尚志剛

（天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津市 3 00122）

熱老化對(duì)OGFC瀝青混合料路用性能的影響

尚志剛

（天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津市 3 00122）

采用SBS改性瀝青和70#基質(zhì)瀝青拌制OGFC-13瀝青混合料，并將松散混合料分別在135℃和165℃下熱老化4h來模擬混合料短期老化。隨后測(cè)試并對(duì)比老化前后不同混合料的排水性能、高溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果表明：老化前后的SBS改性瀝青混合料路用性能均優(yōu)于SK-70基質(zhì)瀝青混合料，且兩類瀝青混合料在老化后水穩(wěn)定性有一定幅度的降低，而混合料的滲水系數(shù)和動(dòng)穩(wěn)定度有所提高。

瀝青混合料；OGFC；熱老化；路用性能

0 引 言

開級(jí)配瀝青磨耗層（OGFC）因具有大量連通空隙，故其擁有優(yōu)異的排水、抗滑以及降噪功能[1-3]。OGFC的相關(guān)研究已經(jīng)趨于成熟且被廣泛應(yīng)用于實(shí)際路面工程中，尤其是城市道路中。目前OGFC混合料的研究主要集中在力學(xué)強(qiáng)度以及瀝青改性中，而關(guān)于其老化的研究較少[3]?；旌狭侠匣侵赣捎诼访嬖陂_放交通后受太陽光、熱、空氣以及水分等因素的影響發(fā)生氧化、輕組分揮發(fā)以及其他化學(xué)變化進(jìn)而導(dǎo)致瀝青混合料路用性能劣化的現(xiàn)象?；旌狭侠匣髸?huì)使瀝青粘附性和柔性降低，進(jìn)而使混合料容易發(fā)生開裂以及集料脫落。

目前瀝青混合料的老化方法有光老化、熱老化以及壓力老化[1-3]，本文選取操作簡(jiǎn)單且儀器便捷的熱老化法來模擬混合料在施工階段的短期老化，并在隨后測(cè)試并對(duì)比老化前后不同混合料的穩(wěn)定度、排水性能、高溫穩(wěn)定性以及水穩(wěn)定性，可用于OGFC混合料的長(zhǎng)期性能研究及工程應(yīng)用參考。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用SK-70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青兩種瀝青進(jìn)行混合料的制備，且按照相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范完成兩種瀝青的基本性能檢測(cè)[4]，具體測(cè)試結(jié)果見表1。試驗(yàn)中所用集料為形狀良好、力學(xué)性能優(yōu)良的石灰?guī)r。

表1 瀝青性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

1.2 礦料級(jí)配及目標(biāo)孔隙率的確定

開級(jí)配瀝青磨耗層（OGFC）主要采用粗集料且在實(shí)際工程中常用的級(jí)配類型為OGFC-13，故本文采用OGFC-13級(jí)配類型來拌制混合料。所用OGFC-13級(jí)配曲線見圖1。普通密集配瀝青混合料的孔隙率為10%左右，而開級(jí)配瀝青混合料具有大量孔隙且孔隙之間相互連通。為保證開級(jí)配瀝青混合料具備優(yōu)良的排水性能，試驗(yàn)中OGFC-13混合料的設(shè)計(jì)值為15%。但同時(shí)考慮到路面孔隙率會(huì)在實(shí)際使用過程中會(huì)因異物堵塞、路面病害（車轍、推移等）以及車輛碾壓等實(shí)際問題而降低，故試驗(yàn)中混合料的孔隙率目標(biāo)設(shè)計(jì)值為20%，從而確?；旌狭暇邆淞己玫呐潘院徒翟牍δ堋?/p>

1.3 油石比的確定

普通密實(shí)型混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要來自于膠結(jié)料粘結(jié)以及集料嵌擠，且其最佳油石比采用馬歇爾法進(jìn)行確定。OGFC混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度主要來自于集料的嵌擠作用，瀝青膠結(jié)料對(duì)其影響較小，因此國(guó)內(nèi)外通常采用謝倫堡析漏和墾塔堡飛散試驗(yàn)來確定混合料的最佳油石比。

