孫 瑞

(湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410075)

1 瀝青混合料老化機(jī)理分析

1.1 瀝青路面外界環(huán)境

道路瀝青混合料路面外界環(huán)境十分復(fù)雜，影響其老化的主要因素包括外摻劑、太陽輻射、氣溫、風(fēng)速和瀝青混合料自身熱傳導(dǎo)性能。在對(duì)瀝青混合料的老化性能進(jìn)行分析時(shí)，并不是所有的因素都要考慮，要結(jié)合工程實(shí)際情況找出主導(dǎo)因素。比如瀝青路面在夜間攤鋪不存在太陽輻射，主要考慮路面與空氣間的熱交換；遇到大風(fēng)天氣，還應(yīng)考慮風(fēng)速對(duì)瀝青溫度熱交換性能的影響[2]。

1.2 瀝青混合料老化機(jī)理

(1)瀝青熱氧老化機(jī)理

瀝青混合料的熱氧老化反應(yīng)過程分為停滯期、誘導(dǎo)期、加速期、遲滯期。

停滯期：從過氧化物吸收能量到誘發(fā)老化，中間的一段能量累積期。

誘導(dǎo)期：過氧化物吸收能量到化學(xué)反應(yīng)發(fā)生需要反應(yīng)活化能加入的時(shí)間。

加速期：在瀝青混合料加入反應(yīng)活化能后，鏈反應(yīng)加速發(fā)生，瀝青各組分含量及針入度、延度、軟化點(diǎn)等性能指標(biāo)出現(xiàn)明顯變化，該過程為反應(yīng)加速期。

遲滯期：瀝青混合料反應(yīng)持續(xù)一段時(shí)間后，自由基會(huì)結(jié)合生成一種阻止反應(yīng)繼續(xù)發(fā)生的化學(xué)物質(zhì)，從而降低反應(yīng)速度，瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)也逐漸降低，該過程為反應(yīng)遲滯期。

瀝青混合料的熱氧老化屬于“自動(dòng)催發(fā)老化”，具體反應(yīng)過程如下：①鏈引發(fā)。瀝青混合料分子結(jié)構(gòu)中支鏈或雙鍵產(chǎn)生游離基R·。②鏈增長。當(dāng)能量累積到一定程度，游離基R·會(huì)和氧分子快速結(jié)合，形成新的游離基ROO·。③鏈歧化。隨著反應(yīng)不斷進(jìn)行，瀝青混合料分子出現(xiàn)支化反應(yīng)。④鏈終止。當(dāng)游離基濃度達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，游離基會(huì)相互碰撞導(dǎo)致鏈終止。

(2)瀝青光氧老化機(jī)理

瀝青混合料的分子中含有大量化學(xué)鍵，比如C-H鍵、C-C鍵、C=C鍵等。當(dāng)瀝青混合料分子結(jié)構(gòu)被破壞，瀝青混合料性能會(huì)明顯降低，此時(shí)瀝青路面容易出現(xiàn)裂縫、侵蝕、剝落等病害。由相關(guān)研究成果可知，瀝青混合料分子結(jié)構(gòu)在光照條件下(受紫外線中的UV-A和UV-B輻射)更容易破壞，即瀝青在光照條件下發(fā)生了光氧老化作用，老化速度更快。

紫外線對(duì)瀝青混合料的影響厚度雖然只有0.1 mm數(shù)量級(jí)，但是老化的瀝青分子會(huì)向內(nèi)擴(kuò)散，尤其是紫外線強(qiáng)度較大的地區(qū)和空隙率大的瀝青混合料，光氧老化作用的影響深度可達(dá)瀝青面層深度的20%。

2 瀝青混合料原材料及配合比設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

以某快速路主線瀝青路面為研究對(duì)象，研究玄武巖纖維和聚合物類外摻劑對(duì)瀝青混合料抗老化性能的影響。該道路所處地區(qū)為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.9 ℃，主線路面結(jié)構(gòu)為4 cm細(xì)粒式SBS改性瀝青混凝土(AC-16)+6 cm中粒式SBS改性瀝青混凝土(AC-20C)+8 cm粗粒式瀝青混凝土(AC-25C)+2×18 cm水穩(wěn)碎石基層+18 cm低劑量水穩(wěn)碎石底基層。結(jié)合馬歇爾試驗(yàn)AC-16混合料開展配合比設(shè)計(jì)，確定瀝青混合料級(jí)配組合如表1所示。

表1 AC-16混合料級(jí)配組合

2.2 原材料選擇

(1)瀝青

瀝青用量對(duì)瀝青混合料的使用性能影響程度大。當(dāng)瀝青用量較多，會(huì)降低骨料間的粘附性，甚至使顆粒處于懸浮狀態(tài)，在行車荷載作用下更容易產(chǎn)生滑移，從而對(duì)路面抗滑能力產(chǎn)生不利影響；如果瀝青用量較少，包裹礦料的瀝青膜變薄，在外荷載作用下路面容易出現(xiàn)松散、剝落等現(xiàn)象。本試驗(yàn)采用的某瀝青科技公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青，相關(guān)性能指標(biāo)均滿足《道路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)。

