热氧老化对沥青混合料高低温性能影响的试验研究

何海波

(广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001)

0 引言

目前，随着我国经济的飞速发展，公路建设也取得了跨越式的成就。由于沥青路面比水泥路面具有行车舒适、维修快捷等优势，我国现有高速公路中约有94%使用沥青混凝土路面。但随着经济的持续发展，沥青混凝土路面的承载能力现已远远不能满足当前交通量的要求，同时在各种外界环境综合作用下，路面出现不同程度的多种病害，如裂缝、松散、车辙等。普通沥青路面在当前公路工程应用中的表现不容乐观，为满足交通发展需求，改性沥青得到了大量的推广应用，其中，属天然沥青改性沥青混合料的应用尤为广泛。作为一种常用的路面材料，其老化性能会在自然环境和行车荷载的反复作用下随着时间的推移而改变。沥青混合料的老化主要可分成两个阶段：沥青混合料的短期老化，主要是指沥青在一系列施工过程中造成的老化；沥青混合料的长期老化，主要指沥青在路面通车阶段受到自然环境影响造成的老化，其中环境因素主要包括热、氧、光照、交通荷载等。沥青混合料的老化降低了沥青路面的变形能力，并在自然环境与行车荷载的长期共同作用下容易开裂形成网状裂缝，直接影响道路的使用寿命。因此，研究沥青混合料的老化性能，对提高沥青路面的使用质量与使用寿命意义重大。

美国的SHRP计划曾对沥青混合料的老化性能进行了大量研究工作，从而提出了一种模拟沥青路面实际使用过程的室内老化试验方法。在此基础上，我国现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)同样给出了沥青混合料室内模拟老化试验方法。因此，本文按照现行试验规程对沥青混合料进行模拟老化试验，同时对沥青混合料进行短期热氧老化试验，采用短期老化沥青混合料的抗车辙性能评价沥青混合料的高温性能。当沥青路面铺筑完成以后，在自然界的长时间作用下，在光、氧、热等因素的催化下，因沥青胶结料发生的物理化学老化而导致沥青路面使用性能降低的过程称为长期老化。在沥青老化过程中，沥青中所含的特征官能团发生结构性的变化，烷基侧链会随着老化反应而逐渐断裂，所含的小分子化合物逐渐挥发，芳碳含量逐渐增加，大量氧化产物生成，从而导致沥青中四组分(饱和分、芳香分、胶质、沥青质)含量发生变化，沥青胶体结构也因此受到改变，导致沥青物理指标发生变化(软化点升高、针入度降低、黏度增加)，并最终影响沥青混合料的路用性能。因此，研究沥青混合料的抗热氧老化性能就显得尤为重要。

1 试验方案

1.1 短期热氧老化模拟试验

本试验依照现行试验规程中热拌沥青混合料的加速老化试验方法(T0734-2000)来开展热拌沥青混合料的老化试验。具体操作如下：先在室内用小型拌合机拌制好松散的沥青混合料，然后将其均匀摊铺在搪瓷盘中，注意严格控制松铺系数的范围在21～22 kg/m2之间，然后将混合料放入在温度设定为135±3 ℃的烘箱中，保证烘箱在强制通风条件下加热4 h±5 min，在加热期间每1 h翻拌一次沥青混合料。沥青混合料的短期老化所需加热时间为4 h，当加热时间达到4 h后取出，即完成模拟试验，可利用该沥青混合料开展后续试验工作。

1.2 长期热氧老化模拟试验

长期老化室内试验是指模拟路面在使用期内的全部老化过程，试验采用压实沥青混合料。继续按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中热拌沥青混合料加速老化试验方法(T0734-2000)开展热拌沥青混合料的老化试验，先进行短期热氧老化，然后按照现行试验规程中沥青混合料试件制作方法(T0702-2011)进行混合料的成型。成型后的试件在常温条件下自然冷却6 h，充分冷却后脱模，放入恒温烘箱，强制通风，温度控制为85±3 ℃，持续加热5 d，即完成长期老化模拟试验，可利用该沥青混合料开展后续试验工作。

2 试验过程及数据分析

2.1 热氧老化对沥青混合料高温性能影响

我国现行的施工技术规范规定，沥青混合料的高温抗车辙性能采用车辙试验的动稳定度指标来评定，高温性能好则表明在同等温度及荷载条件下沥青混合料产生的永久变形小。沥青混合料为粘弹性材料，温度较低条件下，表现为弹性；温度较高条件下，表现为黏性。在较高温度条件下，沥青混合料的高温抗车辙性能降低，在车辆重复荷载作用下，沥青混合料表现出永久变形(车辙)、推移及泛油等病害，严重影响沥青路面的路用性能。马歇尔试验过程的两个主要参数(马歇尔稳定度和流值)不是评价沥青混合料高温性能的直接指标，与沥青混合料高温抗车辙性能的相关性较差。公路工程沥青及沥青混合试验规范与美国SHRP计划都是采用通过车辙试验来评估沥青混合料的高温抗车辙性能。

