天然改性沥青混合料热氧老化性能研究

■郭 建

(中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)

0 引言

沥青路面具有行车舒适、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。但是，随着中国经济的持续发展，沥青混凝土路面的承载能力已不能满足现有交通量，同时受到各种外界环境的影响，路面会出现如裂缝、松散、车辙等常见病害。这些病害产生重要原因之一是沥青混合料在拌合、运输和摊铺过程中，发生了不同程度的老化，导致沥青路面出现各种病害。因此，研究沥青及沥青混合料的老化性能对指导路面施工，提高沥青路面使用质量具有重要意义。李宁利等[1]研究了在短期老化和长期老化下沥青混合料的路用性能，发现长期老化对沥青混合料的低温性能作用明显。陈华鑫等[2]研究了不同级配沥青混合料老化性能的变化规律。徐东等[3]研究发现橡胶沥青混合料老化后高温性能显著提高，但低温抗裂性和水稳定性下降。王国安等[4]研究发现沥青混合料低温性能的降低主要发生在短期老化阶段。宋玉珠[5]研究了PE改性沥青混合料老化后的高温性能。杨瑞华等[6]研究发现AH-30沥青混合料老化后,力学性能和路用性能良好。李洪军[7]研究发现沥青混合料的疲劳性能与老化程度有关，建议沥青路面应在4h内完成施工。

当前，沥青路面中天然改性沥青混合料的应用广泛，相比普通沥青路面稳定性与耐久性有了显著提高。对此，为了更好的研究天然改性沥青混合料的水稳定性，有必要对老化后天然沥青混合料进行水稳定性展开系统研究。本文采用经过老化模拟试验后的天然改性沥青混合料，对其老化后的水稳定性能和力学性能进行研究，为保证天然改性沥青混合料长期使用提供参考。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

(1)沥青

基质沥青选用克拉玛依90#基质沥青，天然沥青选用川北天然岩沥青和特立达湖沥青，技术指标见分别表1～表 3。

表1 克拉玛依90#基质沥青技术指标

表2 岩沥青技术指标

表3 湖沥青技术指标

(2)改性沥青指标及制备

选用天然沥青改性基质沥青。将基质沥青加热至流动状态，分别掺入不同剂量的天然改性沥青改性剂，采用高速剪切法制备天然沥青改性沥青，剪切试验参数见表4。岩沥青掺量分别为4%、8%、12%，湖沥青掺量分别为20%、30%和40%。剪切完成后要防止气泡的产生。

表4 剪切试验参数

制得的天然沥青改性沥青见表5。

(3)集料、填料

粗、细集料选用玄武岩、机制砂，技术指标分别见表6和表7。

表5 天然沥青改性沥青技术指标

表6 粗集料技术性质

表7 细集料技术性质

填料选用石灰岩矿粉，技术性质见表8。

表8 矿粉技术性质

1.2 矿料级配及配合比设计

混合料级配类型选用AC-13，为保证天然沥青改性沥青混合料老化性能与基质沥青混合料的可比性，制备的试件采用马歇尔设计法确定的基质沥青混合料最佳沥青用量为4.8%。

表9 沥青混合料AC-13矿料级配

1.3 试验方案

通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验及单轴压缩试验，对比热氧老化前后天然沥青改性沥青混合料与基质沥青混合料水稳定性和力学性能的变化规律。

2 热氧老化试验

采用 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20-2011)中的加速老化方法进行沥青混合料的模拟老化试验。首先对沥青混合料进行短期热氧老化试验，对短期老化后的沥青混合料进行长期热氧老化试验，评价沥青混合料的抗水损害性能及抗疲劳开裂性能。

2.1 短期老化

沥青混合料的短期老化主要是指沥青在施工过程中拌和、储存、摊铺及碾压过程造成的老化。用室内小型拌和机拌制而成的松散的混合料均匀摊铺在搪瓷盘中，松铺系数约为21～22kg/m2，然后将混合料放入135℃±3℃的烘箱中，并在强制通风条件下加热4h±5min，在沥青混合料的加热过程，对混合料进行间断式翻拌，每次翻拌时间间隔1h。短期老化加热时间为4h，加热至4h后从恒温烘箱中取出沥青沥青混合料，短期老化试验模拟完成。

2.2 长期老化

长期老化室内试验方法是模拟路面在服役年限里的全部老化过程，采用压实的混合料进行。对沥青混合料进行短期热氧老化，然后按照要求成型沥青混合料试件。成型后的试件在常温条件下自然冷却6h，将充分冷却后的沥青混合料脱模，将试件放入恒温烘箱，烘箱加热温度为85℃±3℃，连续加热5d，加热过程强制通风，长期老化试验模拟完成。

