程德金，楊 凱，白旭耀，王建黨，楊寶泉

（西北民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，西安 710075）

隨著國內(nèi)新建機(jī)場和機(jī)場改擴(kuò)建工程數(shù)量的持續(xù)增長，機(jī)場跑道瀝青“蓋被”工程越來越多，其中，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS，styrene-butadiene-styrene block copolymer）改性瀝青道面以其良好的路用性能[1-2]被廣泛應(yīng)用于機(jī)場道面更新改造。機(jī)場瀝青道面施工通常為不停航施工，工期緊、難度大、有效施工時間短[3]。為保障夜間連續(xù)施工用料要求，瀝青混合料需提前拌制和儲存，根據(jù)瀝青拌合站成品倉大小及施工要求，儲存時間一般為5～6 h，長則8～10 h，長時間高溫儲存必然會導(dǎo)致瀝青混合料老化，影響其路用性能，降低瀝青道面使用壽命[4-5]。

目前，關(guān)于瀝青混合料老化的研究較多，美國公路戰(zhàn)略研究計劃（SHRP，strategic highway research program）提出的烘箱加熱法是模擬瀝青混合料老化的常用方法[6-7]。陳華鑫等[8]分別研究了粗級配和細(xì)級配對基質(zhì)瀝青和改性瀝青混合料老化后低溫抗裂性的影響。文獻(xiàn)[9]認(rèn)為老化是瀝青路面發(fā)生開裂的主要原因之一，并研究了兩種不同老化試驗條件對瀝青混合料性能的影響。李寧利等[10]分別研究了短期老化和長期老化對基質(zhì)瀝青和改性瀝青混合料低溫性能的影響。何兆益等[11]研究了不同老化溫度（135 ℃、155 ℃）與儲存時間（2 h、4 h）對瀝青混合料間接抗拉破壞強(qiáng)度的影響。李惠霞等[12]通過室內(nèi)紫外線老化試驗?zāi)M3 種不同級配瀝青混合料老化前后高溫和低溫性能及回彈模量變化。馬翔等[13]研究了熱老化對排水瀝青混合料力學(xué)強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和低溫性能的影響。

綜上，以上關(guān)于瀝青混合料老化的研究主要集中在老化條件的選擇、老化對瀝青混合料某種性能影響等方面，研究方法主要為室內(nèi)模擬瀝青混合料老化過程，而從瀝青拌合站成品倉角度出發(fā)研究瀝青混合料儲存過程中發(fā)生的老化比較少見。本研究依托華北某機(jī)場瀝青跑道“蓋被”工程，從現(xiàn)場成品倉中存料和取料，研究不同拌合溫度與儲存時間對瀝青混合料老化性能的影響，從而確定合理的拌合溫度與儲存時間，可為機(jī)場不停航施工中瀝青混合料的儲存與使用提供理論依據(jù)。

1 試驗

1.1 原材料

本試驗所采用的集料為拌合站篩分的熱料：1#倉（0～3 mm）、2#倉（3～6 mm）、3#倉（6～11 mm）、4#倉（11～16 mm）、5# 倉（16～22 mm）；本試驗采用中海油SBS 改性瀝青，粗集料為河北唐山石灰?guī)r，細(xì)集料為機(jī)制砂，礦粉生產(chǎn)廠家為唐山天獅建材有限公司，抗車轍劑與高粘劑生產(chǎn)廠家為深圳海川新材料科技股份有限公司，原材料主要材料技術(shù)指標(biāo)如表1～3 所示。

表1 中海油SBS 改性瀝青試驗結(jié)果Tab.1 Test results of CNOOC SBS modified asphalt

表2 石灰?guī)r粗集料試驗結(jié)果Tab.2 Test results of limestone coarse aggregate

表3 機(jī)制砂（1#倉）試驗結(jié)果Tab.3 Test results of machine-processed sand（1 bin）

1.2 級配與瀝青用量

試驗采用機(jī)場瀝青跑道中、下面層常用的AC-20瀝青混合料（簡稱瀝青混合料），以目標(biāo)配合比為基準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)配合比設(shè)計，得到混合料的熱料級配組成為1# 倉∶2# 倉∶3# 倉∶4# 倉:5# 倉∶礦粉=4%∶28%∶13%∶17%∶18%∶20%（外摻抗車轍劑和高粘劑分別為混合料質(zhì)量的0.5%），最佳油石比為4.2%，各檔集料的通過率如表4 所示。