試驗(yàn)首先依據(jù)礦料比表面積理論公式估算該級(jí)配的瀝青用量，然后以該級(jí)配為中值并以0.5%和1.0%為間隔分別向兩邊另取兩組瀝青用量。隨后以這五組瀝青含量拌制混合料，并以謝倫堡析漏和墾塔堡飛散試驗(yàn)確定最佳瀝青用量，試驗(yàn)結(jié)果表明OGFC-13最佳油石比為4.2%。

圖1 OGFC-13級(jí)配曲線圖

1.4 老化流程

瀝青老化分為短期老化和長(zhǎng)期老化兩個(gè)階段，短期老化是指混合料在拌合、運(yùn)輸以及攤鋪過程中因溫度較高而發(fā)生的組分揮發(fā)和膠結(jié)料氧化的現(xiàn)象；長(zhǎng)期老化是指路面在使用過程中因行車荷載、光、熱以及空氣等因素而發(fā)生的緩慢老化過程。

目前瀝青混合料的老化方法有光老化、熱老化以及壓力老化，本文選取操作簡(jiǎn)單且儀器便捷的熱老化法來模擬混合料在施工階段的短期老化，具體老化流程是：將拌合均勻的松散瀝青混合料置于烘箱內(nèi)在135℃和165℃下加熱4 h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)中采用兩種老化條件（135℃，165℃）和兩種瀝青（SK基質(zhì)瀝青，SBS改性瀝青）成型四種不同的混合料試件，分別記為SK-135、SK-165、SBS-135、SBS-165，且未老化的瀝青混合料分別記為SK和SBS。

2.1 穩(wěn)定度與流值

馬歇爾穩(wěn)定度和流值是瀝青混合料中重要的基本力學(xué)性能，是反應(yīng)瀝青混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗變形能力的重要指標(biāo)。試驗(yàn)依據(jù)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行成型并測(cè)試其穩(wěn)定度和流值[4]，測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 馬歇爾指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

分析表2中數(shù)據(jù)可知，老化前后SBS改性瀝青混合料的穩(wěn)定度均較大，而流值較小。這是由于SBS瀝青具有更強(qiáng)的粘附性和粘彈性，進(jìn)而可以提高混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。同時(shí)，兩種混合料老化之后的穩(wěn)定度和流值均有所降低，且老化溫度越高，穩(wěn)定度和流值越低。這是由于瀝青老化后與集料粘附性變差且硬度增加，使得力學(xué)指標(biāo)穩(wěn)定度下降，同時(shí)硬度增加可降低流值。

2.2 排水性能

OGFC路面具有大量的連通空隙，因此具有優(yōu)良的排水性能。一般來說，排水性能可通過滲水系數(shù)來表征，測(cè)試結(jié)果見圖2、見圖3。

圖2 空隙率測(cè)試結(jié)果

圖3 滲水系數(shù)測(cè)試結(jié)果

由圖2、圖3中數(shù)據(jù)可得，圖中六種瀝青混合料的空隙率均在20%左右，滿足設(shè)計(jì)要求，其滲水系數(shù)均大于0.35 cm/s，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求。另外，基質(zhì)瀝青混合料的滲水系數(shù)與SBS改性瀝青相差很小，且老化后的混合料滲水系數(shù)有所增加。這是由于老化后的瀝青流動(dòng)性變差進(jìn)而導(dǎo)致試件成型時(shí)因?yàn)r青流動(dòng)所堵塞的空隙較少，最終空隙率變大進(jìn)而滲水系數(shù)增大。

2.3 高溫穩(wěn)定性

瀝青是一種溫敏性材料，溫度的升高會(huì)使其變軟進(jìn)而引發(fā)車轍、推移以及擁包等多種高溫病害，OGFC混合料瀝青含量較少且主要依靠粗骨料的嵌擠提供強(qiáng)度，因此其高溫穩(wěn)定性需嚴(yán)格檢測(cè)。本文按相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范成型車轍試件，隨后在60℃條件下采用HYCZ-5型車轍試驗(yàn)儀測(cè)試試件實(shí)時(shí)變形，并根據(jù)式（1）計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定度（DS），測(cè)試圖示及結(jié)果見圖4。

