熱氧老化對瀝青混合料高低溫性能影響的試驗研究

何海波

(廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

目前，隨著我國經濟的飛速發展，公路建設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、維修快捷等優勢，我國現有高速公路中約有94%使用瀝青混凝土路面。但隨著經濟的持續發展，瀝青混凝土路面的承載能力現已遠遠不能滿足當前交通量的要求，同時在各種外界環境綜合作用下，路面出現不同程度的多種病害，如裂縫、松散、車轍等。普通瀝青路面在當前公路工程應用中的表現不容樂觀，為滿足交通發展需求，改性瀝青得到了大量的推廣應用，其中，屬天然瀝青改性瀝青混合料的應用尤為廣泛。作為一種常用的路面材料，其老化性能會在自然環境和行車荷載的反復作用下隨著時間的推移而改變。瀝青混合料的老化主要可分成兩個階段：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境影響造成的老化，其中環境因素主要包括熱、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，并在自然環境與行車荷載的長期共同作用下容易開裂形成網狀裂縫，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，對提高瀝青路面的使用質量與使用壽命意義重大。

美國的SHRP計劃曾對瀝青混合料的老化性能進行了大量研究工作，從而提出了一種模擬瀝青路面實際使用過程的室內老化試驗方法。在此基礎上，我國現行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)同樣給出了瀝青混合料室內模擬老化試驗方法。因此，本文按照現行試驗規程對瀝青混合料進行模擬老化試驗，同時對瀝青混合料進行短期熱氧老化試驗，采用短期老化瀝青混合料的抗車轍性能評價瀝青混合料的高溫性能。當瀝青路面鋪筑完成以后，在自然界的長時間作用下，在光、氧、熱等因素的催化下，因瀝青膠結料發生的物理化學老化而導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發生結構性的變化，烷基側鏈會隨著老化反應而逐漸斷裂，所含的小分子化合物逐漸揮發，芳碳含量逐漸增加，大量氧化產物生成，從而導致瀝青中四組分(飽和分、芳香分、膠質、瀝青質)含量發生變化，瀝青膠體結構也因此受到改變，導致瀝青物理指標發生變化(軟化點升高、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 試驗方案

1.1 短期熱氧老化模擬試驗

本試驗依照現行試驗規程中熱拌瀝青混合料的加速老化試驗方法(T0734-2000)來開展熱拌瀝青混合料的老化試驗。具體操作如下：先在室內用小型拌合機拌制好松散的瀝青混合料，然后將其均勻攤鋪在搪瓷盤中，注意嚴格控制松鋪系數的范圍在21～22 kg/m2之間，然后將混合料放入在溫度設定為135±3 ℃的烘箱中，保證烘箱在強制通風條件下加熱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間為4 h，當加熱時間達到4 h后取出，即完成模擬試驗，可利用該瀝青混合料開展后續試驗工作。

1.2 長期熱氧老化模擬試驗

長期老化室內試驗是指模擬路面在使用期內的全部老化過程，試驗采用壓實瀝青混合料。繼續按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中熱拌瀝青混合料加速老化試驗方法(T0734-2000)開展熱拌瀝青混合料的老化試驗，先進行短期熱氧老化，然后按照現行試驗規程中瀝青混合料試件制作方法(T0702-2011)進行混合料的成型。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，強制通風，溫度控制為85±3 ℃，持續加熱5 d，即完成長期老化模擬試驗，可利用該瀝青混合料開展后續試驗工作。

2 試驗過程及數據分析

2.1 熱氧老化對瀝青混合料高溫性能影響

我國現行的施工技術規范規定，瀝青混合料的高溫抗車轍性能采用車轍試驗的動穩定度指標來評定，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，表現為彈性；溫度較高條件下，表現為黏性。在較高溫度條件下，瀝青混合料的高溫抗車轍性能降低，在車輛重復荷載作用下，瀝青混合料表現出永久變形(車轍)、推移及泛油等病害，嚴重影響瀝青路面的路用性能。馬歇爾試驗過程的兩個主要參數(馬歇爾穩定度和流值)不是評價瀝青混合料高溫性能的直接指標，與瀝青混合料高溫抗車轍性能的相關性較差。公路工程瀝青及瀝青混合試驗規范與美國SHRP計劃都是采用通過車轍試驗來評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規程》(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，然后再進行車轍試驗。試驗溫度為60 ℃，壓強為0.7±0.05 MPa，實驗過程中試驗輪的往返速度為42±1次/min，試驗時間為1 h。瀝青混合料的動穩定度以試驗過程的最后45～60 min階段瀝青混合料的永久性應變來計算。相關試驗結果如表1和圖1所示：

