周健楠朱建平李卓琳

（1.遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽110015；2.高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點實驗室，遼寧 沈陽110015）

1 引言

長時間服役后的高速公路會出現(xiàn)各種路面病害，產(chǎn)生病害的原因不單是路面結(jié)構(gòu)不合理和瀝青材料不適應(yīng)，還包括光、熱、氧、水各種外界環(huán)境因素對路面的影響。瀝青混合料受到老化的影響，物理力學(xué)性能降低，路面高溫狀態(tài)出現(xiàn)車轍和溫縮裂縫，這些問題都會加速瀝青混合料路面的破壞，最終影響路面的使用壽命。所以為提高道路的使用壽命，針對瀝青混合料老化程度的診斷是有必要，而目前國內(nèi)外同行的評價瀝青混合料老化的試驗方法主要有兩類，分別是對老化的瀝青混合料進(jìn)行各種與路面性能密切相關(guān)的物理力學(xué)性能試驗；從經(jīng)過老化的瀝青混合料中回收瀝青結(jié)合料，進(jìn)行老化后的瀝青結(jié)合料的性能試驗?，F(xiàn)有的方法對于瀝青老化的評價不能做到快速準(zhǔn)確與實時的效果。

紅外光譜儀快速檢測系統(tǒng)將紅外光譜分析技術(shù)引入到瀝青鑒定中，根據(jù)光譜中吸收峰的位置和形狀來推測瀝青組成，進(jìn)行定性分析和結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)吸收峰的強(qiáng)弱與該物質(zhì)含量的關(guān)系進(jìn)行定量分析，

因此本文采用紅外光譜快速檢測系統(tǒng)，對服役的高速公路瀝青路面老化程度進(jìn)行現(xiàn)場快速檢測，并結(jié)合現(xiàn)場芯樣進(jìn)行的性能試驗，建立羰基峰值的衰變情況與瀝青混合料高低溫性能的關(guān)系，從而快速地對老化后瀝青混合料性能進(jìn)行快速檢測。

2 紅外光譜現(xiàn)場檢測

2.1 檢測單元的確定

選取分布于遼寧省不同區(qū)域、不同通車年限且面層結(jié)構(gòu)均為SMA-13的高速公路進(jìn)行現(xiàn)場紅外光譜檢測，路線主要包括遼寧省東部2012年通車的撫通高速（通過8年），中部2015年改擴(kuò)建通車的沈四高速（通過5年），西部2008年通車的長深高速（通過12年），南部2005年通車的大窯灣疏港高速（通過15年）。

2.2 現(xiàn)場檢測

采用安捷倫手持式紅外光譜儀設(shè)備對高速公路硬路肩非輪跡位置的路面瀝青混合料進(jìn)行檢測，從而判斷自然老化情況下瀝青混合料老化性能的衰變情況。檢測點位置為隨機(jī)抽取代表高速公路路段內(nèi)的1公里作為檢測單元，檢測頻率為每個檢測單元隨機(jī)抽取1個測點，并在測點位置以0.5米為半徑進(jìn)行隨機(jī)5次檢測，確保紅外光譜圖像的準(zhǔn)確性?，F(xiàn)場檢測如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場紅外光譜檢測

2.3 紅外光譜技術(shù)基本原理

在有機(jī)物分子中，組成化學(xué)鍵或官能團(tuán)的原子處于不斷振動的狀態(tài)，當(dāng)用紅外光照射有機(jī)物分子時，分子的化學(xué)鍵或官能團(tuán)可能發(fā)生振動吸收，不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)吸收頻率不同，其在紅外光譜中的位置也將不同，因此，通過紅外光譜技術(shù)可獲得分子中含有何種化學(xué)鍵或官能團(tuán)的信息。