表4 AC-20 瀝青混合料集料級配表Tab.4 AC-20 asphalt mixture aggregate gradation table

1.3 瀝青混合料老化試驗方案

根據(jù)《民用機(jī)場瀝青道面施工技術(shù)規(guī)范》[14]（MH/T 5011—2019）及現(xiàn)場施工條件，瀝青混合料的拌合溫度選取170、180、190 ℃，將拌制好的瀝青混合料在成品倉中分別儲存0、4、8、12 h，在拌合站每隔4 h 用保溫桶取料成型試驗所用試件，如圖1～2 所示，分別進(jìn)行混合料車轍試驗、小梁低溫彎曲試驗、水穩(wěn)定性試驗及疲勞試驗。

圖1 拌合站現(xiàn)場取料Fig.1 Taking asphalt mixture at mixing station

圖2 車轍板成型Fig.2 Formed rutting board

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 車轍試驗

瀝青混合料動穩(wěn)定度是指按規(guī)定條件進(jìn)行車轍試驗時，瀝青混合料變形進(jìn)入穩(wěn)定期后每產(chǎn)生1 mm輪轍試驗輪所行走的次數(shù)。飛機(jī)輪胎接地壓力為汽車輪胎接地壓力的1.5～2.2 倍[15]，在機(jī)輪荷載反復(fù)作用下，車轍已成為當(dāng)前機(jī)場瀝青道面主要的破壞形式。

本試驗采用三輪全自動車轍試驗儀進(jìn)行試驗，如圖3 所示，不同溫度、儲存時間下瀝青混合料的車轍試驗結(jié)果如圖4 所示，分別將瀝青混合料儲存4、8、12 h 后的動穩(wěn)定度值與儲存0 h 的動穩(wěn)定度值進(jìn)行比較，得到動穩(wěn)定度增長率與時間的關(guān)系，如圖5 所示。

圖3 車轍試驗Fig.3 Rutting test

圖4 動穩(wěn)定度與時間關(guān)系Fig.4 Relationship between dynamic stability and time

圖5 動穩(wěn)定度增長率與時間關(guān)系Fig.5 Relationship between growth rate of dynamic stability and time

由圖4 和圖5 可知，同一拌合溫度下，瀝青混合料的動穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度增長率隨儲存時間延長而增大；前8 h 內(nèi)，動穩(wěn)定度增長率緩慢增加，8 h 后動穩(wěn)定度增長率顯著增加，瀝青混合料儲存12 h 后的動穩(wěn)定度增長率是儲存8 h 后的2 倍以上。同一儲存時間下，混合料動穩(wěn)定度隨拌合溫度升高而增大；瀝青混合料拌合溫度從170 ℃提高到180 ℃時，動穩(wěn)定度增長較快，拌合溫度從180 ℃提高到190 ℃時，動穩(wěn)定度增幅有所下降。190 ℃拌合的瀝青混合料動穩(wěn)定度最大的原因：①由于瀝青中的飽和酚和芳香酚揮發(fā)、變質(zhì)，使得瀝青硬度增大，從而增加瀝青混合料的抗變形能力，使其動穩(wěn)定度增大；②瀝青老化導(dǎo)致的硬度增大對動穩(wěn)定度影響占據(jù)主導(dǎo)作用。相比之下，170 ℃拌合的瀝青混合料動穩(wěn)定度偏低的原因是瀝青混合料溫度散失較快，為了滿足施工要求，通常瀝青混合料拌合溫度要高于常規(guī)混合料（未加高粘劑），因此，170 ℃作為拌合溫度偏低，影響試驗室成型的車轍板壓實度，從而使車轍試驗結(jié)果偏低。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]及相關(guān)設(shè)計文件要求，瀝青混合料動穩(wěn)定度≥8 000 次/mm，單從高溫抗車轍性能考慮，瀝青混合料儲存12 h 后的動穩(wěn)定度均能滿足技術(shù)要求。但老化使瀝青混合料的勁度增大，在一定程度上有利于對抗車轍，但對瀝青混合料整體性能的影響程度，還需要通過其他路用性能測試分析后方可定論。

2.2 小梁低溫彎曲試驗

瀝青混合料小梁低溫抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變用來表示瀝青路面低溫開裂時的臨界破壞強(qiáng)度和極限破壞應(yīng)變，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[16（]JTG E20—2011）要求將車轍板切割成200 mm×30 mm × 35 mm 的小梁進(jìn)行低溫彎曲試驗，試驗條件分別為-10 ℃和-20 ℃，如圖6 所示，不同拌合溫度與儲存時間的瀝青混合料小梁低溫彎曲試驗結(jié)果如表5和表6 所示。

圖6 小梁低溫彎曲試驗Fig.6 Low temperature trabecular bending test

表5 瀝青混合料小梁低溫彎曲試驗結(jié)果（-10 ℃）Tab.5 Low temperature bending test results of asphalt mixture（-10 ℃）

