不同外摻劑對瀝青混合料抗老化性能研究

孫 瑞

(湖南中大設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410075)

1 瀝青混合料老化機理分析

1.1 瀝青路面外界環(huán)境

道路瀝青混合料路面外界環(huán)境十分復雜，影響其老化的主要因素包括外摻劑、太陽輻射、氣溫、風速和瀝青混合料自身熱傳導性能。在對瀝青混合料的老化性能進行分析時，并不是所有的因素都要考慮，要結(jié)合工程實際情況找出主導因素。比如瀝青路面在夜間攤鋪不存在太陽輻射，主要考慮路面與空氣間的熱交換；遇到大風天氣，還應考慮風速對瀝青溫度熱交換性能的影響[2]。

1.2 瀝青混合料老化機理

(1)瀝青熱氧老化機理

瀝青混合料的熱氧老化反應過程分為停滯期、誘導期、加速期、遲滯期。

停滯期：從過氧化物吸收能量到誘發(fā)老化，中間的一段能量累積期。

誘導期：過氧化物吸收能量到化學反應發(fā)生需要反應活化能加入的時間。

加速期：在瀝青混合料加入反應活化能后，鏈反應加速發(fā)生，瀝青各組分含量及針入度、延度、軟化點等性能指標出現(xiàn)明顯變化，該過程為反應加速期。

遲滯期：瀝青混合料反應持續(xù)一段時間后，自由基會結(jié)合生成一種阻止反應繼續(xù)發(fā)生的化學物質(zhì)，從而降低反應速度，瀝青的各項指標也逐漸降低，該過程為反應遲滯期。

瀝青混合料的熱氧老化屬于“自動催發(fā)老化”，具體反應過程如下：①鏈引發(fā)。瀝青混合料分子結(jié)構(gòu)中支鏈或雙鍵產(chǎn)生游離基R·。②鏈增長。當能量累積到一定程度，游離基R·會和氧分子快速結(jié)合，形成新的游離基ROO·。③鏈歧化。隨著反應不斷進行，瀝青混合料分子出現(xiàn)支化反應。④鏈終止。當游離基濃度達到飽和狀態(tài)時，游離基會相互碰撞導致鏈終止。

(2)瀝青光氧老化機理

瀝青混合料的分子中含有大量化學鍵，比如C-H鍵、C-C鍵、C=C鍵等。當瀝青混合料分子結(jié)構(gòu)被破壞，瀝青混合料性能會明顯降低，此時瀝青路面容易出現(xiàn)裂縫、侵蝕、剝落等病害。由相關(guān)研究成果可知，瀝青混合料分子結(jié)構(gòu)在光照條件下(受紫外線中的UV-A和UV-B輻射)更容易破壞，即瀝青在光照條件下發(fā)生了光氧老化作用，老化速度更快。

紫外線對瀝青混合料的影響厚度雖然只有0.1 mm數(shù)量級，但是老化的瀝青分子會向內(nèi)擴散，尤其是紫外線強度較大的地區(qū)和空隙率大的瀝青混合料，光氧老化作用的影響深度可達瀝青面層深度的20%。

2 瀝青混合料原材料及配合比設(shè)計

2.1 工程概況

以某快速路主線瀝青路面為研究對象，研究玄武巖纖維和聚合物類外摻劑對瀝青混合料抗老化性能的影響。該道路所處地區(qū)為溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫14.9 ℃，主線路面結(jié)構(gòu)為4 cm細粒式SBS改性瀝青混凝土(AC-16)+6 cm中粒式SBS改性瀝青混凝土(AC-20C)+8 cm粗粒式瀝青混凝土(AC-25C)+2×18 cm水穩(wěn)碎石基層+18 cm低劑量水穩(wěn)碎石底基層。結(jié)合馬歇爾試驗AC-16混合料開展配合比設(shè)計，確定瀝青混合料級配組合如表1所示。

表1 AC-16混合料級配組合

2.2 原材料選擇

(1)瀝青

瀝青用量對瀝青混合料的使用性能影響程度大。當瀝青用量較多，會降低骨料間的粘附性，甚至使顆粒處于懸浮狀態(tài)，在行車荷載作用下更容易產(chǎn)生滑移，從而對路面抗滑能力產(chǎn)生不利影響；如果瀝青用量較少，包裹礦料的瀝青膜變薄，在外荷載作用下路面容易出現(xiàn)松散、剝落等現(xiàn)象。本試驗采用的某瀝青科技公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青，相關(guān)性能指標均滿足《道路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)。

