丁德偉，劉曉宇，劉穎，薛耀東，王雪*

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.南京潤程交通科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210046）

0 引言

研究和大量路面檢測數(shù)據(jù)表明，瀝青面層老化是影響路面耐久性重要原因。通車5～8 a 后，路面老化導(dǎo)致的病害逐漸增多，主要表現(xiàn)為路表縱向裂縫、網(wǎng)裂等，產(chǎn)生于路表，并逐漸往深層延伸，不及時(shí)處治甚至導(dǎo)致中面層產(chǎn)生大量網(wǎng)裂[1]。由于路面老化開裂導(dǎo)致的銑刨重鋪等維修約占通車8 a 以上高速公路路面大中修的40%～60%[2]。

瀝青路面長期暴露在外界環(huán)境下，受到許多不同因素的影響，黃曉明等[3]學(xué)者認(rèn)為在瀝青的使用過程中，氧、熱以及老化時(shí)間的長短會(huì)影響瀝青變質(zhì)、老化的程度。同時(shí)，水、紫外線也是影響瀝青老化的重要因素。根據(jù)影響因素的不同，可將瀝青的老化分為熱氧老化、光老化及水老化[4]。除了瀝青膠結(jié)料自身抗老化性能外，瀝青路面的老化特征還與瀝青混合料的技術(shù)指標(biāo)相關(guān)，如瀝青混合料的空隙率（VV）、礦料間隙率（VMA）、瀝青飽和度（VFA）、瀝青膜厚度以及粉膠比（DP）等。

在瀝青混合料研究中，尚沒有提升抗老化性能的關(guān)鍵指標(biāo)分析[5-7]。本文將圍繞瀝青膜厚度影響因素、粉膠比、壓實(shí)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術(shù)，實(shí)現(xiàn)路面長壽命、耐久性，同時(shí)降低公路養(yǎng)護(hù)成本。

1 原材料選取及試件老化處理

1.1 原材料選取

采用高速公路上面層常見的SBS 改性瀝青AC-13C 混合料。粗集料用玄武巖粗集料，細(xì)集料用石灰?guī)r機(jī)制砂，礦粉用石灰?guī)r磨細(xì)礦粉，瀝青為工廠化加工的成品I-D 型SBS 改性瀝青。

1.2 混合料及試件老化處理

按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中“熱拌瀝青混合料加速老化方法”進(jìn)行混合料和試件的老化試驗(yàn)。將混合料放入135 ℃±3 ℃的烘箱中強(qiáng)制通風(fēng)加熱4 h±5 min，進(jìn)行短期老化；然后將試件放置于試樣架上送入85 ℃±3 ℃烘箱中，在強(qiáng)制通風(fēng)條件下連續(xù)加熱5 d（120 h±0.5 h），進(jìn)行長期老化。為進(jìn)一步探究長期老化條件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本研究在5 d 長期老化的基礎(chǔ)上，增加同條件下10 d 的老化試驗(yàn)。

2 瀝青膜厚度影響因素研究

瀝青膜厚度由混合料中的有效瀝青用量和礦料比表面積決定，有效瀝青用量由油石比的大小決定，礦料比表面積由設(shè)計(jì)級(jí)配決定[8]。本研究采用相同的級(jí)配，通過變化油石比改變?yōu)r青膜厚度。調(diào)整成型溫度和擊實(shí)功，使成型的瀝青混合料具有相近的空隙率。并用低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同瀝青混合料在長期老化條件下的抗疲勞耐久性能。

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

AC-13C 混合料各檔礦料摻配比例見表1，設(shè)計(jì)級(jí)配見表2。

表1 設(shè)計(jì)級(jí)配礦料摻配比例Table 1 Design grading mineral blending ratio

表2 設(shè)計(jì)級(jí)配Table 2 Design grading

2.2 混合料設(shè)計(jì)

改性瀝青AC-13C 的設(shè)計(jì)最佳油石比一般為4.9%，本研究分別選擇4.8%、5.0%兩個(gè)油石比進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)，通過調(diào)整成型溫度和擊實(shí)功，使2 組不同油石比的混合料成型空隙率相近。

2 組瀝青混合料體積性能指標(biāo)均滿足施工技術(shù)規(guī)范要求，同條件下開展不同瀝青膜厚度對(duì)抗老化性能的影響具有較強(qiáng)的工程實(shí)際意義。并通過計(jì)算得到瀝青膜有效厚度計(jì)算結(jié)果，見表3。4.8%油石比對(duì)應(yīng)有效瀝青膜厚度為8.084 μm，5.0%油石比對(duì)應(yīng)有效瀝青膜厚度為8.444 μm。

表3 不同油石比對(duì)應(yīng)有效瀝青膜厚度計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of effective asphalt film thickness corresponding to different oil to stone ratios

馬氏試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 不同油石比馬氏試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Different oil to stone ratio martensite test results

2.3 低溫彎曲試驗(yàn)

按規(guī)定條件開展老化試驗(yàn)后，將車轍板切成小梁，分別開展低溫彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5。由表5 可以得出以下結(jié)論：

表5 不同油石比在不同工況下的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of low-temperature bending tests under different working conditions with different oil to stone ratios

1）瀝青膜較厚的混合料抗彎拉強(qiáng)度值相對(duì)更優(yōu)；隨著老化條件的提高，瀝青膜較厚的混合料抗彎拉強(qiáng)度優(yōu)勢愈加顯著。表明瀝青膜較厚混合料在長期老化條件下抗疲勞力學(xué)性能相對(duì)更強(qiáng)。