由表5 和表6 可知，同一拌合溫度下，瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變隨儲存時間延長而降低；瀝青混合料儲存12 h 后，-10 ℃測試時，不同拌合溫度的瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變分別降低41.3%（170 ℃）、42.9%（180 ℃）、52.5%（190 ℃）；-20 ℃測試時，不同拌合溫度瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變分別降低43.7%（170 ℃）、47.1%（180 ℃）、60.8%（190 ℃）。

表6 瀝青混合料小梁低溫彎曲試驗結(jié)果（-20 ℃）Tab.6 Low temperature bending test results of asphalt mixture（-20 ℃）

從以上分析可知，老化對混合料低溫抗裂性影響較大，長時間高溫儲存使瀝青中形成較多的極性分子，而其很容易與空氣中氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使瀝青變硬和變脆，彈性變形能力減弱，致使瀝青混合料低溫抗變形能力降低。

同一儲存時間下，瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變隨拌合溫度升高而下降；對于儲存12 h 的瀝青混合料，溫度從170 ℃升到190 ℃，瀝青混合料分別處于-10 ℃和-20 ℃時，最大彎拉應(yīng)變分別降低35.3%和44.0%；根據(jù)-10 ℃和-20 ℃條件下的試驗結(jié)果可知，瀝青混合料所處的溫度從-10 ℃到-20 ℃，其抗彎拉強(qiáng)度增大，最大彎拉應(yīng)變減小。

瀝青混合料的彎曲勁度模量與時間關(guān)系如圖7所示。瀝青混合料的彎曲勁度模量綜合考慮了抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變的影響，彎曲勁度模量越大，混合料越易發(fā)生脆性斷裂。由圖7 可知，同一拌合溫度條件下，隨著儲存時間從0 h 增加到12 h，瀝青混合料彎曲勁度模量呈增長趨勢，且漲幅越來越大；同一條件下（拌合溫度與儲存時間相同），瀝青混合料在-20 ℃條件下的彎曲勁度模量整體高于-10 ℃條件下彎曲勁度模量，說明混合料所處的環(huán)境溫度越低，其勁度模量越大，道面柔韌性越差，越易發(fā)生開裂。

圖7 彎曲勁度模量與時間關(guān)系Fig.7 Relationship between bending stiffness modulus and time

根據(jù)瀝青混合料低溫試驗結(jié)果可知，為了滿足規(guī)范[14]要求的改性混合料最大彎拉應(yīng)變不小于3000×10-6，瀝青混合料在不同拌合溫度下的儲存時間應(yīng)分別不大于10.5 h（170 ℃）、8.4 h（180 ℃）、4.5 h（190 ℃）。

2.3 水穩(wěn)定性試驗

瀝青混合料水損壞的本質(zhì)是水破壞了瀝青與集料界面，使得瀝青膜發(fā)生剝落，造成瀝青粘結(jié)強(qiáng)度下降，瀝青混合料水穩(wěn)定性常用的評價指標(biāo)有殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比（TSR，tensile strength ratio），其中，殘留穩(wěn)定度是指按規(guī)定條件進(jìn)行瀝青混合料浸水馬歇爾試驗后，浸水48 h 試件馬歇爾穩(wěn)定度與常規(guī)試件馬歇爾穩(wěn)定度的比值；TSR 是指按規(guī)定條件進(jìn)行瀝青混合料凍融循環(huán)試驗后，凍融試件抗拉強(qiáng)度與未凍融試件抗拉強(qiáng)度的比值。

按照規(guī)程[16]要求進(jìn)行試驗，如圖8 和圖9 所示。不同拌合溫度與儲存時間下瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結(jié)果如圖10 和圖11 所示。

圖8 瀝青混合料穩(wěn)定度試驗Fig.8 Stability test of asphalt mixture

圖9 瀝青混合料劈裂試驗Fig.9 Splitting test of asphalt mixture

圖10 殘留穩(wěn)定度與時間關(guān)系圖Fig.10 Relationship between residual stability and time

