新疆大陸干旱性氣候區路用瀝青老化機理及改善措施

呂 光

（中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

G7 高速公路新疆東部天山北麓沿線經過伊吾、巴里坤，與處于運營狀態的奇臺至木壘高速公路起點相接，總長515 km。本工程沿線氣候條件較為惡劣，以溫帶大陸性干旱氣候區為主，常年干燥少雨，伴有較多的災害性天氣，嚴重影響到工程施工和公路的運營。

1 動態剪切流變試驗

1.1 試驗原理

黏彈性是反映材料質量的重要指標，此方面的試驗檢測可使用動態剪切流變儀，其具備模擬路面實況的能力，可在多種溫度環境下分別施加剪切應力，從而測定各溫度的應變情況。經過對瀝青的性能試驗后，可掌握抗車轍因子等相關數據，以此為依據評價路面高溫性能。

1.2 具體試驗方案及實際結果

本次試驗溫度條件包含46 ℃、52 ℃、58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃、82 ℃，試驗對象包含原樣瀝青和老化瀝青，從而分別求得各材料在不同溫度下的車轍因子（表1）。依據規范，原樣瀝青和老化瀝青各自對應的車轍因子控制標準有所差異，前者應＞1.1 kPa，后者應＞2.2 kPa。

表1 瀝青車轍因子試驗結果

1.3 試驗結果分析

1.3.1 復合模量

結合老化前后瀝青值變化曲線展開分析（圖1），可以得知：①若溫度限定在46～82 ℃，試驗所用的4 種石油瀝青在復合模量指標上的表現具有一致性，即溫度的升高該指標隨之下降，變化形態呈拋物線形；②若為基質瀝青，其G*值（瀝青動態剪切模量）將明顯超過克拉瑪依70#，若溫度持續提升并達到17 ℃，此時該值表現出小幅度下降的變化趨勢；③若為改性瀝青，其G*值將高于橡膠瀝青，同時在溫度提升的情況下，該值依然可維持相對較高的水平，如溫度80 ℃時為5 kPa；④從復合模量的對比結果來看，改性瀝青在此方面將明顯超過基質瀝青，且在ROTOF 老化后，改性瀝青的G*值表現出大幅度增加的變化趨勢，此時（旋轉薄膜烘箱試驗）瀝青軟化的臨界溫度也隨之后延。

圖1 老化前后瀝青值變化曲線

1.3.2 相位角

瀝青在黏性和彈性條件下，可通過相位角反映其具備的變形特征，隨著該值的增加，瀝青的性質將逐步向黏性體發展，所具備的抗車轍能力隨之削弱；反之，其性質則與彈性體具有較高的相似性。

基質瀝青K70#對于溫度更為敏感，因此其相位角變化較明顯，但基質瀝青K90#在老化后其并未出現相位角大幅變動的情況，在46～70 ℃，該值呈減小的變化趨勢；橡膠瀝青方面，可以將64 ℃作為時間節點，小于該溫度時老化前后的相位角具有一致性，而SBS（苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段共聚物）改性瀝青老化后則存在明顯的相位角減小現象，此過程中瀝青豁性減小。表明，SBS 改性劑將顯著影響瀝青的豁彈性能，伴隨溫度的提升，瀝青性質逐步向黏性體發展，此時其抗剪能力較強。

1.3.3 車轍因子

高溫穩定性有助于反映瀝青的工程性能，常通過車轍因子做出評價[1-3]，該指標指的是損失剪切柔量J*的倒數，具體關系如下：

式（1）～（3）中，G*為瀝青動態剪切模量，MPa；δ 為相位角，°；i 為剛度參數；J '、J "為蠕變耗能分量，MPa；J（t）為瀝青材料的剪切柔量函數；ε（t）為動應變；δ0為動應力的模。G*/sinδ 值表現出隨之減小的變化趨勢，說明抵抗剪切力所做的功在高溫條件下更大，由于所做功的增加，瀝青路面的勁度隨之下降，抗車轍效果欠佳。