式中：d1及d2分別為t1(45 min)和t2(60 min)時(shí)的變形量；N為試驗(yàn)輪碾壓速度。

圖4 動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

對(duì)比兩種瀝青混合料，SBS改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度較大，這是由于SBS瀝青具有更強(qiáng)的粘附性和粘彈性，進(jìn)而可以提高混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性。而且老化后瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均有一定幅度的提高，且溫度老化溫度越高，動(dòng)穩(wěn)定度越高。這是由于老化后瀝青中的一部分輕組分（芳香酚）轉(zhuǎn)化為重組分（膠質(zhì)和瀝青質(zhì)），使得瀝青硬度和勁度增加，進(jìn)而可有效提高混合料的高溫穩(wěn)定性。

2.4 水穩(wěn)定性

OGFC路面具有較多的連通空隙，且在使用過程中經(jīng)常遭受水分的侵蝕和沖刷，因此OGFC的水穩(wěn)定性直接影響路面的功能性。一般采用浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)來測(cè)試混合料的水穩(wěn)定性，按相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范分別成型兩組馬歇爾試件，每組4個(gè)。

浸水馬歇爾試驗(yàn)中兩組試件分別置于室溫環(huán)境和60℃水箱中保溫48 h，隨后測(cè)試其馬歇爾穩(wěn)定度（MS0），并按式（2）計(jì)算。

式中：MS及MS1分別為未浸水和浸水試件的馬歇爾穩(wěn)定度。

凍融劈裂試驗(yàn)中將一組試件按規(guī)范在一定溫度條件下進(jìn)行凍融循環(huán)，循環(huán)結(jié)束后進(jìn)行劈裂試驗(yàn)并測(cè)定最大荷載。測(cè)試完成后按式（3）計(jì)算凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR），測(cè)試圖示及試驗(yàn)結(jié)果見圖5、圖6。

式中：RT1及RT2分別是凍融循環(huán)和未凍融試件的劈裂抗拉強(qiáng)度。

圖5 浸水馬歇爾測(cè)試結(jié)果

圖6 凍融劈裂測(cè)試結(jié)果

由圖5、圖6可知，不同溫度老化前后SBS改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和殘留強(qiáng)度比較大，表明其水穩(wěn)定性更好。這是由于SBS與集料之間的粘附性更強(qiáng)進(jìn)而具備更強(qiáng)的抗剝落能力，水穩(wěn)定性更強(qiáng)。另外，混合料老化后的殘留穩(wěn)定度和殘留強(qiáng)度比降低，且降低幅度隨老化溫度的增加而增大。這是由于瀝青中的部分輕組分（芳香酚）轉(zhuǎn)化為重組分（膠質(zhì)和瀝青質(zhì)），使得瀝青脆性增強(qiáng)且粘附性變差，導(dǎo)致其在水分侵蝕下更容易發(fā)生損害。

3 結(jié)論

（1）試驗(yàn)中兩種瀝青混合料的穩(wěn)定度和流值在老化后均有所降低，且二者隨老化溫度的提高而降低，表明混合料的老化確實(shí)在一定程度上影響了混合料的力學(xué)性能。

（2）老化前后兩類瀝青混合料的滲水系數(shù)均大于0.35 cm/s，且老化后混合料的滲水系數(shù)有所增大。

（3）SBS改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料，且兩種混合料老化后的動(dòng)穩(wěn)定度有所增長(zhǎng)，增長(zhǎng)幅度與老化溫度呈正相關(guān)，表明混合料的老化可增強(qiáng)混合料的高溫穩(wěn)定性。

（4）老化前后SBS改性瀝青混合料均具備更強(qiáng)的水穩(wěn)定性，且兩類瀝青混合料老化后的殘留穩(wěn)定度和殘留強(qiáng)度比有所降低，老化溫度越高，降低幅度越大。

[1]王沖,徐世法,季節(jié),等.再生 SBS改性瀝青混合料再度老化性能的研究[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào),2006,22(3):20-23.

[2]郭韋韋,張祖棠.高寒地區(qū)光老化對(duì)瀝青混合料低溫性能影響[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)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,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

U414

A

1009-7716（2017）01-0033-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.009

2016-11-14

尚志剛（1976-），男，黑龍江黑河人，高級(jí)工程師，從事道路設(shè)計(jì)工作。