圖11 TSR 與時間關(guān)系圖Fig.11 Relationship between TSR and time

由圖10 和圖11 可知，同一拌合溫度下，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和TSR 均隨儲存時間延長而降低，在0 ～8 h 內(nèi)，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和TSR 緩慢降低，但在8 ～12 h 內(nèi)，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和TSR 下降幅度明顯增大。其中，與0 h 相比，不同拌合溫度的瀝青混合料儲存12 h 后殘留穩(wěn)定度分別衰減6.5%（170 ℃）、7.5%（180 ℃）、7.9%（190 ℃），TSR 分別衰減14.0%（170 ℃）、15.1%（180 ℃）、16.8%（190 ℃）。這說明隨著儲存時間的延長，瀝青混合料老化程度增大，水分子更易進(jìn)入瀝青混合料的空隙中，破壞瀝青與集料的界面。比較兩種水穩(wěn)定性試驗結(jié)果可知，瀝青混合料TSR 的衰減幅度大于殘留穩(wěn)定度，這與兩個試驗的條件有關(guān)，浸水馬歇爾試驗對于高粘改性瀝青混合料而言，水分子較難進(jìn)入瀝青混合料內(nèi)部，對瀝青混合料的損傷較小，而凍融劈裂試驗條件較為嚴(yán)苛，水在瀝青混合料內(nèi)部經(jīng)過凍融循環(huán)使瀝青與集料發(fā)生剝離，粘結(jié)強(qiáng)度下降。根據(jù)瀝青混合料水損壞試驗條件，在寒冷地區(qū)推薦以TSR 作為瀝青混合料水穩(wěn)定性的評價指標(biāo)，而在高溫多雨地區(qū)可選擇殘留穩(wěn)定度作為評價指標(biāo)。

根據(jù)規(guī)范[14]要求，當(dāng)以殘留穩(wěn)定度作為評價指標(biāo)時，瀝青混合料在不同溫度下的儲存時間分別不大于8.7 h（170 ℃）、8.3 h（180 ℃）、5.6 h（190 ℃）；當(dāng)以TSR 作為評價指標(biāo)時，瀝青混合料在不同溫度下的儲存時間分別不大于7.0 h（170 ℃）、6.7 h（180 ℃）、4.1 h（190 ℃）。為了滿足瀝青混合料使用要求，施工現(xiàn)場要根據(jù)實際情況選擇適宜的儲存時間，重點關(guān)注高溫儲存時間。

2.4 疲勞試驗

疲勞破壞是指材料經(jīng)過一定次數(shù)的應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)作用后，在其表面產(chǎn)生微裂紋或突然發(fā)生斷裂的過程，通常將材料發(fā)生破壞時的應(yīng)力值稱為疲勞強(qiáng)度，對應(yīng)的作用次數(shù)稱為疲勞壽命。目前評價瀝青混合料疲勞性能最常用的方法是現(xiàn)象學(xué)法，該方法包括控制應(yīng)力和控制應(yīng)變兩種加載模式。本試驗采用操作簡便、時間短、精度高的控制應(yīng)力模式，以瀝青混合料試件出現(xiàn)裂縫作為判斷疲勞破壞的標(biāo)準(zhǔn)。

瀝青混合料為高粘瀝青混合料，對施工溫度要求較高，170 ℃拌和的瀝青混合料現(xiàn)拌現(xiàn)用尚可，但其在儲存一定時間后對于施工來說溫度偏低，而190 ℃拌合的瀝青混合料老化較為嚴(yán)重，綜合考慮瀝青混合料施工溫度及上述老化性能，選用180 ℃拌和儲存的瀝青混合料進(jìn)行疲勞試驗。

試驗之前首先要確定試件的破壞荷載，然后根據(jù)應(yīng)力比（試驗荷載σ 與破壞荷載s 的比值）確定每個應(yīng)力比對應(yīng)的荷載大小。本試驗采用的應(yīng)力比分別為0.3、0.4、0.5、0.6，小梁試件尺寸為250 mm × 40 mm ×40 mm，加載頻率為10 Hz，試驗溫度15 ℃，使用MTS Landmark 電液伺服試驗系統(tǒng)進(jìn)行瀝青混合料的疲勞試驗，如圖12 所示，試驗結(jié)果如表7 所示。

表7 不同儲存時間下瀝青混合料的疲勞壽命Tab.7 Fatigue lifespan of asphalt mixture under different storage time

圖12 混合料疲勞試驗Fig.12 Fatigue test of mixture

根據(jù)疲勞試驗結(jié)果，基于傳統(tǒng)的應(yīng)力控制模式現(xiàn)象學(xué)疲勞方程[17]可得

式中：Nf為疲勞壽命；K 為疲勞曲線的截距；n 為疲勞曲線的斜率；σ/s 為應(yīng)力比。通常疲勞曲線的截距K 越大，表明材料的疲勞壽命越大；斜率n 值越大，表示材料的疲勞性能隨應(yīng)力變化越大，即對應(yīng)力的敏感程度越高。