3 试验结果与分析

3.1 热氧老化对水稳定性影响

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来研究沥青混合料老化前后的水稳定性。

(1)浸水马歇尔试验

不同天然沥青掺量条件下的浸水马歇尔稳定度试验结果见图1。

由图1可知，热氧老化前后，在90#基质沥青中添加天然沥青后，其稳定度、浸水稳定度以及残留稳定度均表现一个增加的趋势。其中，热氧老化后，岩沥青改性沥青混合料残留稳定度分别提高了4.1%、6.7%、9.0%，湖沥青改性沥青混合料则分别提高了5.8%、8.7%、10.4%。说明天然沥青的添加改善了沥青混合料抗水损害能力。同时，对比热氧老化前，天然改性沥青混合料的残留稳定度都有明显的降低，随天然沥青掺量的增加，减小幅度小于基质沥青混合料。岩沥青掺量为4%、8%和12%时，其残留稳定度分别降低了4.86%、3.56%、1.98%；湖沥青掺量为20%、30%及40%时，其残留稳定度降低了4.13%、1.88%和0.99%。这说明热氧老化对沥青混合料的水稳定性能有不利的影响。另外，对比老化前后岩沥青改性沥青混合料和湖沥青改性沥青混合料的残留稳定度，发现湖沥青改性沥青混合料的水稳定性能比岩沥青改性沥青混合料强，且其抗热氧老化能力更好。

(2)冻融劈裂试验

不同天然沥青掺量条件下的浸水马歇尔稳定度试验结果见图2。

图1 不同天然沥青掺量条件下的浸水马歇尔试验

图2 不同天然沥青掺量条件下的劈裂试验结果

由图2可知，热氧老化前后，在90#基质沥青中添加天然沥青后，其劈裂强度和TSR均是有小幅度的增加的，且随着天然沥青掺量的增加，其劈裂强度和冻融劈裂抗拉强度比均表现为增长的趋势。热氧老化后，对比热氧老化前，基质沥青混合料和天然改性沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比都有明显的降低。且随着天然沥青的掺量的增加，其减小幅度是不断变小的。岩沥青掺量为4%、8%和12%时，其冻融劈裂抗拉强度比分别降低了7.40%、5.82%、4.42%；湖沥青掺量为20%、30%及40%时，其冻融劈裂抗拉强度降低了6.26%、4.15%和3.00%。这表明热氧老化对沥青混合料的水稳定性能有不利的影响。

通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验发现，天然沥青的添加可以显著提高其水稳定性能，且改善其抗热氧老化能力。同时，湖沥青改性沥青混合料的水稳定性能和抗热氧老化能力要好于岩沥青改性沥青混合料。在各自对应的掺量水平下，湖沥青改性沥青混合料的性能也要优于岩沥青混合料。

3.2 热氧老化对力学性能影响

不同天然沥青掺量条件下的单轴压缩弹性模量试验结果见图3。

由图3可知，热氧老化前后，基质沥青老化后的回弹模量增加了15.4%。而不同掺量下，天然改性沥青的增长幅度不一样，岩沥青掺量为4%、8%、12%时，其回弹模量分别增长了14.1%、10.8%、8.6%；湖沥青掺量为20%、30%和40%时，分别提高了11.3%、3.1%、5.4%。说明天然沥青的添加可以有效抵抗热氧老化，天然改性沥青混合料的抗热氧老化能力更强。同时，对比岩沥青和湖沥青改性沥青混合料，发现湖沥青改性沥青混合料抵抗永久变形能力和抗热氧老化能力比岩沥青要好。

图3 不同天然沥青掺量条件下的回弹模量试验结果

4 结论

通过对沥青混合料进行模拟老化试验，比较了基质沥青混合料和天然改性沥青混合料热氧老化性能，得出以下结论：

(1)添加天然沥青后，沥青混合料的残留稳定度、冻融劈裂抗拉强度比以及回弹模量均是提高的。表明天然沥青的掺入，可以有效改善沥青混合料的水稳定性能和抗变形能力。

(2)随天然沥青掺量的增加，沥青混合料残留稳定度及回弹模量不断增大，破坏应变不断减小，说明天然沥青掺量的增加提高了水稳定性能和抗变形能力。

(3)湖沥青改性沥青混合料与岩沥青改性沥青混合料相比，在各自对应的掺量水平下，湖沥青改性沥青混合料的性能均优于岩沥青混合料。