀，為滿足交通發(fā)展需求，改性瀝青得到了大量的推廣應(yīng)用，其中，屬天然瀝青改性瀝青混合料的應(yīng)用尤為廣泛。作為一種常用的路面材料，其老化性能會(huì)在自然環(huán)境和行車荷載的反復(fù)作用下隨著時(shí)間的推移而改變。瀝青混合料的老化主要可分成兩個(gè)階段：瀝青混合料的短期老化，主要是指瀝青在一系列施工過程中造成的老化；瀝青混合料的長期老化，主要指瀝青在路面通車階段受到自然環(huán)境影響造成的老化，其中環(huán)境因素主要包括熱、氧、光照、交通荷載等。瀝青混合料的老化降低了瀝青路面的變形能力，并在自然環(huán)境與行車荷載的長期共同作用下容易開裂形成網(wǎng)狀裂縫，直接影響道路的使用壽命。因此，研究瀝青混合料的老化性能，對(duì)提高瀝青路面的使用質(zhì)量與使用壽命意義重大。

美國的SHRP計(jì)劃曾對(duì)瀝青混合料的老化性能進(jìn)行了大量研究工作，從而提出了一種模擬瀝青路面實(shí)際使用過程的室內(nèi)老化試驗(yàn)方法。在此基礎(chǔ)上，我國現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)同樣給出了瀝青混合料室內(nèi)模擬老化試驗(yàn)方法。因此，本文按照現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程對(duì)瀝青混合料進(jìn)行模擬老化試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行短期熱氧老化試驗(yàn)，采用短期老化瀝青混合料的抗車轍性能評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能。當(dāng)瀝青路面鋪筑完成以后，在自然界的長時(shí)間作用下，在光、氧、熱等因素的催化下，因?yàn)r青膠結(jié)料發(fā)生的物理化學(xué)老化而導(dǎo)致瀝青路面使用性能降低的過程稱為長期老化。在瀝青老化過程中，瀝青中所含的特征官能團(tuán)發(fā)生結(jié)構(gòu)性的變化，烷基側(cè)鏈會(huì)隨著老化反應(yīng)而逐漸斷裂，所含的小分子化合物逐漸揮發(fā)，芳碳含量逐漸增加，大量氧化產(chǎn)物生成，從而導(dǎo)致瀝青中四組分(飽和分、芳香分、膠質(zhì)、瀝青質(zhì))含量發(fā)生變化，瀝青膠體結(jié)構(gòu)也因此受到改變，導(dǎo)致瀝青物理指標(biāo)發(fā)生變化(軟化點(diǎn)升高、針入度降低、黏度增加)，并最終影響瀝青混合料的路用性能。因此，研究瀝青混合料的抗熱氧老化性能就顯得尤為重要。

1 試驗(yàn)方案

1.1 短期熱氧老化模擬試驗(yàn)

本試驗(yàn)依照現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程中熱拌瀝青混合料的加速老化試驗(yàn)方法(T0734-2000)來開展熱拌瀝青混合料的老化試驗(yàn)。具體操作如下：先在室內(nèi)用小型拌合機(jī)拌制好松散的瀝青混合料，然后將其均勻攤鋪在搪瓷盤中，注意嚴(yán)格控制松鋪系數(shù)的范圍在21～22 kg/m2之間，然后將混合料放入在溫度設(shè)定為135±3 ℃的烘箱中，保證烘箱在強(qiáng)制通風(fēng)條件下加熱4 h±5 min，在加熱期間每1 h翻拌一次瀝青混合料。瀝青混合料的短期老化所需加熱時(shí)間為4 h，當(dāng)加熱時(shí)間達(dá)到4 h后取出，即完成模擬試驗(yàn)，可利用該瀝青混合料開展后續(xù)試驗(yàn)工作。

1.2 長期熱氧老化模擬試驗(yàn)