按吸收峰的來源，可以將紅外光譜圖（2.5~25μm）大體上分為特征頻率區(qū)（2.5~7.7μm，即4000-1330cm-1）以及指紋區(qū)（7.7~16.7μm，即1330-400cm-1）兩個區(qū)域。其中特征頻率區(qū)中的吸收峰基本是由基團(tuán)的伸縮振動產(chǎn)生，數(shù)目不是很多，但具有很強(qiáng)的特征性，因此在基團(tuán)鑒定工作上很有價值，主要用于鑒定官能團(tuán)。如羰基，不論是在酮、酸、酯或酰胺等類化合物中，其伸縮振動總是在5.9μm左右出現(xiàn)一個強(qiáng)吸收峰，如譜圖中5.9μm左右有一個強(qiáng)吸收峰，則大致可以斷定分子中有羰基。

3 現(xiàn)場芯樣性能試驗驗證

3.1 高溫抗剪單軸貫入

新版《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》 （JTG D50-2017）中首次增加了對路面結(jié)構(gòu)及材料抗剪性能的指標(biāo)要求：瀝青混合料的抗車轍性能應(yīng)滿足瀝青層容許永久變形要求。以輪轍試驗動穩(wěn)定度和單軸貫入試驗剪切強(qiáng)度檢驗瀝青混合料的抗車轍性能。抗剪試驗所用試件可室內(nèi)成型試件，也可現(xiàn)場鉆取芯樣后室內(nèi)切割成型試件。試件標(biāo)準(zhǔn)直徑為150mm，混合料最大公稱粒徑小于等于16mm時直徑可采用100mm；試件高度為100mm。將試件置于環(huán)境溫度應(yīng)穩(wěn)定在60℃±0.5℃，保溫不應(yīng)少于5h且不超過12h，進(jìn)行高溫抗剪單軸貫入試驗。

按式（1）和（2）計算瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度。試驗過程如圖2。

圖2 瀝青混合料貫入試驗

式中：Rτ為抗剪強(qiáng)度（MPa）；σp為貫入強(qiáng)度（MPa）；P為施加荷載極限值（N）；A為壓頭橫截面面積（mm2）；f為剪應(yīng)力系數(shù)，對直徑100mm試件，f＝0.34。

對高度不為100mm非標(biāo)準(zhǔn)高度試件，應(yīng)按式（3）和（4）對試驗結(jié)果進(jìn)行高度修正。

對于直徑為150mm，厚度38mm≤h<100mm的試件：

對于直徑為100，厚度38mm≤h<100mm的試件：

3.2 低溫間接拉伸

瀝青混合料低溫控制方法也得到不斷發(fā)展，國外用于研究瀝青混合料低溫抗裂性能的試驗方法有多種。本文通過低溫間接拉伸試驗評價瀝青混合料芯樣低溫性能。

低溫間接拉伸蠕變試驗采用直徑150mm的試件，可現(xiàn)場取芯或?qū)嶒炇页尚?，將試件切割成約40mm厚度的試件，采用定位規(guī)準(zhǔn)板將四個傳感器支撐柱粘結(jié)在試件的中心位置，試件的兩個切割面都粘結(jié)四個支撐柱，每個切割面安裝豎向、橫向兩個電磁位移傳感器，測定兩個方向的位移變化。豎向、橫向的兩個針式電磁位移傳感器十字交叉，但不能接觸。

作者采用-18℃，-15℃，-12℃三個試驗溫度進(jìn)行低溫間接拉伸蠕變試驗。將試件在試驗溫度下養(yǎng)護(hù)5h，選用合適的間接拉伸試驗壓條，將試件放在夾具中央，豎向針式位移傳感器與DTS-30的加載桿處于同一平面內(nèi)，通過預(yù)估試件間接拉伸極限強(qiáng)度，以6kN作為蠕變試驗所施加的荷載，保證300s時刻的水平橫向應(yīng)變不超過500，否則立即停止試驗，待試件回復(fù)3min后可以再次試驗。加載示意圖如圖3所示。