(2)集料

瀝青路面在運(yùn)營期間，會(huì)受到車輛荷載的反復(fù)作用，路表石料磨損，形態(tài)變得更加光滑，降低了路面的抗滑性能，對(duì)行車安全產(chǎn)生不利影響，故瀝青路面在開展配合比設(shè)計(jì)之前，一般是選擇磨光值大、磨耗值小的石料。本試驗(yàn)采用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的石灰?guī)r，表觀相對(duì)密度為2.73 t/m3，毛體積相對(duì)密度為2.68 t/m3。

(3)外摻劑

隨著交通量逐年增長，為了避免路面病害的出現(xiàn)，對(duì)瀝青混合料性能要求更加嚴(yán)格。目前，改善路面使用性能的常見做法是在瀝青混合料中加入外摻劑，但不同類型的外摻劑的改性機(jī)理不同，對(duì)路面性能的提升效果也有較大差異。本試驗(yàn)選擇的外摻劑是玄武巖纖維BFRP、高模量劑、抗車轍劑、高黏改性劑。

2.3 外摻劑改良原理

玄武巖纖維是環(huán)境友好、性能高效的材料，隔熱、耐腐蝕效果好，能適應(yīng)各種極端施工環(huán)境，對(duì)瀝青路面有阻裂作用、增粘作用、應(yīng)力緩沖作用等。

阻裂作用：玄武巖纖維抗拉強(qiáng)度大，能改善路面受力特性，并且纖維在瀝青混合料中交錯(cuò)分布形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)瀝青路面中的裂紋發(fā)展起到約束作用，防止路面開裂。玄武巖纖維的阻裂作用可用應(yīng)力強(qiáng)度因子Kf表示如下[4]

式中：P為裂紋頂端集中力，kN；b為玄武巖纖維至裂縫頂端矢量距離，cm；a為裂紋寬度，cm。

增粘作用：玄武巖纖維添加進(jìn)瀝青材料能增強(qiáng)各集料間黏附作用，提高集料粘結(jié)力，直接影響瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

應(yīng)力緩沖作用：玄武巖纖維直徑小，與瀝青材料接觸表面積大，使得纖維表面與瀝青之間形成“界面層”。該界面層能對(duì)車輛荷載傳遞起到一定的緩沖作用，且隨著路面深度的增加，界面層的應(yīng)力消減作用越明顯。同時(shí)，玄武巖纖維會(huì)增加瀝青膜厚度，減小混合料中的空隙大小、數(shù)量，使得瀝青路面更緊密，路面使用性能更好。

2.4 配合比驗(yàn)證

在開展玄武巖纖維和聚合物類外摻劑對(duì)瀝青混合料抗老化性能的影響試驗(yàn)之前，需利用謝倫堡析漏試驗(yàn)與肯塔堡飛散試驗(yàn)AC-16混合料的瀝青用量是否符合設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同外摻劑下混合料析漏、飛散試驗(yàn)結(jié)果

3 外摻劑對(duì)不同老化階段瀝青混合料高溫性能、抗裂性能的影響

3.1 室內(nèi)模擬瀝青混合料老化試驗(yàn)

瀝青老化模擬方法有自然老化法和模擬老化法兩類，其中自然老化法是模擬瀝青路面在自然環(huán)境下性能老化實(shí)際規(guī)律，但是老化時(shí)間周期太長，難以開展平行對(duì)照試驗(yàn)，難以研究各種變量對(duì)瀝青混合料性能的影響，因此，目前普遍采用的是模擬老化法。

根據(jù)《道路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，模擬瀝青混合料短期老化采用烘箱加熱法，長期老化可用延時(shí)烘箱加熱法，試驗(yàn)精度可滿足工程需求，具體操作方法為[5]：(1)短期老化，將拌和后的瀝青混合料均勻松鋪在托盤上，攤鋪不宜過密，將托盤放進(jìn)溫度為135±1 ℃的烘箱內(nèi)，連續(xù)加熱4 h(每隔1 h翻拌均勻)，成型后開展相關(guān)試驗(yàn)。(2)長期老化，將短期老化成型的瀝青混合料試件冷卻后放入85±3 ℃的烘箱，連續(xù)加熱5 d、10 d、15 d，成型后開展相關(guān)試驗(yàn)來模擬瀝青路面的長期運(yùn)營后性能變化。

