熱老化對OGFC瀝青混合料路用性能的影響

尚志剛

（天津城建設計院有限公司，天津市 3 00122）

熱老化對OGFC瀝青混合料路用性能的影響

尚志剛

（天津城建設計院有限公司，天津市 3 00122）

采用SBS改性瀝青和70#基質瀝青拌制OGFC-13瀝青混合料，并將松散混合料分別在135℃和165℃下熱老化4h來模擬混合料短期老化。隨后測試并對比老化前后不同混合料的排水性能、高溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性，試驗結果表明：老化前后的SBS改性瀝青混合料路用性能均優(yōu)于SK-70基質瀝青混合料，且兩類瀝青混合料在老化后水穩(wěn)定性有一定幅度的降低，而混合料的滲水系數(shù)和動穩(wěn)定度有所提高。

瀝青混合料；OGFC；熱老化；路用性能

0 引 言

開級配瀝青磨耗層（OGFC）因具有大量連通空隙，故其擁有優(yōu)異的排水、抗滑以及降噪功能[1-3]。OGFC的相關研究已經(jīng)趨于成熟且被廣泛應用于實際路面工程中，尤其是城市道路中。目前OGFC混合料的研究主要集中在力學強度以及瀝青改性中，而關于其老化的研究較少[3]?；旌狭侠匣侵赣捎诼访嬖陂_放交通后受太陽光、熱、空氣以及水分等因素的影響發(fā)生氧化、輕組分揮發(fā)以及其他化學變化進而導致瀝青混合料路用性能劣化的現(xiàn)象?；旌狭侠匣髸篂r青粘附性和柔性降低，進而使混合料容易發(fā)生開裂以及集料脫落。

目前瀝青混合料的老化方法有光老化、熱老化以及壓力老化[1-3]，本文選取操作簡單且儀器便捷的熱老化法來模擬混合料在施工階段的短期老化，并在隨后測試并對比老化前后不同混合料的穩(wěn)定度、排水性能、高溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性，可用于OGFC混合料的長期性能研究及工程應用參考。

1 試驗準備

1.1 試驗原材料

試驗采用SK-70#基質瀝青和SBS改性瀝青兩種瀝青進行混合料的制備，且按照相關試驗規(guī)范完成兩種瀝青的基本性能檢測[4]，具體測試結果見表1。試驗中所用集料為形狀良好、力學性能優(yōu)良的石灰?guī)r。

表1 瀝青性能指標測試結果

1.2 礦料級配及目標孔隙率的確定

開級配瀝青磨耗層（OGFC）主要采用粗集料且在實際工程中常用的級配類型為OGFC-13，故本文采用OGFC-13級配類型來拌制混合料。所用OGFC-13級配曲線見圖1。普通密集配瀝青混合料的孔隙率為10%左右，而開級配瀝青混合料具有大量孔隙且孔隙之間相互連通。為保證開級配瀝青混合料具備優(yōu)良的排水性能，試驗中OGFC-13混合料的設計值為15%。但同時考慮到路面孔隙率會在實際使用過程中會因異物堵塞、路面病害（車轍、推移等）以及車輛碾壓等實際問題而降低，故試驗中混合料的孔隙率目標設計值為20%，從而確保混合料具備良好的排水性和降噪功能。

1.3 油石比的確定

普通密實型混合料的結構強度主要來自于膠結料粘結以及集料嵌擠，且其最佳油石比采用馬歇爾法進行確定。OGFC混合料的結構強度主要來自于集料的嵌擠作用，瀝青膠結料對其影響較小，因此國內外通常采用謝倫堡析漏和墾塔堡飛散試驗來確定混合料的最佳油石比。

試驗首先依據(jù)礦料比表面積理論公式估算該級配的瀝青用量，然后以該級配為中值并以0.5%和1.0%為間隔分別向兩邊另取兩組瀝青用量。隨后以這五組瀝青含量拌制混合料，并以謝倫堡析漏和墾塔堡飛散試驗確定最佳瀝青用量，試驗結果表明OGFC-13最佳油石比為4.2%。

圖1 OGFC-13級配曲線圖

1.4 老化流程

瀝青老化分為短期老化和長期老化兩個階段，短期老化是指混合料在拌合、運輸以及攤鋪過程中因溫度較高而發(fā)生的組分揮發(fā)和膠結料氧化的現(xiàn)象；長期老化是指路面在使用過程中因行車荷載、光、熱以及空氣等因素而發(fā)生的緩慢老化過程。

目前瀝青混合料的老化方法有光老化、熱老化以及壓力老化，本文選取操作簡單且儀器便捷的熱老化法來模擬混合料在施工階段的短期老化，具體老化流程是：將拌合均勻的松散瀝青混合料置于烘箱內在135℃和165℃下加熱4 h。

2 試驗結果與分析

試驗中采用兩種老化條件（135℃，165℃）和兩種瀝青（SK基質瀝青，SBS改性瀝青）成型四種不同的混合料試件，分別記為SK-135、SK-165、SBS-135、SBS-165，且未老化的瀝青混合料分別記為SK和SBS。

2.1 穩(wěn)定度與流值

馬歇爾穩(wěn)定度和流值是瀝青混合料中重要的基本力學性能，是反應瀝青混合料結構穩(wěn)定性和抗變形能力的重要指標。試驗依據(jù)相關試驗規(guī)范進行成型并測試其穩(wěn)定度和流值[4]，測試結果見表2。

表2 馬歇爾指標測試結果

分析表2中數(shù)據(jù)可知，老化前后SBS改性瀝青混合料的穩(wěn)定度均較大，而流值較小。這是由于SBS瀝青具有更強的粘附性和粘彈性，進而可以提高混合料的結構強度和熱穩(wěn)定性。同時，兩種混合料老化之后的穩(wěn)定度和流值均有所降低，且老化溫度越高，穩(wěn)定度和流值越低。這是由于瀝青老化后與集料粘附性變差且硬度增加，使得力學指標穩(wěn)定度下降，同時硬度增加可降低流值。