長期老化室內(nèi)試驗(yàn)是指模擬路面在使用期內(nèi)的全部老化過程，試驗(yàn)采用壓實(shí)瀝青混合料。繼續(xù)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中熱拌瀝青混合料加速老化試驗(yàn)方法(T0734-2000)開展熱拌瀝青混合料的老化試驗(yàn)，先進(jìn)行短期熱氧老化，然后按照現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程中瀝青混合料試件制作方法(T0702-2011)進(jìn)行混合料的成型。成型后的試件在常溫條件下自然冷卻6 h，充分冷卻后脫模，放入恒溫烘箱，強(qiáng)制通風(fēng)，溫度控制為85±3 ℃，持續(xù)加熱5 d，即完成長期老化模擬試驗(yàn)，可利用該瀝青混合料開展后續(xù)試驗(yàn)工作。

2 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

2.1 熱氧老化對(duì)瀝青混合料高溫性能影響

我國現(xiàn)行的施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定，瀝青混合料的高溫抗車轍性能采用車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)來評(píng)定，高溫性能好則表明在同等溫度及荷載條件下瀝青混合料產(chǎn)生的永久變形小。瀝青混合料為粘彈性材料，溫度較低條件下，表現(xiàn)為彈性；溫度較高條件下，表現(xiàn)為黏性。在較高溫度條件下，瀝青混合料的高溫抗車轍性能降低，在車輛重復(fù)荷載作用下，瀝青混合料表現(xiàn)出永久變形(車轍)、推移及泛油等病害，嚴(yán)重影響瀝青路面的路用性能。馬歇爾試驗(yàn)過程的兩個(gè)主要參數(shù)(馬歇爾穩(wěn)定度和流值)不是評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能的直接指標(biāo)，與瀝青混合料高溫抗車轍性能的相關(guān)性較差。公路工程瀝青及瀝青混合試驗(yàn)規(guī)范與美國SHRP計(jì)劃都是采用通過車轍試驗(yàn)來評(píng)估瀝青混合料的高溫抗車轍性能。

按照《公路工程瀝青及瀝青混合試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的瀝青混合料試件制作方法(輪碾法)(T0703-2011)成型車轍試件，其混合料試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。試件成型后，需要在常溫條件下放置12 h 以上，然后再進(jìn)行車轍試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為60 ℃，壓強(qiáng)為0.7±0.05 MPa，實(shí)驗(yàn)過程中試驗(yàn)輪的往返速度為42±1次/min，試驗(yàn)時(shí)間為1 h。瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度以試驗(yàn)過程的最后45～60 min階段瀝青混合料的永久性應(yīng)變來計(jì)算。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如表1和圖1所示：

表1 不同天然瀝青摻量條件下的車轍試驗(yàn)對(duì)比表

圖1 不同天然瀝青摻量條件下的車轍試驗(yàn)對(duì)比曲線圖

從圖1可以看出：熱氧老化前，在90#基質(zhì)瀝青中添加天然瀝青后，動(dòng)穩(wěn)定度明顯呈現(xiàn)一個(gè)增長的趨勢(shì)。與基質(zhì)瀝青混合料相對(duì)比可發(fā)現(xiàn)：當(dāng)巖瀝青摻量分別是4%、8%以及12%時(shí)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)應(yīng)提升了18.3%、31.5%和39.8%；當(dāng)TLA摻量為20%、30%及40%時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了25.7%、39.8%和48.3%。這說明添加天然瀝青(TLA與巖瀝青)能大幅提高混合料的抵抗變形能力，改善其高溫穩(wěn)定性。從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)可以看出：熱氧老化試驗(yàn)前后，基質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度增加34.2%；而TLA改性瀝青混合料與巖瀝青改性混合料的動(dòng)穩(wěn)定度雖然也有所增加，但增加幅度小于基質(zhì)瀝青混合料的增加幅度；并且隨著天然瀝青摻量的增加，天然瀝青改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的增長幅度是不斷下降的。當(dāng)巖瀝青摻量為4%、8%和12%時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度提高了28.5%、23.4%、19.2%；而TLA摻量為20%、30%及40%時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度分別提高了22.4%、17.1 %和13.4%。天然瀝青改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的增長幅度小于基質(zhì)瀝青混合料的增長幅度，表明天然瀝青的添加，能有效地抑制瀝青混合料在熱氧老化過程的硬化，提高瀝青混合料的抗熱氧老化性能。

