紫外老化對(duì)瀝青混合料高低溫性能的影響

中咨公路養(yǎng)護(hù)檢測技術(shù)有限公司 / 翟建旺 呂慧娟

新時(shí)期，我國高速公路長度不斷增長，在現(xiàn)有高速公路體系中多數(shù)公路為瀝青路面。瀝青路面是以瀝青混合料為主要施工原料的施工路面，瀝青混合料性能不足，不僅會(huì)影響路用性能，而且會(huì)威脅車輛駕駛?cè)藛T人身安全。而瀝青混合料高低溫性能是其性能的重要組成模塊，其主要受礦料級(jí)配、紫外老化等因素影響。本文對(duì)紫外老化對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能和低溫抗裂性能影響進(jìn)行了簡單的分析。

1.瀝青混合料紫外老化試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 瀝青混合料紫外老化試驗(yàn)用材料準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)所用瀝青為某地石油瀝青。依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）中關(guān)于石油瀝青性能檢測的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)該SBSI-C聚合物改性瀝青性能進(jìn)行了檢測，得出各指標(biāo)性能均與公路施工要求規(guī)范相符.

本次試驗(yàn)所用集料均取自某地公路料場優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r、碳酸鈣粉末。結(jié)合《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》關(guān)于粗集料、細(xì)集料及礦粉的檢測規(guī)定，對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行了檢測，得出各指標(biāo)性能均與公路施工要求規(guī)范相符。

1.2 瀝青混合料紫外老化試驗(yàn)件級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)

本次級(jí)配標(biāo)準(zhǔn)主要為AC-13，即連續(xù)級(jí)配中瀝青混合料公稱最大粒徑為13.0mm。最佳油石比為4.7。

2.瀝青混合料紫外老化試驗(yàn)過程

本次瀝青混合料紫外老化試驗(yàn)主要采用室內(nèi)紫外老化環(huán)境箱。首先，在室內(nèi)、外紫外光輻射總量相等的原則，選擇1500.0W高壓汞燈，瀝青混合料試驗(yàn)件所受敷設(shè)強(qiáng)度為260W/m2，老化時(shí)長根據(jù)當(dāng)?shù)刈匀焕匣闆r，合理調(diào)整。同時(shí)在老化箱前后進(jìn)行兩個(gè)鼓風(fēng)機(jī)的裝設(shè)，以便保證紫外老化箱內(nèi)部空氣自然流動(dòng)，并達(dá)到一定的溫度控制效果。

其次，將事先準(zhǔn)備的瀝青混合料，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）相關(guān)內(nèi)容，分別制備成車轍板試驗(yàn)件、馬歇爾試驗(yàn)件。在試驗(yàn)件制作完畢之后，將其劃分為對(duì)照組、試驗(yàn)組，其中對(duì)照組不進(jìn)行紫外老化試驗(yàn)，而試驗(yàn)組需要根據(jù)前期設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)開展紫外老化試驗(yàn)。

最后，紫外老化試驗(yàn)結(jié)束之后，選擇紫外老化后0個(gè)月、2個(gè)月、6個(gè)月、8個(gè)月試驗(yàn)件，進(jìn)行彎曲梁流變檢測、車轍試驗(yàn)、低溫劈裂試驗(yàn)，以確定紫外老化后瀝青混合料低溫完全蠕動(dòng)勁度、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、低溫劈裂強(qiáng)度變化。

3.瀝青混合料紫外老化試驗(yàn)結(jié)果分析

將紫外光老化前（對(duì)照組）、老化后（試驗(yàn)組）瀝青混合料試驗(yàn)件在車轍試驗(yàn)中表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、低溫完全蠕動(dòng)勁度及低溫劈裂試驗(yàn)中表現(xiàn)出的低溫劈裂強(qiáng)度結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

3.1 紫外線作用對(duì)瀝青混合料低溫蠕動(dòng)勁度影響

依據(jù)美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃對(duì)瀝青混合料的要求，紫外線作用下瀝青混合料蠕變勁度應(yīng)在300.0MPa以下，蠕變速率應(yīng)在0.30以上。即在其他條件一定的情況下，瀝青混合料蠕變勁度應(yīng)盡量小，而蠕變速率應(yīng)盡量大，此時(shí)其會(huì)具有較好的高低溫性能。在上述實(shí)驗(yàn)開展的基礎(chǔ)上，本文采用彎曲梁流變儀TE-BBR對(duì)瀝青混合料低溫完全蠕動(dòng)勁度進(jìn)行測試，得出 SBSI-C改性道路石油瀝青老化后0個(gè)月、2個(gè)月、6個(gè)月、8個(gè)月勁度分別為115.0MPa、125.0MPa、126.0MPa、131.0MPa；老化后蠕變速率分別為0.369、0.360、0.358、0.355。由此可初步得出紫外光老化后該型號(hào)瀝青混合料后勁度持續(xù)增加，蠕變速率不斷下降，且在兩個(gè)月之后趨于穩(wěn)定。這主要是由于瀝青混合料紫外老化初期內(nèi)部不飽和鍵數(shù)量一定，促使其在與紫外光反應(yīng)過程中整體蠕變速率變化不大。而在瀝青路面長時(shí)間運(yùn)行過程中，由于瀝青混合料存在一定空氣，紫外線會(huì)長時(shí)間作用于瀝青膜。導(dǎo)致表層瀝青老化程度較大。再加上光—氧—熱聯(lián)合作用，會(huì)加速瀝青混合料老化，蠕變速率快速下降，導(dǎo)致瀝青混合料輕質(zhì)成分轉(zhuǎn)化為膠體質(zhì)地。隨后由膠體質(zhì)地轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)。瀝青質(zhì)的形成，會(huì)促使瀝青混合料變硬、變脆，進(jìn)而促使路面龜裂。在全部形成瀝青質(zhì)之后，瀝青混合料低溫蠕動(dòng)勁度也趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 紫外老化對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響

