服役沥青路面各结构层老化性能及影响因素研究

喻安凤

（贵州路桥集团有限公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

沥青路面服役期间，为减小沥青老化对沥青路面服役性能的不利影响，沥青路面建设阶段，可通过评估沥青路面各结构层老化性能，为沥青路面道路养护提供依据[1]。该文通过试验的方法展开沥青路面各结构层老化性能及影响因素研究，具有十分重要的现实意义。

1 沥青的老化及再生机理

1.1 沥青的老化

沥青的老化是指从石油中提取的沥青，经过储存、运输、施工、运营等多种环境条件的影响，在热、空气、阳光、水等条件下，发生一系列不可逆的物理化反应，从而改变沥青的物理性能[2]。沥青路面的老化使其胶结强度和韧性降低，使其结构变得坚硬、易碎，使路面出现裂缝、松散和脱落，影响路面的抗剪切和抗冲击能力。与新的沥青混合料路用性能相比，严重老化的沥青混合料表现为粘稠度高和柔韧性差。导致沥青老化的因素很多，如：沥青中的轻质成分的挥发、沥青在阳光和空气中的不可逆化学改变等。

1.2 沥青的再生

旧沥青的再生，在一定程度上是沥青老化的反向过程。利用沥青胶体学原理，研制出一种适用于沥青再生的再生工艺，使其恢复到原有的稳定状态，具有优良的道路使用性能，并投入到实际项目中。老化的沥青可按生产工艺中的沥青调和原则，在老化沥青中添加新的沥青。

通过加入低分子量的轻质油料，可以弥补沥青老化时所流失的轻质成分，恢复溶液的稳定性及使用性能。为能确保混合后的沥青具有较好的稳定性，也可以适当添加新的沥青。

2 试验方案

（1）某沥青道路原为双向两车道高速公路，道路服役10年后，因原有车道无法满足道路交通需求，扩建为双向四车道，迄今该道路服役年限已达20年。

（2）沥青道路沥青老化性能试验，通常采用“三氯乙烯溶剂”从沥青混合料中抽提回收沥青。

（3）试验步骤：1）采用室内试验的方式，评价沥青回收试验可行性；2）采用抽提试验回收路面不同断面芯样老化沥青样本；3）检测不同交通量、空隙率、路龄沥青针入度、软化点、延度指标，分析不同影响因素对沥青老化性能的影响；4）沥青老化性能对比试验方案见表1。

表1 沥青老化性能对比试验方案

3 沥青回收试验可行性验证

3.1 试验方法

利用离心分离法开展沥青抽提试验，试验步骤如下：

（1）取一定量的沥青抽提液，注入已清洗干燥的旋转烧瓶，将旋转烧瓶置于离心分离器，保持离心加速度770 g以上，高速旋转离心30 min。

（2）将经离心分离处理的溶液置于蒸发容器，在6.67 kPa的负压、（50±5）℃环境下中蒸发处理，析出溶液中的矿粉。

（3）蒸发试验完毕15 min内，提升蒸发器中温度至（155±2）℃。

（4）分离试验完毕后，设置离心分离器速率为1 000 mL/min，通入CO2气体2 min，去除残留的C2HCl3蒸汽。

（5）瓶中剩余残留物即为回收沥青。

3.2 方案可行性验证

试验中原始样本为70#道路沥青，用样本1#表示，回收沥青样本用样本2#表示，原始样本与回收样本针入度、软化点、粘度指标对比结果见表2。

表2 原始沥青1#和回收沥青2#的三大性能指标试验结果对比

由表2可知：

（1）试验结果显示，原始沥青与回收沥青软化点变化率为1.8%，针入度变化率为2.2%，变化率均较小；年度变化率最大，为6.9%，仍处于允许变化范围内。

（2）原始沥青与回收沥青三大性能指标变化率均处于允许变化范围内，表明离心法对回收沥青性能影响较小，基本可以忽略不计。

4 沥青老化性能评价及影响因素分析

沥青道路服役期间，其老化性能除受材料自身老化性能影响外，也会受到所处自然环境作用影响，如环境水侵蚀、紫外线照射、周期性冻融变化等。为进一步研究沥青路面老化性能随长期车载、沥青混合料空隙率、道路服役年限变化规律，利用抽提试验抽提案例道路代表芯样中回收沥青，检测回收沥青三大性能指标，评价道路交通量、混合料空隙率、道路服役年限对沥青老化性能的影响[3]。

4.1 交通量因素分析

通过试验检测表1中各道路结构层回收沥青样本在不同交通量下的针入度、软化点、延度指标（表1中A、B、C代表不同交通流量）；试验结论见图1～图3。

图3 不同交通量状况下沥青路面各层的15 ℃延度

由图1～3可知：1）道路服役10年后，各结构层沥青胶结料老化程度较轻；2）案例沥青道路各结构层回收沥青料老化程度随各结构层深度增加而降低，道路面层中回收沥青料老化最为严重，基层回收沥青老化程度明显降低；3）A断面处沥青路面交通量最小，该断面处回收沥青老化程度较高；B端面处沥青路面交通量最大，该断面处回收沥青老化程度较低；该现象可能是因为高交通量会对沥青路面进行进一步碾压，致使沥青路面混合料空隙率减小，延缓了沥青老化。