按照《公路工程沥青及沥青混合试验规程》(JTG E20-2011)中的沥青混合料试件制作方法(轮碾法)(T0703-2011)成型车辙试件，其混合料试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm。试件成型后，需要在常温条件下放置12 h 以上，然后再进行车辙试验。试验温度为60 ℃，压强为0.7±0.05 MPa，实验过程中试验轮的往返速度为42±1次/min，试验时间为1 h。沥青混合料的动稳定度以试验过程的最后45～60 min阶段沥青混合料的永久性应变来计算。相关试验结果如表1和图1所示：

表1 不同天然沥青掺量条件下的车辙试验对比表

图1 不同天然沥青掺量条件下的车辙试验对比曲线图

从图1可以看出：热氧老化前，在90#基质沥青中添加天然沥青后，动稳定度明显呈现一个增长的趋势。与基质沥青混合料相对比可发现：当岩沥青掺量分别是4%、8%以及12%时，沥青混合料的动稳定度对应提升了18.3%、31.5%和39.8%；当TLA掺量为20%、30%及40%时，其动稳定度分别提高了25.7%、39.8%和48.3%。这说明添加天然沥青(TLA与岩沥青)能大幅提高混合料的抵抗变形能力，改善其高温稳定性。从以上实验数据同时可以看出：热氧老化试验前后，基质沥青混合料的动稳定度增加34.2%；而TLA改性沥青混合料与岩沥青改性混合料的动稳定度虽然也有所增加，但增加幅度小于基质沥青混合料的增加幅度；并且随着天然沥青掺量的增加，天然沥青改性沥青混合料动稳定度的增长幅度是不断下降的。当岩沥青掺量为4%、8%和12%时，其动稳定度提高了28.5%、23.4%、19.2%；而TLA掺量为20%、30%及40%时，其动稳定度分别提高了22.4%、17.1 %和13.4%。天然沥青改性沥青混合料动稳定度的增长幅度小于基质沥青混合料的增长幅度，表明天然沥青的添加，能有效地抑制沥青混合料在热氧老化过程的硬化，提高沥青混合料的抗热氧老化性能。

2.2 热氧老化试验对沥青混合料的低温性能作用分析

本文根据《公路工程沥青及沥青混合试验规程》(JTG E20-2011)中沥青混合料弯曲蠕变试验(T0728-2000)，通过测试抗弯拉强度、破坏应变及劲度模量来研究天然沥青改性沥青混合料长期老化前后的低温稳定性能。根据我国现阶段适用的公路沥青与沥青混合料的试验规程，低温弯曲试验用于评价沥青混合料的低温性能，梁式试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm，试验仪器为万能材料试验机MTS-810，试验过程加载速率为50 mm/min，试验温度为-10±0.5 ℃。试验过程记录沥青混合料的最大破坏荷载，从而计算沥青混合料的抗弯强度(RB)；依据沥青混合料试件破坏时的跨中点的挠度值计算弯拉应变(εB)。RB、εB和沥青混合料的弯曲劲度模量(SB)分别依据如下公式计算。不同天然沥青掺量下的低温弯曲试验结果见下页表2和图2。

式中：RB为试件破坏时的抗弯拉强度(MPa)；L为试件的跨径，mm；PB是沥青混合料的梁式试件在临界破坏时对应的最大荷载(N)；b为沥青混合料梁式试件跨中处的断面宽度，mm；h为沥青混合料梁式试件跨中处的断面高度，mm；d是在试件受到破坏时的跨中挠度，mm；SB为沥青混合料试件破坏时的弯曲劲度模量，MPa ；εB为试件破坏时的最大弯拉应变με。

表2 不同天然沥青掺量条件下的低温弯曲试验对比表

图2 不同天然沥青掺量条件下的低温弯曲试验对比曲线图

由表2和图2可以看出：

(1)在基质沥青中掺入不同比例的天然沥青之后，破坏应变都会逐渐降低，当天然沥青的掺量比例逐渐增多时，破坏应变呈现一个逐级递减的规律，可知与基质沥青混合料比较而言，天然沥青混合料的低温性能会受到影响变差。

(2)参照比较热氧老化试验过程前后的破坏应变数值，试验后的沥青混合料破坏应变会比之前低，由表2数据可知，减少了15.4%，但是岩沥青混合料在外界掺量不一样的情况(20%、30%、40%)时，对应减少了9.6%、7.5%、5.9%。试验数据结果表明：基质沥青混合料对应的破坏应变变化幅度大于天然沥青混合料，说明天然沥青的掺入会显著改善其低温性能。

(3)比较岩沥青改性沥青混合料和TLA改性沥青混合料在相应的掺量梯度中，可以发现：在各自对应的梯度中，岩沥青改性沥青混合料的破坏应变下降趋势大于TLA改性沥青混合料，说明TLA改性沥青混合料的抗热氧化能力要优于岩沥青改性沥青混合料。

3 结语

(1)本文开展了沥青混合料的光老化试验，并在此基础上，研究其光老化后的高低温性能，实验成果可为高原地区沥青混合料评价与选择提供依据。

(2)天然沥青能够提高沥青混合料的抗热氧老化性能；同时天然沥青的添加可以改善其低温性能。

(3)热氧是沥青混凝土老化的重要影响因数，尤其是在夏季酷热地区温度高，很容易诱使沥青混凝土发生老化，从而导致沥青路面的使用寿命减少。因此，如何提高沥青混合料的抗热氧老化性能，延长路面的服役寿命，具有十分重要的意义。