以瀝青混合料疲勞壽命對數(shù)值為縱坐標(biāo)，應(yīng)力比為橫坐標(biāo)作圖得到疲勞曲線，如圖13 所示，對曲線進(jìn)行線性擬合得到瀝青混合料的疲勞方程，如表8 所示。

表8 不同老化時間的瀝青混合料疲勞方程Tab.8 Fatigue equation of asphact mixture under different aging time

圖13 混合料疲勞壽命與應(yīng)力比關(guān)系圖Fig.13 Relationship between fatigue life and stress ratio of mixture

由圖13 可知，在應(yīng)力控制模式下，瀝青混合料的疲勞壽命與應(yīng)力比呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系；由表8 可知，瀝青混合料疲勞曲線的截距K 隨儲存時間延長而減小，斜率n 隨儲存時間延長而增大；這說明隨著儲存時間延長，瀝青混合料的疲勞壽命降低，且0～8 h內(nèi)緩慢降低，8～12 h 內(nèi)顯著降低，瀝青混合料對應(yīng)力的敏感程度一直增大，分析其原因可能是因為瀝青混合料在儲存8 h 后老化已較為嚴(yán)重，瀝青混合料中輕質(zhì)組分揮發(fā)，并轉(zhuǎn)化為硬質(zhì)組分使混合料變硬變脆，致使疲勞壽命出現(xiàn)明顯降低現(xiàn)象。

瀝青混合料在儲存、運(yùn)輸及現(xiàn)場等待攤鋪過程中均會發(fā)生溫度衰減，根據(jù)現(xiàn)場拌合溫度測試結(jié)果，170 ℃拌合的瀝青混合料現(xiàn)拌現(xiàn)用尚可，儲存一定時間后再運(yùn)到現(xiàn)場攤鋪時溫度偏低，影響現(xiàn)場瀝青混合料壓實質(zhì)量，故不推薦170 ℃作為拌合溫度；依據(jù)瀝青混合料190 ℃儲存性能測試結(jié)果，該溫度下瀝青混合料老化嚴(yán)重，性能隨時間衰減迅速，可儲存時間較短，一般不能滿足不停航施工對儲存時間的要求，故亦不考慮190℃作為拌合溫度；綜合考慮現(xiàn)場攤鋪壓實質(zhì)量、瀝青混合料儲存后的老化性能及不停航施工對瀝青混合料儲存時間的要求，推薦瀝青混合料拌合溫度為180 ℃，根據(jù)混合料低溫、水穩(wěn)定性性能測試結(jié)果，滿足各性能要求的儲存時間排序為8.4 h（最大彎拉應(yīng)變）＞8.3 h（殘留穩(wěn)定度）＞6.7 h（TSR），結(jié)合瀝青混合料儲存8 h 后疲勞壽命顯著降低，建議儲存時間不超過6.7 h。

3 結(jié)語

依托華北某機(jī)場跑道“蓋被”工程，對不同溫度下的AC-20 瀝青混合料在成品倉儲存不同時間的老化性能進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論。

（1）瀝青混合料動穩(wěn)定度隨儲存時間延長而增大，動穩(wěn)定度增長率隨儲存溫度升高而增加，前8 h 內(nèi)動穩(wěn)定度增長率緩慢增加，8 h 后動穩(wěn)定度增長率顯著增加。瀝青混合料在190 ℃儲存12 h 后動穩(wěn)定度為16 265 次/mm，增長率達(dá)28.7%，單從高溫抗車轍性能考慮，瀝青混合料儲存12 h 后的動穩(wěn)定度均能滿足設(shè)計要求。

（2）同一拌合溫度下，拌合瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變隨儲存時間延長而降低，根據(jù)規(guī)范要求，不同拌合溫度下瀝青混合料儲存時間分別不大于10.5 h（170 ℃）、8.4 h（180 ℃）、4.5 h（190 ℃）。

（3）同一拌合溫度下，瀝青混合料的水穩(wěn)定性隨時間延長而降低，以殘留穩(wěn)定度作為評價指標(biāo)時，瀝青混合料在不同拌合溫度下儲存時間不大于8.7 h（170 ℃）、8.3 h（180 ℃）、5.6 h（190 ℃）；以TSR 作為評價指標(biāo)時，瀝青混合料在不同拌合溫度下儲存時間不大于7.0 h（170 ℃）、6.7 h（180 ℃）、4.1 h（190 ℃）。

（4）綜合考慮現(xiàn)場施工對拌合溫度的要求及瀝青混合料老化后的高、低溫和水穩(wěn)定性變化情況，結(jié)合瀝青混合料疲勞壽命的變化情況，推薦AC-20 瀝青混合料最佳拌合溫度為180 ℃，儲存時間不宜大于6.7 h。