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

(1)高溫性能試驗(yàn)方案

相關(guān)研究表明，相對(duì)于車轍試驗(yàn)，瀝青混合料的抗剪貫入強(qiáng)度和動(dòng)穩(wěn)定度相關(guān)性更好，因此，選擇單軸貫入試驗(yàn)來評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能。試驗(yàn)采用的瀝青混合料試件直徑為150 mm、試件標(biāo)準(zhǔn)高度為100 mm、壓頭直徑為42 mm。試驗(yàn)前需將試件放入60 ℃環(huán)境下保溫，再把壓頭放在試件中心處以1 mm/min的速率加載，直到貫入力出現(xiàn)峰值。瀝青試件的貫入強(qiáng)度Rτ計(jì)算可按下式

fτ=0.002 3h+0.12

式中：P為貫入力峰值，N；A為壓頭截面面積，cm；fτ為剪應(yīng)力系數(shù)，無量綱；h為試件標(biāo)準(zhǔn)高度，cm。

(2)抗裂性能試驗(yàn)方案

選擇IDEAL-CT劈裂試驗(yàn)來研究瀝青混合料的抗裂性能，以CTindex為抗裂指標(biāo)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂性能。試驗(yàn)采用的瀝青混合料試件直徑為100 mm、試件標(biāo)準(zhǔn)高度為62 mm、孔隙率為6%±0.5%，每組試驗(yàn)取4個(gè)平行試件。試驗(yàn)溫度取25 ℃，加載速率取50 mm/min，當(dāng)加載力減至0.1 kN時(shí)，結(jié)束試驗(yàn)CTindex計(jì)算公式如下[6]

式中：h為試件高度，cm；Gf為斷裂能，N/m；m75為峰值力處斜率，%；l75為峰值力處變形，cm；D為試件直徑，cm。

3.3 外摻劑對(duì)各老化階段瀝青混合料高溫性能的影響

按上述要求，制備了若干個(gè)AC-16混合料貫入試件，得到了不同老化階段，不同外摻劑下瀝青混合料的貫入強(qiáng)度及變化率如見圖2。

圖2 不同老化階段瀝青混合料貫入強(qiáng)度

試驗(yàn)結(jié)果表明：整個(gè)老化過程中，所有瀝青混合料試件的貫入強(qiáng)度均呈“U”形變化，即先下降后上升的趨勢(shì)，從新拌混合料到長期老化5 d，各試件貫入強(qiáng)度持續(xù)下降。從長期老化5 d到15 d，所有試件貫入強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度的提高，主要原因在于：(1)在瀝青混合料的初始老化階段，其中的SBS改性劑降解，瀝青變軟，貫入強(qiáng)度下降。(2)隨著瀝青混合料不斷老化，SBS改性劑降解速率變緩直至消失，瀝青逐漸硬化，使得貫入強(qiáng)度增加。AC-16在不同老化階段的貫入強(qiáng)度及變化率如表3所示。

同時(shí)，從新拌混合料到長期老化5 d，玄武巖纖維瀝青貫入強(qiáng)度下降速率僅為4%、3%。長期老化5 d到15 d，玄武巖纖維瀝青貫入強(qiáng)度下降速率可達(dá)10%、9%，其貫入強(qiáng)度下降速率明顯低于其它外摻劑，貫入強(qiáng)度提升幅度也最高，說明玄武巖纖維改善AC-16瀝青試件的長期高溫性能效果最好。

表3 AC-16在不同老化階段的貫入強(qiáng)度及變化率

3.4 外摻劑對(duì)各老化階段瀝青混合料抗裂性能的影響

不同老化階段，不同外摻劑下瀝青混合料的CTindex見圖3。

圖3 不同老化階段瀝青混合料抗裂指標(biāo)

由試驗(yàn)結(jié)果可知：隨著瀝青混合料的不斷老化，試件的抗裂指標(biāo)不斷下降，但下降速率總體逐漸變緩。在老化時(shí)間相同的條件下，玄武巖纖維瀝青的抗裂指標(biāo)下降速率分別為4.8%、6.1%、3.9%、2.6%。CTindex要大于高模量劑、抗車轍劑、高黏改性劑。這說明玄武巖纖維材料能與瀝青協(xié)同受力，提升了混合料裂縫延伸所需的能量，降低了混合料開裂進(jìn)程。

4 結(jié) 語

為了響應(yīng)國家節(jié)能環(huán)保要求，減小資源消耗，主要探討了瀝青老化機(jī)理、外摻劑改良機(jī)理及外摻劑對(duì)各老化階段瀝青混合料高溫性能、抗裂性能的影響規(guī)律，主要得到以下結(jié)論。(1)瀝青混合料老化機(jī)理分為熱氧老化和光氧老化，主要影響因素為外摻劑、太陽輻射、氣溫等。(2)瀝青混合料普遍采用模擬老化法，其中短期老化可用烘箱加熱法，長期老化可用延時(shí)烘箱加熱法。(3)整個(gè)老化過程中，瀝青混合料試件的貫入強(qiáng)度均呈先下降后上升的趨勢(shì)，抗裂指標(biāo)CTindex不斷下降，且玄武巖纖維對(duì)AC-16瀝青混合料的高溫性能和抗裂性能改善效果最好。