图1 不同交通量状况下沥青路面各层的针入度

图2 不同交通量状况下沥青路面各层的软化点

4.2 空隙率因素分析

（1）沥青路面服役期间，沥青混合料中有机成分与空气中的氧气反应，沥青中CH3基团、CH2基团、羧酸基团产物不断堆积增加，各种有机分子相互作用杂糅，形成复杂的高分子胶团，致使沥青硬度随粘度增加而增大，影响沥青道路路用性能，沥青老化的根本原因是氧化反应。

（2）依据案例沥青道路交付验收数据，检测不同沥青混合料空隙率摊铺道路服役15年后回收沥青性能指标，结果见表3。

（3）由表3可知：服役15年后，摊铺沥青混合料空隙率为4%时回收沥青三大性能指标变化最小，空隙率为5%次之，空隙率为7%时回收沥青基本性能指标变化最大，其针入度减小约64%，软化点增加约34%，表明沥青混合料空隙率是影响沥青老化性能的重要因素，该结果也为交通量较大断面处回收沥青老化程度较小的现象解释提供了依据。

表3 不同空隙率沥青混合料回收沥青试验结果

（4）基于以上论证，进一步分析该道路2012年、2014年、2017年交通状况及A、B和C断面空隙率情况，2017年该道路A、B和C断面各结构层芯样的空隙率检测结果见表4。

表4 各断面交通量状况及不同层位芯样的空隙率

（5）沥青混合料配比、施工质量控制效果、压实效果、道路交通量、重载交通状况、道路养护状况、道路服役环境等均会对沥青老化性能产生影响，试验表明沥青混合料空隙率是影响沥青老化程度的直接影响因素。由表4可知：

1）随道路车流量增加，沥青路面混合料在车载作用下，空隙率随之降低，且道路车流量越大，重载交通占比越多，道路空隙率减小速率越大。2）各试验断面交通量状况为B断面＞C断面＞A断面；沥青路面上层结构空隙率状况为A断面＞B断面＞C断面，中间层为A断面＞C断面＞B断面，下层为C断面＞A断面＞B断面，表明沥青老化程度与沥青道路车流量呈负相关，与沥青路面铺筑混合料空隙率呈负相关。

4.3 路龄影响因素

A、D断面均为案例道路第一车道，下层均采用70#普通沥青且交通量相近，故通过对比分析A、D量断面回收沥青性能指标，研究沥青路面服役年限对沥青老化性能的影响，结果见图4。

图4 老路沥青的三大性能指标

由图4可知：

（1）D-下断面回收沥青软化点、针入度指标至介于A-上、A-下之间。

（2）道路服役20年后，下面层回收沥青三大性能指标参数基本无变化，沥青老化程度受道路服役年限影响程度较小。

5 沥青混合料抗老化性能的改善建议

基于上文揭示的各影响因素对沥青老化性能影响程度规律，从以下两个方面提出沥青老化性能改善措施：

（1）优化沥青混合料结构，沥青混合料粗、细集料尽量选用吸水率较小的材料，增加沥青道路摊铺压实度，降低混合料空隙率，减少沥青胶结料与空气接触，延缓沥青氧化[4]。

（2）掺入沥青抗老化剂，改善沥青材料特性。实践证明，优化沥青混合料结构可起到延缓沥青氧化老化的作用，但无法从根本上解决沥青混合料老化问题。向沥青中掺入抗老化剂等改性剂的方式，可有效改善沥青抗老化性能，提升沥青道路耐久性、延长道路服役年限，且掺入沥青改性剂等方式工程经济性更加优异。

6 结论

该文以某服役沥青路面为依托，针对沥青老化现象进行试验，选择70#基质沥青及回收沥青进行对比分析。主要分析结论如下：

（1）对比分析回收沥青与原始沥青针入度、软化点、延度指标，发现回收沥青针入度、软化点、延度变化率分别为1.8%、2.2%、6.9%，沥青性能各项基本指标变化率均处于允许范围内，表明沥青回收基本不会影响沥青性能。

（2）沥青道路服役10年后，各结构层回收沥青老化程度随结构层深度增加而降低，面层回收沥青老化最为严重，但总体较轻；沥青服役20年后，下面层回收沥青三大性能指标均无明显变化，表明沥青老化程度受道路服役年限影响较小。

（3）沥青道路回收沥青老化程度与沥青道路交通量呈负相关，与沥青道路空隙率呈正相关；沥青道路车流量增加会增加道路密实性，减小空隙率，延缓沥青胶结材料老化。

（4）道路建设阶段，可采取优化混合料结构、掺入沥青改性剂提升混合料抗老化性能。