□文/王 軍

瀝青由瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、輕組分等有機(jī)化合物組成，瀝青質(zhì)更易與氧反應(yīng)并產(chǎn)生羰基和亞砜化合物，從而導(dǎo)致瀝青老化。但瀝青老化過程的量化與表征極具挑戰(zhàn)性。本文擬通過研究瀝青混合料的拉伸強(qiáng)度與老化之間的關(guān)系，對瀝青老化行為進(jìn)行分析，其中，不考慮瀝青化學(xué)老化與混合料老化之間的關(guān)系。

瀝青混合料施工拌和及鋪筑過程中，瀝青在高溫作用下與氧發(fā)生反應(yīng)，這種現(xiàn)象被稱為短期老化。路面在服役過程中，瀝青與氧氣繼續(xù)反應(yīng)，則為長期老化。短期老化和長期老化都可以根據(jù)AASHTOR 30—2002《熱混瀝青（HMA）的混合條件》在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行模擬。將松散的瀝青混合料在154℃下加熱2 h或在135℃烘箱內(nèi)放置4 h，可以模擬試驗(yàn)室下短期老化。將制備的瀝青混凝土試件在85℃烘箱中處理120 h（5 d）來模擬長期老化。很多研究人員深入研究了短期和長期老化對瀝青流變性能的影響[1～6]；但是，主要集中于瀝青和瀝青混合料的流變性質(zhì)，瀝青老化對混合料間接拉伸強(qiáng)度的影響，尚未開展深入研究。

間接拉伸強(qiáng)度對現(xiàn)場老化研究具有深遠(yuǎn)的意義?；趶?qiáng)度準(zhǔn)則，間接拉伸強(qiáng)度可以確定瀝青混合料與路面開裂性能相關(guān)的材料拉伸性能，即較高的間接拉伸強(qiáng)度可以等同于更高的抗開裂性能。而且，間接拉伸強(qiáng)度是橫向裂縫模型中的重要輸入?yún)?shù)；也是瀝青路面抗低溫開裂性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，間接拉伸強(qiáng)度作為主要設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，其獲取方式均由室內(nèi)試驗(yàn)來確定。但是，服役期間間接拉伸強(qiáng)度將受到瀝青老化、水損害、凍融等多因素的影響。已有研究水分對瀝青混合料拉伸強(qiáng)度的影響[7～11]；凍融對瀝青混合料抗拉強(qiáng)度的影響[12]。然而，使用間接拉伸強(qiáng)度評價(jià)老化效應(yīng)的研究很少看到。

本文擬通過間接拉伸試驗(yàn)研究長期老化（長期烘箱老化、現(xiàn)場老化）、短期老化對瀝青混合料間接拉伸強(qiáng)度和流值的影響。

1 長期老化研究

1.1 材料和試件準(zhǔn)備

根據(jù)文獻(xiàn)［9］，使用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀制備直徑150 mm、高度170 mm的試件，將其切制成直徑100 mm、厚50 mm的試件備用。根據(jù)文獻(xiàn)［7,13］，分別測定制備試件的毛體積密度和松散混合物的理論最大密度。處理前，試件空隙率為5.1%～5.9%，平均值為5.4%。

混合料級配采用密級配Superpave-III。設(shè)計(jì)瀝青性能等級為PG76-22，瀝青用量為4.4%，最大骨料尺寸為19 mm。

1.2 試件處置方法

試件處理分兩種方法：長期烘箱老化和現(xiàn)場老化。烘箱老化中，根據(jù)AASHTO R 30—2002，將制備試件在85℃烘箱中放置120 h（5 d），然后打開烘箱門，冷卻至室溫后再靜置16 h，重復(fù)該過程5次?，F(xiàn)場老化條件中，瀝青混合料樣本試件放置于室外平滑板面上，只考慮環(huán)境因素對試件的老化，從8月開始老化1 a，監(jiān)測周圍環(huán)境及路面溫度數(shù)據(jù)。現(xiàn)場老化期間，試件經(jīng)歷了最高氣溫54℃，最低氣溫－11℃，凍融周期90次，晝夜溫差高26℃。

1.3 間接拉伸試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)［8］，使用間接拉伸測試裝置測定瀝青混合料試件的間接拉伸強(qiáng)度值。20℃條件下以50 mm/min速度加載直至破壞，平行件不少于4個(gè)。間接拉伸強(qiáng)度由式（1）計(jì)算所得。

式中：P、D、t分別為測量峰值荷載、直徑、厚度。其中，直徑、厚度值取測量平均值。

1.4 結(jié)果和討論

長期烘箱老化試件的間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 不同烘箱老化時(shí)間下的間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由圖1a可以看出：間接拉伸強(qiáng)度隨老化時(shí)間的延長而增加，老化1 d試件的間接拉伸強(qiáng)度值比未老化試件增加17.6%，老化5、25 d試件，間接拉伸強(qiáng)度值比未老化試件分別增加28%、31%。表明，大部分老化過程發(fā)生在初期，老化5 d后的老化速率明顯降低。老化初期間接拉伸強(qiáng)度的急劇增長可能是由于暴露在表層的瀝青膜變硬，因試件內(nèi)部瀝青很難與空氣接觸，導(dǎo)致混合料進(jìn)一步老化過程中，很難使更多的瀝青膜或膠漿變硬。

