老化前后瀝青與瀝青混合料指標(biāo)相關(guān)性分析

張穎森，高 穎，郭慶林，楊邯超

(河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

由于瀝青長期暴露在復(fù)雜的氣候環(huán)境中，熱氧老化導(dǎo)致瀝青硬化是不可避免的問題，此外，在水、紫外光、溫度的耦合作用下，老化進(jìn)一步加劇，瀝青路面服役壽命顯著降低[1-4]。目前，學(xué)者們對瀝青老化已開展大量試驗研究，主要集中在兩個方面。一方面通過瀝青微觀分子結(jié)構(gòu)變化來分析瀝青老化機(jī)理及化學(xué)成分變化：金大勇[5]等人采用紅外光譜與凝膠滲透色譜分析了瀝青的老化機(jī)理，發(fā)現(xiàn)瀝青老化時吸收氧氣發(fā)生聚合，分子間滑移減小，瀝青逐漸呈硬脆性；耿九光[6]通過紅外光譜法研究了基質(zhì)瀝青老化前后官能團(tuán)的變化，發(fā)現(xiàn)羰基和亞砜基含量有所增加。另一方面是通過室內(nèi)宏觀試驗來分析老化對瀝青及瀝青混合料的影響：Zhang[7]等人研究了老化對多種SBS改性瀝青流變性能的影響，發(fā)現(xiàn)老化會使瀝青相位角減少，復(fù)數(shù)模量升高；Behnood[8]等人通過彎曲梁流變儀研究了不同種改性瀝青的低溫性能，研究發(fā)現(xiàn)熱氧老化后，瀝青勁度模量變大，蠕變速率減小，低溫性能變差；鄭向雷[9]通過測試瀝青混合料老化前后的動穩(wěn)定度來研究老化對混合料高溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)老化促使混合料穩(wěn)定度增加；陳海燕[10]采用劈裂試驗研究老化對低溫性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著老化深入，混合料低溫性能變差；Lamothe[11]等人對成型試件進(jìn)行了單軸壓縮試驗，分析水對熱拌瀝青混合料疲勞性能的影響，結(jié)果表明，有水狀態(tài)下的混合料疲勞性能低于干燥狀態(tài)下的瀝青混合料。

上述研究仍處于瀝青、瀝青混合料二者的單一化研究，指標(biāo)之間的影響機(jī)制尚不清楚。若能將瀝青與瀝青混合料的老化指標(biāo)影響進(jìn)行聯(lián)系，找到瀝青老化對混合料指標(biāo)影響的某種規(guī)律，則對于瀝青及混合料老化相關(guān)研究和工程實際應(yīng)用起到積極作用?；谏鲜鰡栴}，本文首先通過室內(nèi)試驗研究瀝青老化前后三大指標(biāo)演化規(guī)律，其次對瀝青混合料老化前后力學(xué)性能進(jìn)行測試，并基于測試結(jié)果對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，探討老化前后瀝青、瀝青混合料指標(biāo)間相關(guān)性，研究成果可通過對瀝青的指標(biāo)測試達(dá)到對混合料老化前后性能的預(yù)測評價，具備一定的工程實際價值，同時可為揭示瀝青老化對路面耐久性的影響提供有利的理論支撐。

1 試驗研究

1.1 試驗材料

試驗選用AH-70#石油瀝青及玄武巖骨料制備AC-13瀝青混合料，由馬歇爾試驗確定最佳油石比為4.6%。原材料相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1、表2所示，混合料級配如圖1所示。

表1 瀝青基本技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Basic performance of asphalt

表2 骨料基本技術(shù)指標(biāo)(經(jīng)過沖洗處理)Tab.2 Basic technical index of aggregate (after flushing treatment)

圖1 AC-13瀝青混合料級配曲線Fig.1 Grading curve of AC-13 asphalt mixture

1.2 實驗方法

1.2.1 瀝青宏觀指標(biāo)測試

對基質(zhì)瀝青進(jìn)行針入度、軟化點、延度測試，分析老化前后瀝青指標(biāo)變化規(guī)律，并與瀝青混合料力學(xué)性能進(jìn)行相關(guān)性分析。測試階段分為未老化階段、短期老化階段、長期老化階段，采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗對基質(zhì)瀝青進(jìn)行短期老化試驗，長期老化采用壓力老化試驗儀進(jìn)行試驗。