結合相關試驗數據得知：①在46～82 ℃時，溫度的提高將帶來車轍因子的下降，在此方面的變化趨勢與復合模量變化具有一致性；②各材料的車轍因子有所不同，其中K90#將明顯超過K70#，但在溫度為52 ℃時該規律發生變化，兩者的G*/sinδ均表現出大幅度下降的趨勢，表明基質瀝青的抗剪能力也有所削弱；③隨著溫度的逐步提高，當其達到70 ℃時，車轍因子經過逐步下降后已經達到規范的下限值，與之不同的是老化后的SBS 改性瀝青，其具有的車轍因子則呈現出大幅度增加的變化趨勢，意味著SBS 改性瀝青在抵抗剪切力時所做的功相對較小，此時則具有路面勁度高、抗車轍能力強的特點。

2 瀝青混合料的動態模量

瀝青路用性能得以有效發揮的關鍵在于按照特定的配比拌制瀝青混合料，再將其用于路面攤鋪施工。對于路面結構驗算，應重點考慮動態壓縮模量指標，具體分析條件為20 ℃、10 Hz。

2.1 動態模量試驗

動態模量可較為準確地反映瀝青混合料的動態性能，具體應求得動態模量，該指標反映的是在特定波形或振幅時應力與應變的比值：

式（4）中，ε（t）為動應變；t 為荷載作用時間，s；δ0為動應力的模；ω 為應變速率，/s；δ 為相位角，°；ε 為最大水平應變；ε0為動應變的模；e 為內部阻尼，m/s；i 為剛度參數；θ 為相位角均值。

若試驗條件較為良好，此時可根據現行規范中的相關公式快速求解，以便得到動態模量的具體值。但應注意，公式存在特定的適用范圍，通常只用于常規級配的瀝青混合料。

式（5）中，f 為試驗頻率，Hz；Pa 為石油比；V 為壓實空隙率，%；VCADRC為搗實時粗集料的松裝間隙率，%。

統一將試驗頻率取為10 Hz，此時若溫度下降，各試驗材料的動態模量隨之表現出平緩變化的趨勢，原因在于溫度的提高將導致瀝青出現軟化現象，此時混合料內部結構不再具有完整性，同時外力作用較為明顯，導致骨架穩定性下降，隨之出現動態模量降低的情況。若以試驗溫度為定量（均為20 ℃），此時在頻率增加的情況下，各材料的動態模量隨之表現出增加的變化趨勢。通過對動態模量公式的分析可知，由于加載頻率在不斷增加，此時ω 值加大，在特定的時間周期內加載所持續的時間縮短，應變ε0減小，此時若應力δ0維持穩定，最終則會出現動態模量E*增加的情況。

2.2 動態模量主曲線

以20 ℃的標準溫度為前提條件，在時間—溫度疊加原理的指導下經過擬合處理后生成具有平滑特性的曲線，此時則指的是動態模量的主曲線。經分析可知：在高溫低頻區時，具備的關系為K70#＜K90#＜橡膠瀝青＜SBS 改性瀝青；反之，若在低溫高頻區，此時則恰好呈相反的關系。由此得知，在高溫條件的作用下，改性瀝青混合料所具有的勁度隨之增加，能夠更為有效地抵抗變形，其工程性能表現更加良好。

3 結束語

（1）老化前，不同類型的瀝青材料所具有的高溫抗剪能力具有差異性，SBS 改性瀝青高于橡膠瀝青，K90#高于K70#，從復合模量的角度來看則具有改性瀝青超過基質瀝青的特點；而在老化后，各材料的抗車轍因子發生變化，其中以SBS 改性瀝青最大。由此說明，由于受到了改性劑的作用，瀝青的內部結構有所改變，此時瀝青在超高溫環境下的抗剪能力更強，在新疆地區高溫施工環境中更具可行性。

（2）老化的方式有助于提高瀝青的抗剪能力。其原因在于瀝青結構的變化，此時以凝膠型為主，使瀝青具有更“硬”的特性。

（3）從高溫路用性能的角度來看，以SBS 改性瀝青最佳，K70#基質瀝青的效果最差。這說明改性瀝青的適用性較強，可以被應用于新疆地區的路面施工中。

（4）經過試驗與分析后得知，膠結料具有更為良好的高溫抗剪能力，雖然受到了荷載作用，但其高溫力學性能表現依然良好，可以被應用于路面工程中。