热老化对OGFC沥青混合料路用性能的影响

尚志刚

（天津城建设计院有限公司，天津市 3 00122）

热老化对OGFC沥青混合料路用性能的影响

尚志刚

（天津城建设计院有限公司，天津市 3 00122）

采用SBS改性沥青和70#基质沥青拌制OGFC-13沥青混合料，并将松散混合料分别在135℃和165℃下热老化4h来模拟混合料短期老化。随后测试并对比老化前后不同混合料的排水性能、高温稳定性以及水稳定性，试验结果表明：老化前后的SBS改性沥青混合料路用性能均优于SK-70基质沥青混合料，且两类沥青混合料在老化后水稳定性有一定幅度的降低，而混合料的渗水系数和动稳定度有所提高。

沥青混合料；OGFC；热老化；路用性能

0 引 言

开级配沥青磨耗层（OGFC）因具有大量连通空隙，故其拥有优异的排水、抗滑以及降噪功能[1-3]。OGFC的相关研究已经趋于成熟且被广泛应用于实际路面工程中，尤其是城市道路中。目前OGFC混合料的研究主要集中在力学强度以及沥青改性中，而关于其老化的研究较少[3]。混合料老化是指由于路面在开放交通后受太阳光、热、空气以及水分等因素的影响发生氧化、轻组分挥发以及其他化学变化进而导致沥青混合料路用性能劣化的现象。混合料老化后会使沥青粘附性和柔性降低，进而使混合料容易发生开裂以及集料脱落。

目前沥青混合料的老化方法有光老化、热老化以及压力老化[1-3]，本文选取操作简单且仪器便捷的热老化法来模拟混合料在施工阶段的短期老化，并在随后测试并对比老化前后不同混合料的稳定度、排水性能、高温稳定性以及水稳定性，可用于OGFC混合料的长期性能研究及工程应用参考。

1 试验准备

1.1 试验原材料

试验采用SK-70#基质沥青和SBS改性沥青两种沥青进行混合料的制备，且按照相关试验规范完成两种沥青的基本性能检测[4]，具体测试结果见表1。试验中所用集料为形状良好、力学性能优良的石灰岩。

表1 沥青性能指标测试结果

1.2 矿料级配及目标孔隙率的确定

开级配沥青磨耗层（OGFC）主要采用粗集料且在实际工程中常用的级配类型为OGFC-13，故本文采用OGFC-13级配类型来拌制混合料。所用OGFC-13级配曲线见图1。普通密集配沥青混合料的孔隙率为10%左右，而开级配沥青混合料具有大量孔隙且孔隙之间相互连通。为保证开级配沥青混合料具备优良的排水性能，试验中OGFC-13混合料的设计值为15%。但同时考虑到路面孔隙率会在实际使用过程中会因异物堵塞、路面病害（车辙、推移等）以及车辆碾压等实际问题而降低，故试验中混合料的孔隙率目标设计值为20%，从而确保混合料具备良好的排水性和降噪功能。

1.3 油石比的确定

普通密实型混合料的结构强度主要来自于胶结料粘结以及集料嵌挤，且其最佳油石比采用马歇尔法进行确定。OGFC混合料的结构强度主要来自于集料的嵌挤作用，沥青胶结料对其影响较小，因此国内外通常采用谢伦堡析漏和垦塔堡飞散试验来确定混合料的最佳油石比。

试验首先依据矿料比表面积理论公式估算该级配的沥青用量，然后以该级配为中值并以0.5%和1.0%为间隔分别向两边另取两组沥青用量。随后以这五组沥青含量拌制混合料，并以谢伦堡析漏和垦塔堡飞散试验确定最佳沥青用量，试验结果表明OGFC-13最佳油石比为4.2%。

图1 OGFC-13级配曲线图

1.4 老化流程

沥青老化分为短期老化和长期老化两个阶段，短期老化是指混合料在拌合、运输以及摊铺过程中因温度较高而发生的组分挥发和胶结料氧化的现象；长期老化是指路面在使用过程中因行车荷载、光、热以及空气等因素而发生的缓慢老化过程。

目前沥青混合料的老化方法有光老化、热老化以及压力老化，本文选取操作简单且仪器便捷的热老化法来模拟混合料在施工阶段的短期老化，具体老化流程是：将拌合均匀的松散沥青混合料置于烘箱内在135℃和165℃下加热4 h。

2 试验结果与分析

试验中采用两种老化条件（135℃，165℃）和两种沥青（SK基质沥青，SBS改性沥青）成型四种不同的混合料试件，分别记为SK-135、SK-165、SBS-135、SBS-165，且未老化的沥青混合料分别记为SK和SBS。

2.1 稳定度与流值

马歇尔稳定度和流值是沥青混合料中重要的基本力学性能，是反应沥青混合料结构稳定性和抗变形能力的重要指标。试验依据相关试验规范进行成型并测试其稳定度和流值[4]，测试结果见表2。