(2)集料

瀝青路面在運營期間，會受到車輛荷載的反復作用，路表石料磨損，形態(tài)變得更加光滑，降低了路面的抗滑性能，對行車安全產(chǎn)生不利影響，故瀝青路面在開展配合比設(shè)計之前，一般是選擇磨光值大、磨耗值小的石料。本試驗采用當?shù)厣a(chǎn)的石灰?guī)r，表觀相對密度為2.73 t/m3，毛體積相對密度為2.68 t/m3。

(3)外摻劑

隨著交通量逐年增長，為了避免路面病害的出現(xiàn)，對瀝青混合料性能要求更加嚴格。目前，改善路面使用性能的常見做法是在瀝青混合料中加入外摻劑，但不同類型的外摻劑的改性機理不同，對路面性能的提升效果也有較大差異。本試驗選擇的外摻劑是玄武巖纖維BFRP、高模量劑、抗車轍劑、高黏改性劑。

2.3 外摻劑改良原理

玄武巖纖維是環(huán)境友好、性能高效的材料，隔熱、耐腐蝕效果好，能適應各種極端施工環(huán)境，對瀝青路面有阻裂作用、增粘作用、應力緩沖作用等。

阻裂作用：玄武巖纖維抗拉強度大，能改善路面受力特性，并且纖維在瀝青混合料中交錯分布形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)會對瀝青路面中的裂紋發(fā)展起到約束作用，防止路面開裂。玄武巖纖維的阻裂作用可用應力強度因子Kf表示如下[4]

式中：P為裂紋頂端集中力，kN；b為玄武巖纖維至裂縫頂端矢量距離，cm；a為裂紋寬度，cm。

增粘作用：玄武巖纖維添加進瀝青材料能增強各集料間黏附作用，提高集料粘結(jié)力，直接影響瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

應力緩沖作用：玄武巖纖維直徑小，與瀝青材料接觸表面積大，使得纖維表面與瀝青之間形成“界面層”。該界面層能對車輛荷載傳遞起到一定的緩沖作用，且隨著路面深度的增加，界面層的應力消減作用越明顯。同時，玄武巖纖維會增加瀝青膜厚度，減小混合料中的空隙大小、數(shù)量，使得瀝青路面更緊密，路面使用性能更好。

2.4 配合比驗證

在開展玄武巖纖維和聚合物類外摻劑對瀝青混合料抗老化性能的影響試驗之前，需利用謝倫堡析漏試驗與肯塔堡飛散試驗AC-16混合料的瀝青用量是否符合設(shè)計要求，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同外摻劑下混合料析漏、飛散試驗結(jié)果

3 外摻劑對不同老化階段瀝青混合料高溫性能、抗裂性能的影響

3.1 室內(nèi)模擬瀝青混合料老化試驗

瀝青老化模擬方法有自然老化法和模擬老化法兩類，其中自然老化法是模擬瀝青路面在自然環(huán)境下性能老化實際規(guī)律，但是老化時間周期太長，難以開展平行對照試驗，難以研究各種變量對瀝青混合料性能的影響，因此，目前普遍采用的是模擬老化法。

根據(jù)《道路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，模擬瀝青混合料短期老化采用烘箱加熱法，長期老化可用延時烘箱加熱法，試驗精度可滿足工程需求，具體操作方法為[5]：(1)短期老化，將拌和后的瀝青混合料均勻松鋪在托盤上，攤鋪不宜過密，將托盤放進溫度為135±1 ℃的烘箱內(nèi)，連續(xù)加熱4 h(每隔1 h翻拌均勻)，成型后開展相關(guān)試驗。(2)長期老化，將短期老化成型的瀝青混合料試件冷卻后放入85±3 ℃的烘箱，連續(xù)加熱5 d、10 d、15 d，成型后開展相關(guān)試驗來模擬瀝青路面的長期運營后性能變化。