表1 不同天然瀝青摻量條件下的車轍試驗對比表

圖1 不同天然瀝青摻量條件下的車轍試驗對比曲線圖

從圖1可以看出：熱氧老化前，在90#基質瀝青中添加天然瀝青后，動穩定度明顯呈現一個增長的趨勢。與基質瀝青混合料相對比可發現：當巖瀝青摻量分別是4%、8%以及12%時，瀝青混合料的動穩定度對應提升了18.3%、31.5%和39.8%；當TLA摻量為20%、30%及40%時，其動穩定度分別提高了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，改善其高溫穩定性。從以上實驗數據同時可以看出：熱氧老化試驗前后，基質瀝青混合料的動穩定度增加34.2%；而TLA改性瀝青混合料與巖瀝青改性混合料的動穩定度雖然也有所增加，但增加幅度小于基質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穩定度的增長幅度是不斷下降的。當巖瀝青摻量為4%、8%和12%時，其動穩定度提高了28.5%、23.4%、19.2%；而TLA摻量為20%、30%及40%時，其動穩定度分別提高了22.4%、17.1 %和13.4%。天然瀝青改性瀝青混合料動穩定度的增長幅度小于基質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 熱氧老化試驗對瀝青混合料的低溫性能作用分析

本文根據《公路工程瀝青及瀝青混合試驗規程》(JTG E20-2011)中瀝青混合料彎曲蠕變試驗(T0728-2000)，通過測試抗彎拉強度、破壞應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定性能。根據我國現階段適用的公路瀝青與瀝青混合料的試驗規程，低溫彎曲試驗用于評價瀝青混合料的低溫性能，梁式試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，試驗儀器為萬能材料試驗機MTS-810，試驗過程加載速率為50 mm/min，試驗溫度為-10±0.5 ℃。試驗過程記錄瀝青混合料的最大破壞荷載，從而計算瀝青混合料的抗彎強度(RB)；依據瀝青混合料試件破壞時的跨中點的撓度值計算彎拉應變(εB)。RB、εB和瀝青混合料的彎曲勁度模量(SB)分別依據如下公式計算。不同天然瀝青摻量下的低溫彎曲試驗結果見下頁表2和圖2。

式中：RB為試件破壞時的抗彎拉強度(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對應的最大荷載(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的跨中撓度，mm；SB為瀝青混合料試件破壞時的彎曲勁度模量，MPa ；εB為試件破壞時的最大彎拉應變με。

表2 不同天然瀝青摻量條件下的低溫彎曲試驗對比表

圖2 不同天然瀝青摻量條件下的低溫彎曲試驗對比曲線圖

由表2和圖2可以看出：

(1)在基質瀝青中摻入不同比例的天然瀝青之后，破壞應變都會逐漸降低，當天然瀝青的摻量比例逐漸增多時，破壞應變呈現一個逐級遞減的規律，可知與基質瀝青混合料比較而言，天然瀝青混合料的低溫性能會受到影響變差。

(2)參照比較熱氧老化試驗過程前后的破壞應變數值，試驗后的瀝青混合料破壞應變會比之前低，由表2數據可知，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，對應減少了9.6%、7.5%、5.9%。試驗數據結果表明：基質瀝青混合料對應的破壞應變變化幅度大于天然瀝青混合料，說明天然瀝青的摻入會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的摻量梯度中，可以發現：在各自對應的梯度中，巖瀝青改性瀝青混合料的破壞應變下降趨勢大于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于巖瀝青改性瀝青混合料。

3 結語

(1)本文開展了瀝青混合料的光老化試驗，并在此基礎上，研究其光老化后的高低溫性能，實驗成果可為高原地區瀝青混合料評價與選擇提供依據。

(2)天然瀝青能夠提高瀝青混合料的抗熱氧老化性能；同時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，尤其是在夏季酷熱地區溫度高，很容易誘使瀝青混凝土發生老化，從而導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。