表2 马歇尔指标测试结果

分析表2中数据可知，老化前后SBS改性沥青混合料的稳定度均较大，而流值较小。这是由于SBS沥青具有更强的粘附性和粘弹性，进而可以提高混合料的结构强度和热稳定性。同时，两种混合料老化之后的稳定度和流值均有所降低，且老化温度越高，稳定度和流值越低。这是由于沥青老化后与集料粘附性变差且硬度增加，使得力学指标稳定度下降，同时硬度增加可降低流值。

2.2 排水性能

OGFC路面具有大量的连通空隙，因此具有优良的排水性能。一般来说，排水性能可通过渗水系数来表征，测试结果见图2、见图3。

图2 空隙率测试结果

图3 渗水系数测试结果

由图2、图3中数据可得，图中六种沥青混合料的空隙率均在20%左右，满足设计要求，其渗水系数均大于0.35 cm/s，远大于规范要求。另外，基质沥青混合料的渗水系数与SBS改性沥青相差很小，且老化后的混合料渗水系数有所增加。这是由于老化后的沥青流动性变差进而导致试件成型时因沥青流动所堵塞的空隙较少，最终空隙率变大进而渗水系数增大。

2.3 高温稳定性

沥青是一种温敏性材料，温度的升高会使其变软进而引发车辙、推移以及拥包等多种高温病害，OGFC混合料沥青含量较少且主要依靠粗骨料的嵌挤提供强度，因此其高温稳定性需严格检测。本文按相关试验规范成型车辙试件，随后在60℃条件下采用HYCZ-5型车辙试验仪测试试件实时变形，并根据式（1）计算动稳定度（DS），测试图示及结果见图4。

式中：d1及d2分别为t1(45 min)和t2(60 min)时的变形量；N为试验轮碾压速度。

图4 动稳定度测试结果

对比两种沥青混合料，SBS改性沥青混合料的动稳定度较大，这是由于SBS沥青具有更强的粘附性和粘弹性，进而可以提高混合料的结构强度和热稳定性。而且老化后沥青混合料的动稳定度均有一定幅度的提高，且温度老化温度越高，动稳定度越高。这是由于老化后沥青中的一部分轻组分（芳香酚）转化为重组分（胶质和沥青质），使得沥青硬度和劲度增加，进而可有效提高混合料的高温稳定性。

2.4 水稳定性

OGFC路面具有较多的连通空隙，且在使用过程中经常遭受水分的侵蚀和冲刷，因此OGFC的水稳定性直接影响路面的功能性。一般采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验来测试混合料的水稳定性，按相关试验规范分别成型两组马歇尔试件，每组4个。

浸水马歇尔试验中两组试件分别置于室温环境和60℃水箱中保温48 h，随后测试其马歇尔稳定度（MS0），并按式（2）计算。

式中：MS及MS1分别为未浸水和浸水试件的马歇尔稳定度。

冻融劈裂试验中将一组试件按规范在一定温度条件下进行冻融循环，循环结束后进行劈裂试验并测定最大荷载。测试完成后按式（3）计算冻融劈裂强度比（TSR），测试图示及试验结果见图5、图6。

式中：RT1及RT2分别是冻融循环和未冻融试件的劈裂抗拉强度。

图5 浸水马歇尔测试结果

图6 冻融劈裂测试结果

由图5、图6可知，不同温度老化前后SBS改性沥青混合料的残留稳定度和残留强度比较大，表明其水稳定性更好。这是由于SBS与集料之间的粘附性更强进而具备更强的抗剥落能力，水稳定性更强。另外，混合料老化后的残留稳定度和残留强度比降低，且降低幅度随老化温度的增加而增大。这是由于沥青中的部分轻组分（芳香酚）转化为重组分（胶质和沥青质），使得沥青脆性增强且粘附性变差，导致其在水分侵蚀下更容易发生损害。

3 结论

（1）试验中两种沥青混合料的稳定度和流值在老化后均有所降低，且二者随老化温度的提高而降低，表明混合料的老化确实在一定程度上影响了混合料的力学性能。

（2）老化前后两类沥青混合料的渗水系数均大于0.35 cm/s，且老化后混合料的渗水系数有所增大。

（3）SBS改性沥青混合料的高温稳定性优于基质沥青混合料，且两种混合料老化后的动稳定度有所增长，增长幅度与老化温度呈正相关，表明混合料的老化可增强混合料的高温稳定性。

（4）老化前后SBS改性沥青混合料均具备更强的水稳定性，且两类沥青混合料老化后的残留稳定度和残留强度比有所降低，老化温度越高，降低幅度越大。

[1]王冲,徐世法,季节,等.再生 SBS改性沥青混合料再度老化性能的研究[J].北京建筑工程学院学报,2006,22(3):20-23.

[2]郭韦韦,张祖棠.高寒地区光老化对沥青混合料低温性能影响[J].重庆交通大学学报 (自然科学版),2012,31(1):51-53.

[3]Kluttz,R.Q,etc.Highly Modified Bitumen for Prevention of Winter Damage in OGFCs[Z].Airfield and Highway Pavement 2013: Sustainable and Efficient Pavements.ASCE,2013.

[4]JTJ052－2011,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

U414

A

1009-7716（2017）01-0033-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.009

2016-11-14

尚志刚（1976-），男，黑龙江黑河人，高级工程师，从事道路设计工作。