由圖1b可以看出：老化25 d的流值從1.56 mm下降到1.26 mm，隨著老化時(shí)間增加，試件的脆性不斷增加（延性降低）；在初始5 d內(nèi)，試件脆性的增加速度迅猛?？梢哉J(rèn)為，試件流值在老化初期突然下降是由于瀝青膜硬化，即使在長時(shí)間的老化之后，瀝青內(nèi)部也可能還未受到影響，內(nèi)部瀝青的老化過程仍需進(jìn)一步研究?，F(xiàn)場老化試件的間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果見2。

由圖2a可以看出：間接拉伸強(qiáng)度隨現(xiàn)場老化時(shí)間的增加而增加；盡管在300 d內(nèi)，兩個(gè)相鄰值看起來很接近，但拉伸強(qiáng)度的增加趨勢依然很清晰。經(jīng)過1 a老化的間接拉伸強(qiáng)度值為1.49 MPa，比未老化試件的間接拉伸強(qiáng)度值增幅19.2%。發(fā)展趨勢與烘箱老化試驗(yàn)一致，在一定的老化周期后，間接拉伸強(qiáng)度的平均增加。

由圖2b可以看出：經(jīng)過358 d的老化，流值從1.56 mm下降到1.35 mm；在前240 d的老化時(shí)間內(nèi)，脆性增加非常緩慢，當(dāng)老化時(shí)間超過240 d后，流值下降得非?？?。這與烘箱老化情況有所不同，推斷可能是由于240 d以后剛好處于春季的高頻凍融期結(jié)束，水分滲入瀝青混合料表層空隙，使老化進(jìn)入了室內(nèi)試驗(yàn)無法達(dá)到的更深處。

圖2 不同現(xiàn)場老化時(shí)間下的間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果

將圖1a和圖2a試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。室內(nèi)烘箱老化1d和現(xiàn)場老化1 a的間接拉伸強(qiáng)度值幾乎相等。通過單因素方差分析，可以得出1 a現(xiàn)場老化試件和1 d烘箱老化試件的間接拉伸強(qiáng)度相等，在統(tǒng)計(jì)學(xué)中的置信區(qū)間為95%。也就是說，以間接拉伸強(qiáng)度作為評價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)室內(nèi)1 d烘箱長期老化試件的間接拉伸強(qiáng)度值基本接近于大約1 a的現(xiàn)場老化試件。

瀝青老化過程還取決于瀝青類型、氣候環(huán)境、級配設(shè)計(jì)、油石比等，這些本文暫未考慮。

2 短期老化研究

2.1 試樣準(zhǔn)備及試驗(yàn)

在試件制備之前，根據(jù)AASHTO R 30—2002，將不同批次的松散混合料在135℃烘箱下進(jìn)行短期老化至100 h。期間，使用刮鏟將混合物每2 h徹底攪拌一次。隨后，將老化后的松散混合物，按照文獻(xiàn)［9］方案，使用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀制備試件并切制為直徑100 mm、厚50 mm的試件備用。處理前，試件空隙為5.2%～5.9%，平均值為5.5%。

間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)步驟、參數(shù)及數(shù)據(jù)計(jì)算方式與長期老化試驗(yàn)相同。

2.2 結(jié)果和討論

短期老化試件的間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 不同短期老化下的間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果

由圖3a可以看出：在40 h老化時(shí)間內(nèi)，間接拉伸強(qiáng)度隨老化時(shí)間的增加而增加，之后其隨著老化時(shí)間的增加而有所下降；老化40 h后，間接拉伸強(qiáng)度從1.25 MPa提高到1.66 MPa；100 h老化后，間接拉伸強(qiáng)度值為1.14 MPa，比未老化試件降低9%。可能是松散混合料在40 h的老化過程中，瀝青膜或膠漿會(huì)過度氧化，使瀝青膜或膠漿失去其粘合性和粘度，從而導(dǎo)致壓實(shí)混合料的拉伸強(qiáng)度降低。

由圖3b可以看出：隨著老化時(shí)間的增加，流值持續(xù)下降。短期老化試件的延展性隨著老化周期將持續(xù)下降。與壓實(shí)混合料不同，當(dāng)加熱松散混合料時(shí)，整個(gè)混合料都被老化，這就是混合料脆性隨老化周期持續(xù)增加的原因。根據(jù)短期老化試驗(yàn)結(jié)果可知，混合料在拌和時(shí)應(yīng)盡可能減少加熱時(shí)間不致瀝青薄膜或膠漿過度氧化。

3 結(jié)論

1）以間接拉伸強(qiáng)度作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，Superpave-III型瀝青混合料試驗(yàn)室內(nèi)烘箱老化1 d相當(dāng)于當(dāng)?shù)貧夂驐l件下現(xiàn)場老化1 a。但本研究并未涉及諸如瀝青類型、氣候環(huán)境、級配設(shè)計(jì)、油石比等因素對老化過程的影響，因此，需要進(jìn)一步開展驗(yàn)證研究。

2）試驗(yàn)室長期烘箱老化和現(xiàn)場老化試件的間接拉伸強(qiáng)度值均隨著老化時(shí)間的延長而增加。瀝青混合料在松散狀態(tài)下短期老化后成型的試件，其間接拉伸強(qiáng)度值隨著老化周期先增加后減小，存在峰值。

3）在不同老化模式和條件下，瀝青混合料試件的流值均隨著老化時(shí)間的增加而減?。ù嘈栽黾樱?。