瀝青混合料抗老化性能關鍵指標研究

丁德偉，劉曉宇，劉穎，薛耀東，王雪*

（1.中交第一航務工程局有限公司，天津 300461；2.南京潤程交通科學研究院有限公司，江蘇 南京 210046）

0 引言

研究和大量路面檢測數(shù)據(jù)表明，瀝青面層老化是影響路面耐久性重要原因。通車5～8 a 后，路面老化導致的病害逐漸增多，主要表現(xiàn)為路表縱向裂縫、網(wǎng)裂等，產(chǎn)生于路表，并逐漸往深層延伸，不及時處治甚至導致中面層產(chǎn)生大量網(wǎng)裂[1]。由于路面老化開裂導致的銑刨重鋪等維修約占通車8 a 以上高速公路路面大中修的40%～60%[2]。

瀝青路面長期暴露在外界環(huán)境下，受到許多不同因素的影響，黃曉明等[3]學者認為在瀝青的使用過程中，氧、熱以及老化時間的長短會影響瀝青變質(zhì)、老化的程度。同時，水、紫外線也是影響瀝青老化的重要因素。根據(jù)影響因素的不同，可將瀝青的老化分為熱氧老化、光老化及水老化[4]。除了瀝青膠結料自身抗老化性能外，瀝青路面的老化特征還與瀝青混合料的技術指標相關，如瀝青混合料的空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、瀝青飽和度（VFA）、瀝青膜厚度以及粉膠比（DP）等。

在瀝青混合料研究中，尚沒有提升抗老化性能的關鍵指標分析[5-7]。本文將圍繞瀝青膜厚度影響因素、粉膠比、壓實空隙率研究混合料的抗老化性能，有利于提升路面抗老化能力技術，實現(xiàn)路面長壽命、耐久性，同時降低公路養(yǎng)護成本。

1 原材料選取及試件老化處理

1.1 原材料選取

采用高速公路上面層常見的SBS 改性瀝青AC-13C 混合料。粗集料用玄武巖粗集料，細集料用石灰?guī)r機制砂，礦粉用石灰?guī)r磨細礦粉，瀝青為工廠化加工的成品I-D 型SBS 改性瀝青。

1.2 混合料及試件老化處理

按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中“熱拌瀝青混合料加速老化方法”進行混合料和試件的老化試驗。將混合料放入135 ℃±3 ℃的烘箱中強制通風加熱4 h±5 min，進行短期老化；然后將試件放置于試樣架上送入85 ℃±3 ℃烘箱中，在強制通風條件下連續(xù)加熱5 d（120 h±0.5 h），進行長期老化。為進一步探究長期老化條件對試驗結果的影響，本研究在5 d 長期老化的基礎上，增加同條件下10 d 的老化試驗。

2 瀝青膜厚度影響因素研究

瀝青膜厚度由混合料中的有效瀝青用量和礦料比表面積決定，有效瀝青用量由油石比的大小決定，礦料比表面積由設計級配決定[8]。本研究采用相同的級配，通過變化油石比改變?yōu)r青膜厚度。調(diào)整成型溫度和擊實功，使成型的瀝青混合料具有相近的空隙率。并用低溫彎曲試驗評價不同瀝青混合料在長期老化條件下的抗疲勞耐久性能。

2.1 級配設計

AC-13C 混合料各檔礦料摻配比例見表1，設計級配見表2。

表1 設計級配礦料摻配比例Table 1 Design grading mineral blending ratio

表2 設計級配Table 2 Design grading

2.2 混合料設計

改性瀝青AC-13C 的設計最佳油石比一般為4.9%，本研究分別選擇4.8%、5.0%兩個油石比進行混合料設計，通過調(diào)整成型溫度和擊實功，使2 組不同油石比的混合料成型空隙率相近。

2 組瀝青混合料體積性能指標均滿足施工技術規(guī)范要求，同條件下開展不同瀝青膜厚度對抗老化性能的影響具有較強的工程實際意義。并通過計算得到瀝青膜有效厚度計算結果，見表3。4.8%油石比對應有效瀝青膜厚度為8.084 μm，5.0%油石比對應有效瀝青膜厚度為8.444 μm。

表3 不同油石比對應有效瀝青膜厚度計算結果Table 3 Calculation results of effective asphalt film thickness corresponding to different oil to stone ratios

馬氏試驗結果如表4 所示。

表4 不同油石比馬氏試驗結果Table 4 Different oil to stone ratio martensite test results

2.3 低溫彎曲試驗

按規(guī)定條件開展老化試驗后，將車轍板切成小梁，分別開展低溫彎曲試驗，試驗結果見表5。由表5 可以得出以下結論：

表5 不同油石比在不同工況下的低溫彎曲試驗結果Table 5 Results of low-temperature bending tests under different working conditions with different oil to stone ratios