1.2.2 混合料力學(xué)性能測試

對AC-13瀝青混合料在-10 ℃及20 ℃兩種工況下進(jìn)行半圓彎拉試驗(圖2)，將試驗支座兩支點之間距離設(shè)置為120 mm，試件中心的預(yù)切縫深度為10 mm，中、低溫荷載加載速率分別設(shè)為1、50 mm/min。試驗階段包括未老化、短期老化、長期老化，同時為了提高試驗測試的數(shù)據(jù)參考度和可推測性，測試中將引入超長期老化10 d和15 d，超長期老化根據(jù)美國國家公路與運(yùn)輸協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)(AASHTO PP1)要求進(jìn)行。試驗分析混合料層底抗拉強(qiáng)度、模量變化規(guī)律[12-14]，為減少試驗數(shù)據(jù)離散型，每種條件均采用3個平行試件進(jìn)行測試[15-17]?；旌狭侠匣囼灧椒ㄈ绫?所示，其相關(guān)力學(xué)指標(biāo)按下式計算：

(1)

(2)

(3)

式中:σt為層底抗拉強(qiáng)度(MPa)；P為試件峰值荷載(N)；t為試件厚度(mm)；D為試件直徑(mm)；E為彈性模量(MPa)；K為位移系數(shù)；F為豎直方向荷載(N)；B為試件厚度(mm)；Vz為豎向位移(mm)；Gf為試件的斷裂能(J/m2)；A為荷載-跨中撓度曲線下的面積(J)；b為試件的厚度(mm)；h為試件的高度(mm)。

表3 老化試驗方法Tab.3 Aging test method

圖2 半圓彎拉試驗Fig.2 Semicircle bending tensile test

同時，本文將引入一個階段差異指數(shù)，通過差異指數(shù)大小來表征各項指標(biāo)對老化的敏感性，階段差異指數(shù)如下式：

(4)

2 實驗結(jié)果分析

2.1 老化前后瀝青三大指標(biāo)變化規(guī)律

不同老化時期瀝青三大指標(biāo)變化規(guī)律如表4所示。

表4 老化前后瀝青三大指標(biāo)變化Tab.4 Changes of three major indexes of asphalt before and after aging

從表4可知，基質(zhì)瀝青針入度基本呈直線下降，延度在短期老化過程中，下降速率較快，之后長期老化階段下降趨勢減緩，說明短期老化對瀝青延度老化影響起主導(dǎo)作用。主要原因在于，瀝青老化后生成羰基、亞砜基等含氧官能團(tuán)，小分子發(fā)生聚合反應(yīng)，分子間滑移減少，流動度降低，導(dǎo)致針入度和延度下降[18-19]。此外，通過對瀝青軟化點的測試發(fā)現(xiàn)即便長、短期老化時間有所增長，但老化瀝青軟化點上升水平并沒有如針入度和延度測試結(jié)果般出現(xiàn)大幅變化，說明老化作用對瀝青軟化點影響較小。

2.2 力學(xué)性能試驗結(jié)果分析

根據(jù)試驗結(jié)果，繪制中、低溫下AC-13瀝青混合料不同老化階段力學(xué)性能、階段差異指數(shù)變化規(guī)律圖，如圖3至圖9所示。

2.2.1 強(qiáng)度對老化敏感性分析

由圖3可見，在-10 ℃條件下，未老化至短期老化過程中，層底抗拉強(qiáng)度提升3.1%，而繼短期老化后持續(xù)的長期、超長期老化導(dǎo)致的層底抗拉強(qiáng)度變化較小?？傮w而言，低溫條件下老化對瀝青混合料的強(qiáng)度影響很小，其中短期老化在低溫條件下對瀝青混合料的強(qiáng)度影響要稍大于長期、超長期老化。

