沥青混合料抗老化性能关键指标研究

时间：2024-07-28

丁德伟，刘晓宇，刘颖，薛耀东，王雪*

（1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461；2.南京润程交通科学研究院有限公司，江苏南京 210046）

0 引言

研究和大量路面检测数据表明，沥青面层老化是影响路面耐久性重要原因。通车5～8 a 后，路面老化导致的病害逐渐增多，主要表现为路表纵向裂缝、网裂等，产生于路表，并逐渐往深层延伸，不及时处治甚至导致中面层产生大量网裂[1]。由于路面老化开裂导致的铣刨重铺等维修约占通车8 a 以上高速公路路面大中修的40%～60%[2]。

沥青路面长期暴露在外界环境下，受到许多不同因素的影响，黄晓明等[3]学者认为在沥青的使用过程中，氧、热以及老化时间的长短会影响沥青变质、老化的程度。同时，水、紫外线也是影响沥青老化的重要因素。根据影响因素的不同，可将沥青的老化分为热氧老化、光老化及水老化[4]。除了沥青胶结料自身抗老化性能外，沥青路面的老化特征还与沥青混合料的技术指标相关，如沥青混合料的空隙率（VV）、矿料间隙率（VMA）、沥青饱和度（VFA）、沥青膜厚度以及粉胶比（DP）等。

在沥青混合料研究中，尚没有提升抗老化性能的关键指标分析[5-7]。本文将围绕沥青膜厚度影响因素、粉胶比、压实空隙率研究混合料的抗老化性能，有利于提升路面抗老化能力技术，实现路面长寿命、耐久性，同时降低公路养护成本。

1 原材料选取及试件老化处理

1.1 原材料选取

采用高速公路上面层常见的SBS 改性沥青AC-13C 混合料。粗集料用玄武岩粗集料，细集料用石灰岩机制砂，矿粉用石灰岩磨细矿粉，沥青为工厂化加工的成品I-D 型SBS 改性沥青。

1.2 混合料及试件老化处理

按JTG E20—2011《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方法”进行混合料和试件的老化试验。将混合料放入135 ℃±3 ℃的烘箱中强制通风加热4 h±5 min，进行短期老化；然后将试件放置于试样架上送入85 ℃±3 ℃烘箱中，在强制通风条件下连续加热5 d（120 h±0.5 h），进行长期老化。为进一步探究长期老化条件对试验结果的影响，本研究在5 d 长期老化的基础上，增加同条件下10 d 的老化试验。

2 沥青膜厚度影响因素研究

沥青膜厚度由混合料中的有效沥青用量和矿料比表面积决定，有效沥青用量由油石比的大小决定，矿料比表面积由设计级配决定[8]。本研究采用相同的级配，通过变化油石比改变沥青膜厚度。调整成型温度和击实功，使成型的沥青混合料具有相近的空隙率。并用低温弯曲试验评价不同沥青混合料在长期老化条件下的抗疲劳耐久性能。

2.1 级配设计

AC-13C 混合料各档矿料掺配比例见表1，设计级配见表2。

表1 设计级配矿料掺配比例Table 1 Design grading mineral blending ratio

表2 设计级配Table 2 Design grading

2.2 混合料设计

改性沥青AC-13C 的设计最佳油石比一般为4.9%，本研究分别选择4.8%、5.0%两个油石比进行混合料设计，通过调整成型温度和击实功，使2 组不同油石比的混合料成型空隙率相近。

2 组沥青混合料体积性能指标均满足施工技术规范要求，同条件下开展不同沥青膜厚度对抗老化性能的影响具有较强的工程实际意义。并通过计算得到沥青膜有效厚度计算结果，见表3。4.8%油石比对应有效沥青膜厚度为8.084 μm，5.0%油石比对应有效沥青膜厚度为8.444 μm。

表3 不同油石比对应有效沥青膜厚度计算结果Table 3 Calculation results of effective asphalt film thickness corresponding to different oil to stone ratios