2.2 熱氧老化試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料的低溫性能作用分析

本文根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中瀝青混合料彎曲蠕變?cè)囼?yàn)(T0728-2000)，通過測試抗彎拉強(qiáng)度、破壞應(yīng)變及勁度模量來研究天然瀝青改性瀝青混合料長期老化前后的低溫穩(wěn)定性能。根據(jù)我國現(xiàn)階段適用的公路瀝青與瀝青混合料的試驗(yàn)規(guī)程，低溫彎曲試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能，梁式試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，試驗(yàn)儀器為萬能材料試驗(yàn)機(jī)MTS-810，試驗(yàn)過程加載速率為50 mm/min，試驗(yàn)溫度為-10±0.5 ℃。試驗(yàn)過程記錄瀝青混合料的最大破壞荷載，從而計(jì)算瀝青混合料的抗彎強(qiáng)度(RB)；依據(jù)瀝青混合料試件破壞時(shí)的跨中點(diǎn)的撓度值計(jì)算彎拉應(yīng)變(εB)。RB、εB和瀝青混合料的彎曲勁度模量(SB)分別依據(jù)如下公式計(jì)算。不同天然瀝青摻量下的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果見下頁表2和圖2。

式中：RB為試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度(MPa)；L為試件的跨徑，mm；PB是瀝青混合料的梁式試件在臨界破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的最大荷載(N)；b為瀝青混合料梁式試件跨中處的斷面寬度，mm；h為瀝青混合料梁式試件跨中處的斷面高度，mm；d是在試件受到破壞時(shí)的跨中撓度，mm；SB為瀝青混合料試件破壞時(shí)的彎曲勁度模量，MPa ；εB為試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變?chǔ)苔拧?/p>

表2 不同天然瀝青摻量條件下的低溫彎曲試驗(yàn)對(duì)比表

圖2 不同天然瀝青摻量條件下的低溫彎曲試驗(yàn)對(duì)比曲線圖

由表2和圖2可以看出：

(1)在基質(zhì)瀝青中摻入不同比例的天然瀝青之后，破壞應(yīng)變都會(huì)逐漸降低，當(dāng)天然瀝青的摻量比例逐漸增多時(shí)，破壞應(yīng)變呈現(xiàn)一個(gè)逐級(jí)遞減的規(guī)律，可知與基質(zhì)瀝青混合料比較而言，天然瀝青混合料的低溫性能會(huì)受到影響變差。

(2)參照比較熱氧老化試驗(yàn)過程前后的破壞應(yīng)變數(shù)值，試驗(yàn)后的瀝青混合料破壞應(yīng)變會(huì)比之前低，由表2數(shù)據(jù)可知，減少了15.4%，但是巖瀝青混合料在外界摻量不一樣的情況(20%、30%、40%)時(shí)，對(duì)應(yīng)減少了9.6%、7.5%、5.9%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明：基質(zhì)瀝青混合料對(duì)應(yīng)的破壞應(yīng)變變化幅度大于天然瀝青混合料，說明天然瀝青的摻入會(huì)顯著改善其低溫性能。

(3)比較巖瀝青改性瀝青混合料和TLA改性瀝青混合料在相應(yīng)的摻量梯度中，可以發(fā)現(xiàn)：在各自對(duì)應(yīng)的梯度中，巖瀝青改性瀝青混合料的破壞應(yīng)變下降趨勢(shì)大于TLA改性瀝青混合料，說明TLA改性瀝青混合料的抗熱氧化能力要優(yōu)于巖瀝青改性瀝青混合料。

3 結(jié)語

(1)本文開展了瀝青混合料的光老化試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上，研究其光老化后的高低溫性能，實(shí)驗(yàn)成果可為高原地區(qū)瀝青混合料評(píng)價(jià)與選擇提供依據(jù)。

(2)天然瀝青能夠提高瀝青混合料的抗熱氧老化性能；同時(shí)天然瀝青的添加可以改善其低溫性能。

(3)熱氧是瀝青混凝土老化的重要影響因數(shù)，尤其是在夏季酷熱地區(qū)溫度高，很容易誘使瀝青混凝土發(fā)生老化，從而導(dǎo)致瀝青路面的使用壽命減少。因此，如何提高瀝青混合料的抗熱氧老化性能，延長路面的服役壽命，具有十分重要的意義。