圖3 層底抗拉強(qiáng)度演化規(guī)律Fig.3 Evolution law of Strength

20 ℃條件下，在未老化至長期老化階段，層底抗拉強(qiáng)度增長速率較快，相比于未老化時期，依次提升了19.26%、33.42%、36.08%。長期老化后，層底抗拉強(qiáng)度變化幅度顯著降低。由不同溫度下混合料測試結(jié)果可知，20 ℃條件下，瀝青混合料的強(qiáng)度受長期老化過程影響程度較大，而之后超長期的老化對瀝青強(qiáng)度的影響程度將顯著降低。

2.2.2 模量對老化敏感性分析

由圖4可見，-10 ℃低溫條件下，瀝青混合料的抗變形能力增強(qiáng)，導(dǎo)致各時期混合料彈性模量均顯著高于中溫時期。-10 ℃低溫的老化過程中，從未老化階段到超長期10 d階段，不同老化階段瀝青混合料與未老化相比，彈性模量依次提升了19.64%、30%、35.86%。而在20 ℃環(huán)境下，彈性模量在長期老化過程中僅出現(xiàn)小幅度增長，之后的超長期老化階段對彈性模量影響較小?？梢缘贸?，老化過程中，溫度高低在較大程度上可以影響瀝青混合料模量，其中低溫對混合料模量具有顯著的提升作用。

圖4 彈性模量演化規(guī)律Fig.4 Evolution law of elastic modulus

2.2.3 強(qiáng)度與模量敏感性對比

從圖5、圖6中發(fā)現(xiàn)，兩種溫度下，瀝青混合料隨著老化程度加深，層底抗拉強(qiáng)度與彈性模量的階段差異指數(shù)均先升高后下降。-10 ℃條件下，模量階段差異性指數(shù)變化幅度遠(yuǎn)高于強(qiáng)度階段差異指數(shù)的變化幅度，說明低溫條件下，模量對老化階段的敏感性更高。在20 ℃時，總體對比兩者受老化影響程度均為較高水平，其中模量階段差異指數(shù)在整個老化過程中基本是略高于強(qiáng)度階段差異指數(shù)。會出現(xiàn)模量幅度變化大的原因在于，隨著老化時間增長，瀝青受熱氧作用逐漸呈現(xiàn)硬脆性，外荷載作用下，內(nèi)部應(yīng)力變大，導(dǎo)致模量增大。此外，短期老化后瀝青混合料強(qiáng)度受老化影響程度逐漸降低，進(jìn)一步老化很難使瀝青混合料硬脆性持續(xù)提高，超長期10 d時，混合料達(dá)到最高臨界強(qiáng)度。

圖5 -10 ℃條件下強(qiáng)度、模量各老化階段差異 指數(shù)變化情況Fig.5 Variation rule of strength and modulus difference at -10 ℃

圖6 20 ℃條件下強(qiáng)度、模量各老化階段差異 指數(shù)變化情況Fig.6 Variation rule of strength and modulus difference at 20 ℃

圖7 斷裂能演化規(guī)律Fig.7 Evolution law of fracture energy

2.2.4 斷裂能演化規(guī)律分析

由圖7可知，在-10 ℃條件下，隨著老化時間增長，瀝青混合料的斷裂能逐漸下降。與未老化瀝青混合料相比，瀝青混合料斷裂能呈單調(diào)趨勢分別下降13.76%、28.3%、34.51%、39.72%，原因在于瀝青混合料的強(qiáng)度主要取決于界面拉伸強(qiáng)度，而瀝青老化導(dǎo)致瀝青混合料脆性增加，削弱瀝青膠結(jié)料與礦料間的粘聚力，隨著老化的深入，粘聚力弱化最終導(dǎo)致其破壞所需的斷裂能下降。