马氏试验结果如表4 所示。

表4 不同油石比马氏试验结果Table 4 Different oil to stone ratio martensite test results

2.3 低温弯曲试验

按规定条件开展老化试验后，将车辙板切成小梁，分别开展低温弯曲试验，试验结果见表5。由表5 可以得出以下结论：

表5 不同油石比在不同工况下的低温弯曲试验结果Table 5 Results of low-temperature bending tests under different working conditions with different oil to stone ratios

1）沥青膜较厚的混合料抗弯拉强度值相对更优；随着老化条件的提高，沥青膜较厚的混合料抗弯拉强度优势愈加显著。表明沥青膜较厚混合料在长期老化条件下抗疲劳力学性能相对更强。

2）随着老化时间的延长，沥青混合料弯拉应变呈下降趋势，在120 h 左右下降速率有明显的衰减。5 d 长期老化后，改性沥青混合料AC-13C低温弯拉应变已不能够满足技术要求（一般要求不低于2 500 με）。

3）随着老化时间的延长，沥青混合料劲度模量总体呈增长趋势，尤其是5 d 条件下的长期老化，相对增长较快，后续增长缓和。

3 粉胶比

3.1 混合料设计

由于0.075 mm 以下颗粒的大幅度变化，沥青AC-13C 混合料的有效沥青膜厚度将随着粉胶比提高而降低，在混合料设计阶段应予以考虑。混合料掺配比例、设计级配及对应的粉胶比、沥青膜厚度分别见表6、表7。

表6 不同设计级配矿料掺配比例Table 6 The mineral blending ratios with different design grades

表7 设计级配组成情况Table 7 Design grade composition

3 组不同粉胶比沥青混合料的马氏体积指标见表8。矿料用量对沥青混合体积指标较敏感，随粉胶比的变化，沥青混合料空隙率、矿料间隙率、饱和度等指标均存在较大波动。精准化控制粉胶比指标才能稳定沥青混合料基本体积指标。

表8 5.0%油石比对应不同级配混合料马氏试验结果Table 8 5.0%oil to stone ratio corresponding to different graded mixes martensite test results

3.2 低温弯曲试验

按不同老化条件进行低温弯曲试验。结果见表9。从级配1—级配3，粉胶比由低到高变化。

表9 不同粉胶比混合料在不同工况下的低温弯曲试验结果Table 9 Low temperature bending test results of different powder to rubber ratio mixtures under different working conditions

由上述试验结果得出以下分析结论：

1）沥青混合料弯拉强度随着老化时间的延长逐渐降低，粉胶比小的沥青混合料弯拉强度相对偏低，这可能与其空隙率大、不密实有关。级配2、级配3 沥青混合料弯拉强度差别不大。

2）随着老化时间的延长，沥青混合料弯拉应变呈下降趋势，从上述3 组沥青混合料来看，粉胶比越大的混合料抵抗弯拉应变能力相对越强。粉胶比大的沥青混合料级配相对偏细，其空隙率小，更为密实，同时受外界热风干扰更小。

3）随老化时间的延长，沥青混合料劲度模量总体呈增长趋势，但级配1 混合料后期呈下降趋势，可能与其空隙率过大、不密实等因素有关。

4 压实后空隙率

准备压实后空隙率分别为4%、5%、6%、7%、8%的试件，不同空隙率的混合料在不同老化条件下的弯拉强度、弯拉应变、劲度模量试验结果见表10。试验结果分析可知，弯拉强度整体随路面空隙率的增大而呈下降趋势；对于相同压实空隙率而言，弯拉强度随老化时间的延长呈减弱趋势。在5 d、 10 d 试验条件的长期老化后，不同空隙率试件的弯拉强度变化趋缓。

表10 不同空隙率的性能试验结果Table 10 Performance test results of different void ratio

弯拉应变随路面空隙率的增大而呈下降趋势，且压实空隙率大于6%时，下降过程呈现明显拐点。对于相同压实空隙率而言，试件的弯拉应变随老化时间的延长而衰减。

劲度模量随路面压实后空隙率的增加呈现先降低后增长的趋势，且当路面压实空隙率大于6%时变化最为显著。