2.2 排水性能

OGFC路面具有大量的連通空隙，因此具有優(yōu)良的排水性能。一般來說，排水性能可通過滲水系數(shù)來表征，測試結果見圖2、見圖3。

圖2 空隙率測試結果

圖3 滲水系數(shù)測試結果

由圖2、圖3中數(shù)據(jù)可得，圖中六種瀝青混合料的空隙率均在20%左右，滿足設計要求，其滲水系數(shù)均大于0.35 cm/s，遠大于規(guī)范要求。另外，基質瀝青混合料的滲水系數(shù)與SBS改性瀝青相差很小，且老化后的混合料滲水系數(shù)有所增加。這是由于老化后的瀝青流動性變差進而導致試件成型時因瀝青流動所堵塞的空隙較少，最終空隙率變大進而滲水系數(shù)增大。

2.3 高溫穩(wěn)定性

瀝青是一種溫敏性材料，溫度的升高會使其變軟進而引發(fā)車轍、推移以及擁包等多種高溫病害，OGFC混合料瀝青含量較少且主要依靠粗骨料的嵌擠提供強度，因此其高溫穩(wěn)定性需嚴格檢測。本文按相關試驗規(guī)范成型車轍試件，隨后在60℃條件下采用HYCZ-5型車轍試驗儀測試試件實時變形，并根據(jù)式（1）計算動穩(wěn)定度（DS），測試圖示及結果見圖4。

式中：d1及d2分別為t1(45 min)和t2(60 min)時的變形量；N為試驗輪碾壓速度。

圖4 動穩(wěn)定度測試結果

對比兩種瀝青混合料，SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度較大，這是由于SBS瀝青具有更強的粘附性和粘彈性，進而可以提高混合料的結構強度和熱穩(wěn)定性。而且老化后瀝青混合料的動穩(wěn)定度均有一定幅度的提高，且溫度老化溫度越高，動穩(wěn)定度越高。這是由于老化后瀝青中的一部分輕組分（芳香酚）轉化為重組分（膠質和瀝青質），使得瀝青硬度和勁度增加，進而可有效提高混合料的高溫穩(wěn)定性。

2.4 水穩(wěn)定性

OGFC路面具有較多的連通空隙，且在使用過程中經(jīng)常遭受水分的侵蝕和沖刷，因此OGFC的水穩(wěn)定性直接影響路面的功能性。一般采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗來測試混合料的水穩(wěn)定性，按相關試驗規(guī)范分別成型兩組馬歇爾試件，每組4個。

浸水馬歇爾試驗中兩組試件分別置于室溫環(huán)境和60℃水箱中保溫48 h，隨后測試其馬歇爾穩(wěn)定度（MS0），并按式（2）計算。

式中：MS及MS1分別為未浸水和浸水試件的馬歇爾穩(wěn)定度。

凍融劈裂試驗中將一組試件按規(guī)范在一定溫度條件下進行凍融循環(huán)，循環(huán)結束后進行劈裂試驗并測定最大荷載。測試完成后按式（3）計算凍融劈裂強度比（TSR），測試圖示及試驗結果見圖5、圖6。

式中：RT1及RT2分別是凍融循環(huán)和未凍融試件的劈裂抗拉強度。

圖5 浸水馬歇爾測試結果

圖6 凍融劈裂測試結果

由圖5、圖6可知，不同溫度老化前后SBS改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和殘留強度比較大，表明其水穩(wěn)定性更好。這是由于SBS與集料之間的粘附性更強進而具備更強的抗剝落能力，水穩(wěn)定性更強。另外，混合料老化后的殘留穩(wěn)定度和殘留強度比降低，且降低幅度隨老化溫度的增加而增大。這是由于瀝青中的部分輕組分（芳香酚）轉化為重組分（膠質和瀝青質），使得瀝青脆性增強且粘附性變差，導致其在水分侵蝕下更容易發(fā)生損害。

3 結論

（1）試驗中兩種瀝青混合料的穩(wěn)定度和流值在老化后均有所降低，且二者隨老化溫度的提高而降低，表明混合料的老化確實在一定程度上影響了混合料的力學性能。

（2）老化前后兩類瀝青混合料的滲水系數(shù)均大于0.35 cm/s，且老化后混合料的滲水系數(shù)有所增大。

（3）SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于基質瀝青混合料，且兩種混合料老化后的動穩(wěn)定度有所增長，增長幅度與老化溫度呈正相關，表明混合料的老化可增強混合料的高溫穩(wěn)定性。

（4）老化前后SBS改性瀝青混合料均具備更強的水穩(wěn)定性，且兩類瀝青混合料老化后的殘留穩(wěn)定度和殘留強度比有所降低，老化溫度越高，降低幅度越大。

[1]王沖,徐世法,季節(jié),等.再生 SBS改性瀝青混合料再度老化性能的研究[J].北京建筑工程學院學報,2006,22(3):20-23.

[2]郭韋韋,張祖棠.高寒地區(qū)光老化對瀝青混合料低溫性能影響[J].重慶交通大學學報 (自然科學版),2012,31(1):51-53.

[3]Kluttz,R.Q,etc.Highly Modified Bitumen for Prevention of Winter Damage in OGFCs[Z].Airfield and Highway Pavement 2013: Sustainable and Efficient Pavements.ASCE,2013.

[4]JTJ052－2011,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].

U414

A

1009-7716（2017）01-0033-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.009

2016-11-14

尚志剛（1976-），男，黑龍江黑河人，高級工程師，從事道路設計工作。