本次試驗(yàn)主要采用瀝青混合料車轍試驗(yàn)方法，根據(jù)瀝青混合料在車轍試驗(yàn)中表現(xiàn)出的強(qiáng)度變化，對(duì)瀝青混合料高溫性能進(jìn)行適當(dāng)評(píng)價(jià)。本次試驗(yàn)溫度為65.0℃，紫外光老化時(shí)間為分別為0個(gè)月、2個(gè)月、4個(gè)月、8個(gè)月、12個(gè)月。最終得出AC-13級(jí)配瀝青混合料在紫外老化后0個(gè)月、2個(gè)月、6個(gè)月、8個(gè)月、12個(gè)月，車轍試驗(yàn)結(jié)果分別為1873.75次/min、2100.32次/min、2120.23次/min、2156.41次/min、2200.35次/min。

通過對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可得出，隨著紫外老化時(shí)間的延長，瀝青混凝土動(dòng)穩(wěn)定度逐步增加。其在0～2個(gè)月之間增加速度較快，隨后增加速度逐步放緩。而隨著其動(dòng)穩(wěn)定性的情況，其車轍深度也呈現(xiàn)了逐步下降的趨勢(shì)。這主要是由于在紫外光老化過程中，瀝青混合料中芳香分、飽和分向?yàn)r青質(zhì)轉(zhuǎn)化速度較快，而瀝青質(zhì)的存在會(huì)增強(qiáng)瀝青高溫性能；在短時(shí)間內(nèi)瀝青質(zhì)變化速度較快，隨著時(shí)間延長，瀝青質(zhì)趨于穩(wěn)定，瀝青混合料高溫性能也趨于穩(wěn)定，因此，對(duì)于要求瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定性較高的區(qū)域，可以選擇瀝青混合料芳香分、飽和分向?yàn)r青質(zhì)轉(zhuǎn)化速度較快的瀝青類型，如低標(biāo)號(hào)AH70#AC-13N1瀝青料等。同時(shí)為了增強(qiáng)紫外老化過程中瀝青混合料高溫性能，可以向?yàn)r青混合料中添加適當(dāng)比例的PPA（活性高錳酸鉀球）、SBS（苯乙烯系嵌段共聚物）或者EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）。

3.3 紫外老化對(duì)瀝青混合料低溫劈裂強(qiáng)度及彎曲性能影響

通過上述操作得出，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)束后紫外老化0個(gè)月、2個(gè)月、6個(gè)月、8個(gè)月、12個(gè)月瀝青混合料低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果分別為4.2562MPa、3.8565MPa、3.2440MPa、2.8455MPa、2.6585MPa；而低溫彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別為5.10MPa、4.19MPa、3.71MPa、3.10MPa、3.10MPa。

如上述數(shù)據(jù)可知，在瀝青混合料經(jīng)紫外光老化之后，其低溫劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度呈現(xiàn)了顯著的下降趨勢(shì)。這主要是由于紫外光老化過程中，瀝青飽和分、芳香分等組分含量變化較大，而在芳香分向飽和分加速轉(zhuǎn)化過程中，瀝青低溫性能也逐步下降，導(dǎo)致瀝青混合料低溫劈裂強(qiáng)度下降。因此，為了降低紫外老化對(duì)瀝青混合料低溫劈裂強(qiáng)度的影響，可以從抑制瀝青混合料芳香分向飽和分轉(zhuǎn)化過程入手，選擇高標(biāo)號(hào)瀝青混合料。或者向?yàn)r青混合料中添加一定比例的SBR（丁苯橡膠）；而通過對(duì)瀝青混合料低溫彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可得出其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)隨著紫外老化時(shí)間延長而不斷降低，最終趨于穩(wěn)定。表明紫外老化對(duì)瀝青混合料部分構(gòu)件低溫彎曲強(qiáng)度具有一定影響。

4.結(jié)束語

綜上所述，瀝青混合料高低溫性能不足，不僅會(huì)增加瀝青路面高溫車轍發(fā)生概率，而且會(huì)產(chǎn)生大量的溫度收縮裂縫。因此，相關(guān)研究人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)紫外老化后瀝青混合料高低溫性能的重視。結(jié)合區(qū)域自然氣候及地質(zhì)條件，選擇恰當(dāng)?shù)臑r青混合料。合理添加PPA、SBS、SBR、EVA等其他可以溶于三氯乙烯的材料，以便最大限度控制紫外老化對(duì)瀝青混合料高低溫性能的影響。