1）瀝青膜較厚的混合料抗彎拉強度值相對更優(yōu)；隨著老化條件的提高，瀝青膜較厚的混合料抗彎拉強度優(yōu)勢愈加顯著。表明瀝青膜較厚混合料在長期老化條件下抗疲勞力學性能相對更強。

2）隨著老化時間的延長，瀝青混合料彎拉應變呈下降趨勢，在120 h 左右下降速率有明顯的衰減。5 d 長期老化后，改性瀝青混合料AC-13C低溫彎拉應變已不能夠滿足技術要求（一般要求不低于2 500 με）。

3）隨著老化時間的延長，瀝青混合料勁度模量總體呈增長趨勢，尤其是5 d 條件下的長期老化，相對增長較快，后續(xù)增長緩和。

3 粉膠比

3.1 混合料設計

由于0.075 mm 以下顆粒的大幅度變化，瀝青AC-13C 混合料的有效瀝青膜厚度將隨著粉膠比提高而降低，在混合料設計階段應予以考慮。混合料摻配比例、設計級配及對應的粉膠比、瀝青膜厚度分別見表6、表7。

表6 不同設計級配礦料摻配比例Table 6 The mineral blending ratios with different design grades

表7 設計級配組成情況Table 7 Design grade composition

3 組不同粉膠比瀝青混合料的馬氏體積指標見表8。礦料用量對瀝青混合體積指標較敏感，隨粉膠比的變化，瀝青混合料空隙率、礦料間隙率、飽和度等指標均存在較大波動。精準化控制粉膠比指標才能穩(wěn)定瀝青混合料基本體積指標。

表8 5.0%油石比對應不同級配混合料馬氏試驗結果Table 8 5.0%oil to stone ratio corresponding to different graded mixes martensite test results

3.2 低溫彎曲試驗

按不同老化條件進行低溫彎曲試驗。結果見表9。從級配1—級配3，粉膠比由低到高變化。

表9 不同粉膠比混合料在不同工況下的低溫彎曲試驗結果Table 9 Low temperature bending test results of different powder to rubber ratio mixtures under different working conditions

由上述試驗結果得出以下分析結論：

1）瀝青混合料彎拉強度隨著老化時間的延長逐漸降低，粉膠比小的瀝青混合料彎拉強度相對偏低，這可能與其空隙率大、不密實有關。級配2、級配3 瀝青混合料彎拉強度差別不大。

2）隨著老化時間的延長，瀝青混合料彎拉應變呈下降趨勢，從上述3 組瀝青混合料來看，粉膠比越大的混合料抵抗彎拉應變能力相對越強。粉膠比大的瀝青混合料級配相對偏細，其空隙率小，更為密實，同時受外界熱風干擾更小。

3）隨老化時間的延長，瀝青混合料勁度模量總體呈增長趨勢，但級配1 混合料后期呈下降趨勢，可能與其空隙率過大、不密實等因素有關。

4 壓實后空隙率

準備壓實后空隙率分別為4%、5%、6%、7%、8%的試件，不同空隙率的混合料在不同老化條件下的彎拉強度、彎拉應變、勁度模量試驗結果見表10。試驗結果分析可知，彎拉強度整體隨路面空隙率的增大而呈下降趨勢；對于相同壓實空隙率而言，彎拉強度隨老化時間的延長呈減弱趨勢。在5 d、 10 d 試驗條件的長期老化后，不同空隙率試件的彎拉強度變化趨緩。

表10 不同空隙率的性能試驗結果Table 10 Performance test results of different void ratio

彎拉應變隨路面空隙率的增大而呈下降趨勢，且壓實空隙率大于6%時，下降過程呈現(xiàn)明顯拐點。對于相同壓實空隙率而言，試件的彎拉應變隨老化時間的延長而衰減。

勁度模量隨路面壓實后空隙率的增加呈現(xiàn)先降低后增長的趨勢，且當路面壓實空隙率大于6%時變化最為顯著。

5 結語

本文通過試驗探究了瀝青膜厚度、粉膠比、壓實度等關鍵指標對混合料抗老化性能的影響，歸納以下結論。

1）在瀝青混合料性能均滿足技術要求的前提下，在空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等其他指標相近，瀝青膜厚度不同的條件下，瀝青膜較厚的混合料抗老化能力更好。

2）在不考慮其他性能指標情況下，粉膠比偏大的瀝青混合料空隙率較低，結構更加密實，同時瀝青飽和度較高，使得混合料抵抗低溫彎拉能力更強，抗老化耐久性更好。

3）由試驗分析可知，路面壓實空隙率在6%以內(nèi)，混合料抗老化性能更優(yōu)。對于AC-13C 型抗老化瀝青混合料，在優(yōu)化級配控制范圍基礎上，將空隙率設計范圍按4.0%～5.5%進行控制；路面理論壓實度按94%～97%進行控制。