2）隨著老化時(shí)間的延長，瀝青混合料彎拉應(yīng)變呈下降趨勢，在120 h 左右下降速率有明顯的衰減。5 d 長期老化后，改性瀝青混合料AC-13C低溫彎拉應(yīng)變已不能夠滿足技術(shù)要求（一般要求不低于2 500 με）。

3）隨著老化時(shí)間的延長，瀝青混合料勁度模量總體呈增長趨勢，尤其是5 d 條件下的長期老化，相對(duì)增長較快，后續(xù)增長緩和。

3 粉膠比

3.1 混合料設(shè)計(jì)

由于0.075 mm 以下顆粒的大幅度變化，瀝青AC-13C 混合料的有效瀝青膜厚度將隨著粉膠比提高而降低，在混合料設(shè)計(jì)階段應(yīng)予以考慮。混合料摻配比例、設(shè)計(jì)級(jí)配及對(duì)應(yīng)的粉膠比、瀝青膜厚度分別見表6、表7。

表6 不同設(shè)計(jì)級(jí)配礦料摻配比例Table 6 The mineral blending ratios with different design grades

表7 設(shè)計(jì)級(jí)配組成情況Table 7 Design grade composition

3 組不同粉膠比瀝青混合料的馬氏體積指標(biāo)見表8。礦料用量對(duì)瀝青混合體積指標(biāo)較敏感，隨粉膠比的變化，瀝青混合料空隙率、礦料間隙率、飽和度等指標(biāo)均存在較大波動(dòng)。精準(zhǔn)化控制粉膠比指標(biāo)才能穩(wěn)定瀝青混合料基本體積指標(biāo)。

表8 5.0%油石比對(duì)應(yīng)不同級(jí)配混合料馬氏試驗(yàn)結(jié)果Table 8 5.0%oil to stone ratio corresponding to different graded mixes martensite test results

3.2 低溫彎曲試驗(yàn)

按不同老化條件進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)。結(jié)果見表9。從級(jí)配1—級(jí)配3，粉膠比由低到高變化。

表9 不同粉膠比混合料在不同工況下的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Low temperature bending test results of different powder to rubber ratio mixtures under different working conditions

由上述試驗(yàn)結(jié)果得出以下分析結(jié)論：

1）瀝青混合料彎拉強(qiáng)度隨著老化時(shí)間的延長逐漸降低，粉膠比小的瀝青混合料彎拉強(qiáng)度相對(duì)偏低，這可能與其空隙率大、不密實(shí)有關(guān)。級(jí)配2、級(jí)配3 瀝青混合料彎拉強(qiáng)度差別不大。

2）隨著老化時(shí)間的延長，瀝青混合料彎拉應(yīng)變呈下降趨勢，從上述3 組瀝青混合料來看，粉膠比越大的混合料抵抗彎拉應(yīng)變能力相對(duì)越強(qiáng)。粉膠比大的瀝青混合料級(jí)配相對(duì)偏細(xì)，其空隙率小，更為密實(shí)，同時(shí)受外界熱風(fēng)干擾更小。

3）隨老化時(shí)間的延長，瀝青混合料勁度模量總體呈增長趨勢，但級(jí)配1 混合料后期呈下降趨勢，可能與其空隙率過大、不密實(shí)等因素有關(guān)。

4 壓實(shí)后空隙率

準(zhǔn)備壓實(shí)后空隙率分別為4%、5%、6%、7%、8%的試件，不同空隙率的混合料在不同老化條件下的彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變、勁度模量試驗(yàn)結(jié)果見表10。試驗(yàn)結(jié)果分析可知，彎拉強(qiáng)度整體隨路面空隙率的增大而呈下降趨勢；對(duì)于相同壓實(shí)空隙率而言，彎拉強(qiáng)度隨老化時(shí)間的延長呈減弱趨勢。在5 d、 10 d 試驗(yàn)條件的長期老化后，不同空隙率試件的彎拉強(qiáng)度變化趨緩。

表10 不同空隙率的性能試驗(yàn)結(jié)果Table 10 Performance test results of different void ratio

彎拉應(yīng)變隨路面空隙率的增大而呈下降趨勢，且壓實(shí)空隙率大于6%時(shí)，下降過程呈現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。對(duì)于相同壓實(shí)空隙率而言，試件的彎拉應(yīng)變隨老化時(shí)間的延長而衰減。

勁度模量隨路面壓實(shí)后空隙率的增加呈現(xiàn)先降低后增長的趨勢，且當(dāng)路面壓實(shí)空隙率大于6%時(shí)變化最為顯著。

5 結(jié)語

本文通過試驗(yàn)探究了瀝青膜厚度、粉膠比、壓實(shí)度等關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)混合料抗老化性能的影響，歸納以下結(jié)論。

1）在瀝青混合料性能均滿足技術(shù)要求的前提下，在空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等其他指標(biāo)相近，瀝青膜厚度不同的條件下，瀝青膜較厚的混合料抗老化能力更好。

2）在不考慮其他性能指標(biāo)情況下，粉膠比偏大的瀝青混合料空隙率較低，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，同時(shí)瀝青飽和度較高，使得混合料抵抗低溫彎拉能力更強(qiáng)，抗老化耐久性更好。

3）由試驗(yàn)分析可知，路面壓實(shí)空隙率在6%以內(nèi)，混合料抗老化性能更優(yōu)。對(duì)于AC-13C 型抗老化瀝青混合料，在優(yōu)化級(jí)配控制范圍基礎(chǔ)上，將空隙率設(shè)計(jì)范圍按4.0%～5.5%進(jìn)行控制；路面理論壓實(shí)度按94%～97%進(jìn)行控制。