3.2 試驗方案設(shè)計

(1)高溫性能試驗方案

相關(guān)研究表明，相對于車轍試驗，瀝青混合料的抗剪貫入強度和動穩(wěn)定度相關(guān)性更好，因此，選擇單軸貫入試驗來評價瀝青混合料高溫性能。試驗采用的瀝青混合料試件直徑為150 mm、試件標準高度為100 mm、壓頭直徑為42 mm。試驗前需將試件放入60 ℃環(huán)境下保溫，再把壓頭放在試件中心處以1 mm/min的速率加載，直到貫入力出現(xiàn)峰值。瀝青試件的貫入強度Rτ計算可按下式

fτ=0.002 3h+0.12

式中：P為貫入力峰值，N；A為壓頭截面面積，cm；fτ為剪應力系數(shù)，無量綱；h為試件標準高度，cm。

(2)抗裂性能試驗方案

選擇IDEAL-CT劈裂試驗來研究瀝青混合料的抗裂性能，以CTindex為抗裂指標來評價瀝青混合料的抗裂性能。試驗采用的瀝青混合料試件直徑為100 mm、試件標準高度為62 mm、孔隙率為6%±0.5%，每組試驗取4個平行試件。試驗溫度取25 ℃，加載速率取50 mm/min，當加載力減至0.1 kN時，結(jié)束試驗CTindex計算公式如下[6]

式中：h為試件高度，cm；Gf為斷裂能，N/m；m75為峰值力處斜率，%；l75為峰值力處變形，cm；D為試件直徑，cm。

3.3 外摻劑對各老化階段瀝青混合料高溫性能的影響

按上述要求，制備了若干個AC-16混合料貫入試件，得到了不同老化階段，不同外摻劑下瀝青混合料的貫入強度及變化率如見圖2。

圖2 不同老化階段瀝青混合料貫入強度

試驗結(jié)果表明：整個老化過程中，所有瀝青混合料試件的貫入強度均呈“U”形變化，即先下降后上升的趨勢，從新拌混合料到長期老化5 d，各試件貫入強度持續(xù)下降。從長期老化5 d到15 d，所有試件貫入強度出現(xiàn)一定程度的提高，主要原因在于：(1)在瀝青混合料的初始老化階段，其中的SBS改性劑降解，瀝青變軟，貫入強度下降。(2)隨著瀝青混合料不斷老化，SBS改性劑降解速率變緩直至消失，瀝青逐漸硬化，使得貫入強度增加。AC-16在不同老化階段的貫入強度及變化率如表3所示。

同時，從新拌混合料到長期老化5 d，玄武巖纖維瀝青貫入強度下降速率僅為4%、3%。長期老化5 d到15 d，玄武巖纖維瀝青貫入強度下降速率可達10%、9%，其貫入強度下降速率明顯低于其它外摻劑，貫入強度提升幅度也最高，說明玄武巖纖維改善AC-16瀝青試件的長期高溫性能效果最好。

表3 AC-16在不同老化階段的貫入強度及變化率

3.4 外摻劑對各老化階段瀝青混合料抗裂性能的影響

不同老化階段，不同外摻劑下瀝青混合料的CTindex見圖3。

圖3 不同老化階段瀝青混合料抗裂指標

由試驗結(jié)果可知：隨著瀝青混合料的不斷老化，試件的抗裂指標不斷下降，但下降速率總體逐漸變緩。在老化時間相同的條件下，玄武巖纖維瀝青的抗裂指標下降速率分別為4.8%、6.1%、3.9%、2.6%。CTindex要大于高模量劑、抗車轍劑、高黏改性劑。這說明玄武巖纖維材料能與瀝青協(xié)同受力，提升了混合料裂縫延伸所需的能量，降低了混合料開裂進程。

4 結(jié) 語

為了響應國家節(jié)能環(huán)保要求，減小資源消耗，主要探討了瀝青老化機理、外摻劑改良機理及外摻劑對各老化階段瀝青混合料高溫性能、抗裂性能的影響規(guī)律，主要得到以下結(jié)論。(1)瀝青混合料老化機理分為熱氧老化和光氧老化，主要影響因素為外摻劑、太陽輻射、氣溫等。(2)瀝青混合料普遍采用模擬老化法，其中短期老化可用烘箱加熱法，長期老化可用延時烘箱加熱法。(3)整個老化過程中，瀝青混合料試件的貫入強度均呈先下降后上升的趨勢，抗裂指標CTindex不斷下降，且玄武巖纖維對AC-16瀝青混合料的高溫性能和抗裂性能改善效果最好。