圖3 瀝青混合料間接拉伸試驗及力學(xué)模式示意圖

4 實驗結(jié)果分析

4.1 不同年限圖譜差別

利用紅外光譜儀對遼寧省內(nèi)不同區(qū)域、不同通車年限且面層結(jié)構(gòu)均為SMA-13的高速公路進(jìn)行現(xiàn)場紅外光譜檢測，通過瀝青紅外光譜的變化快速判定高速公路瀝青路面老化情況，并判斷其老化程度與高低溫路用性能的關(guān)系。

由于瀝青路面在服役過程中，瀝青會在自然老化因素的作用下，不斷發(fā)生熱氧化和光氧化等老化反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生以羰基為主的老化含氧基團(tuán)，因此，對羰基基團(tuán)進(jìn)行計算，可對瀝青路面的老化程度分析提供支持。對不同路段的進(jìn)行紅外光譜采集，試驗結(jié)果如圖4至圖7所示。

圖4 2005年通車大窯灣疏港高速路面紅外光譜圖

圖5 2008年通車長深高速路面紅外光譜圖

圖6 2012年通車撫通高速路面紅外光譜圖

圖7 2015年大修通車后沈四高速路面紅外光譜圖

由圖4至圖7可知，隨著通車年限的不同，瀝青圖譜中位于1700cm-1處的羰基峰高不同，這說明不同路段的老化程度不同。

采用OMNIC軟件對不同通車年限的路面紅外光譜進(jìn)行計算，得出不同通車年限的羰基數(shù)值如表1。

表1 不同通車年限的羰基峰值

由表1可知，隨著通車年限的增加，羰基指數(shù)呈增長趨勢，說明通車時間越長，瀝青路面的老化程度越重，由表1可得路段的老化程度為大窯灣疏港>長深>撫通>沈四。

4.2 圖譜與高溫

為驗證現(xiàn)場紅外光譜羰基峰值變化情況對瀝青混合料高溫性能的影響，對撫通高速、沈四高速、長深高速和大窯灣疏港高速面層瀝青混合料芯樣進(jìn)行高溫抗剪單軸貫入試驗，典型的加載曲線如圖8所示，試驗結(jié)果見表2。

圖8 高溫抗剪單軸貫入典型加載曲線

表2 不同路線SMA瀝青混合料芯樣高溫抗剪單軸貫入試驗結(jié)果

由表2可知，瀝青混合料貫入強(qiáng)度芯樣高溫抗剪單軸貫入試驗抗剪強(qiáng)度結(jié)果與通車年限大致呈反比關(guān)系，即抗剪強(qiáng)度隨通車年限的增長而降低。不同通車年限的羰基峰值分析結(jié)果也證明了老化后的瀝青混合料羰基峰值的變化會影響瀝青混合料高溫性能，且服役年限越長，羰基峰值越高，高溫性能越差。

4.3 圖譜與低溫

為建立現(xiàn)場紅外光譜峰值的變化與瀝青混合料老化后低溫性能的關(guān)系，對現(xiàn)場取芯的瀝青混合料采用低溫間接拉伸蠕變的試驗進(jìn)行低溫性能評價，試驗結(jié)果見表3。

表3 不同路線瀝青混合料芯樣低溫間接拉伸蠕變試驗結(jié)果

由表3可知，服役年限越長的高速公路，其瀝青混合料芯樣低溫間接拉伸蠕變試驗結(jié)果越差，即老化后的瀝青中羰基峰值的變化，影響了瀝青混合料的低溫性能。從之前章節(jié)紅外圖譜分析結(jié)果可知，服役時間越長的高速公路，羰基峰值越高，進(jìn)而可以判定瀝青混合料低溫性能越差。

5 結(jié)論

（1）瀝青混合料芯樣的高溫抗剪單軸貫入試驗和低溫間接拉伸試驗證明了瀝青混合料的高低溫性能與瀝青混合料服役年限呈反比關(guān)系，即服役年限越長，高低溫性能越差。

（2）紅外光譜檢測結(jié)果證明了隨著高速公路服役年限的增加，瀝青混合料中羰基增長明顯。

（3）紅外光譜法可以通過瀝青混合中羰基峰值的高低判定其老化程度，從而得出瀝青混合料的高低溫性能的衰變情況。