在20 ℃試驗溫度下，隨著老化深入，瀝青混合料的斷裂能呈上升趨勢。與未老化瀝青混合料相比，斷裂能依次提高了2.73%、4.96%、6.42%、7.48%，相較于-10 ℃低溫條件，20 ℃老化作用對斷裂能影響顯著降低。除此之外，數(shù)據(jù)表明中溫條件下斷裂能的數(shù)據(jù)變化趨勢與低溫條件下斷裂能相反，原因在于，低溫下瀝青分子間流動度降低，瀝青呈硬脆性，外力作用下，混合料呈現(xiàn)較小的破壞位移；而中溫時，瀝青呈粘彈性，混合料破壞所需位移較大，導(dǎo)致其抗裂性有所提高[20]。

3 瀝青混合料力學(xué)指標(biāo)與瀝青指標(biāo)相關(guān)性分析

瀝青性能與瀝青混合料性能息息相關(guān)，為分析二者之間的內(nèi)在聯(lián)系，對二者相關(guān)指標(biāo)建立擬合曲線，進(jìn)行相關(guān)性回歸分析。通過先前試驗數(shù)據(jù)綜合可以發(fā)現(xiàn)瀝青的指標(biāo)變化主要集中在長期老化階段及之前，超長期老化并不是指標(biāo)變化的主要階段，因此相關(guān)性分析中取瀝青未老化、短期老化、長期老化三個階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，擬合結(jié)果如圖8—圖11所示。

從圖8到圖11可知，低溫條件下，強(qiáng)度與瀝青三大指標(biāo)的擬合度均高于0.95，中溫下強(qiáng)度與瀝青針入度、軟化點擬合度接近1。此外，以擬合優(yōu)度R2作為參考標(biāo)準(zhǔn)，中、低溫下軟化點與強(qiáng)度的相關(guān)性最高，針入度與強(qiáng)度的相關(guān)性略低于軟化點與強(qiáng)度相關(guān)性。

同時，低溫條件下，模量與瀝青三大指標(biāo)的擬合度均在0.9以上。20 ℃時，模量與針入度、軟化點擬合度達(dá)到0.99，與延度相關(guān)性較低。與強(qiáng)度相比較，模量與瀝青宏觀指標(biāo)的相關(guān)性更高，可以表明，模量對老化更為敏感。

由擬合結(jié)果可得出，在瀝青混合料老化過程中，瀝青基本指標(biāo)變化規(guī)律能夠間接反應(yīng)混合料強(qiáng)度的變化趨勢，結(jié)合老化時期瀝青三大指標(biāo)變化規(guī)律的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，老化作用對瀝青軟化點影響較小，因此推薦采用針入度對瀝青混合料性能進(jìn)行預(yù)測。

圖8 -10 ℃條件下強(qiáng)度與瀝青三大指標(biāo)相關(guān)性Fig.8 Correlation between strength and three indexes of asphalt at -10℃

圖9 20 ℃條件下強(qiáng)度與瀝青三大指標(biāo)相關(guān)性Fig.9 Correlation between strength and three indexes of asphalt at 20℃

圖10 -10 ℃條件下模量與瀝青三大指標(biāo)相關(guān)性Fig.10 Correlation between modulus and three indexes of asphalt at -10℃

圖11 20 ℃條件下模量與瀝青三大指標(biāo)相關(guān)性Fig.11 Correlation between modulus and three indexes of asphalt at 20℃

4 結(jié)論

1)隨著老化時間增長，瀝青針入度和延度下降，延度在短期老化階段下降幅度最大。

2)20 ℃時，長期老化顯著提高了混合料強(qiáng)度，長期老化后，老化作用不明顯；-10 ℃時，老化作用對混合料強(qiáng)度影響較弱。低溫環(huán)境顯著提高了混合料彈性模量，且在老化初期，老化對模量的提升作用最為明顯。

3)根據(jù)階段差異指數(shù)演化規(guī)律得出老化對混合料彈性模量影響比強(qiáng)度更明顯。

4)相比于中溫條件，老化對混合料低溫斷裂能作用更加明顯，而中溫斷裂能顯著高于低溫斷裂能。

5)老化前后瀝青針入度、軟化點與瀝青混合料模量、強(qiáng)度具有較高線性相關(guān)性，擬合優(yōu)度R2基本高于0.95，綜合推薦針入度法對中低溫下瀝青混合料力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測。