加热温度和时间对沥青混合料老化的影响

何兆益，欧祖敏，刘 楠，陈宏斌

(1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074;2.东南大学 交通学院，江苏南京210018;3.甘肃省交通厅工程处，甘肃兰州730030)

沥青路面在使用期间承受交通、气候等环境因素的综合作用，沥青混合料的使用性能保持稳定或发生较小变化的能力，称为沥青混合料的抗老化性能［1－2］。沥青混合料的老化会影响沥青路面的使用质量，降低混合料的路用性能，甚至缩短沥青路面的使用寿命。

沥青混合料的老化主要指混合料中的沥青材料在拌和、摊铺、碾压过程中短期老化及沥青路面使用过程中的长期老化。为了模拟沥青老化，常用的老化方法有:TFOT(薄膜烘箱)、RTFOT(旋转薄膜烘箱)、RMFO(旋转微薄膜烘箱)、延迟 RTFOT、TODT(倾斜烘箱耐久性试验)、PAV(压力老化)、POV(氧气老化)和紫外线老化等。SHRP根据以往沥青混合料短期老化方法(STOA)的研究试验结果，提出将松散的沥青混合料放在135℃强制通风烘箱加热4 h的老化大体相当于沥青混合料拌和以后直至压实成型到冷却、开放交通的过程，并用短期老化前后的沥青混合料性能的对比来评价沥青混合料的短期抗老化性能。SHRP、国家“八五”科技攻关专题［2］、王哲［3］、郝培文［4］等分别利用烘箱短期模拟老化过程，通过力学性能试验与路面实际老化过程的相关性进行了研究，表明烘箱模拟短期老化的有效性。但是，这些方法基本上集中于模拟沥青混合料在常规生产温度下的抗老化评价。

目前掺加抗车辙剂、纤维等沥青混合料的生产温度相比普通沥青混合料都有较大的提高，而高温生产对沥青混合料的老化是显而易见的，因此，非常有必要对高温生产条件下的沥青混合料的老化进行研究，以评价沥青混合料的抗高温老化性能。笔者结合掺加抗车辙剂A的沥青混合料生产过程，探索高温对沥青混合料抗老化性能影响。

1 模拟老化试验设计

沥青混合料添加抗车辙剂A后，其黏度有所增大，为保证压实效果，其生产温度需要提高到175～185℃之间。笔者采用抗车辙剂A沥青混合料来研究高温生产条件对沥青混合料抗老化性能的影响。

由于普通的沥青混合料出料温度一般都控制在155～160℃左右，沥青混合料拌和、运输、摊铺、碾压直到开放交通的过程中是一个温度降低的过程，这个过程的长短随着工艺、机械、运距、操作水平等因素的影响而不同。已有的研究表明，采用135℃强制通风烘箱加热4 h与这个过程相当。而抗车辙剂A沥青混合料的生产温度相应普通沥青混合料要高20℃左右，采用同样的温度显然不符合实际生产条件，所以，笔者按表1设计方案模拟高温对沥青混合料老化的影响。

表1 沥青混合料短期老化模拟试验设计方案Table 1 Design plan of short-term aging simulation test about asphalt mixture

表2 SK－70基质沥青技术指标Table 2 Technical indexes of SK-70 bitumen

2 原材料技术指标及试验方法

2.1 原材料技术指标

沥青采用为韩国SK－70，按JTJ 052—2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行试验，其主要技术指标见表2。抗车辙剂A外观为松散黑色颗粒，无黏附聚集现象，大小约为3～5 mm，在常温下保存。集料均为石灰岩，其技术指标经检测均满足JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求。

采用表3所示AC－20级配，普通沥青混合料最佳油石比为4.29%，抗车辙剂A掺量为混合料质量比的0.3%，确定其最佳油石比为4.44%。

2.2 试验方法

室内拌制沥青混合料，其中抗车辙剂A沥青混合料采用干法生产，A与加热到190℃的集料先干拌40 s，然后加入沥青湿拌90 s，再加入矿粉拌和90 s。按设计的试验方案进行强制通风烘箱加热老化，然后成型马歇尔试件，进行间接抗拉试验，测定试件的破坏抗拉强度、破坏应变破坏、劲度等。

表3 AC－20矿料级配组成Table 3 Aggregate gradation of AC-20

3 常规温度短期老化对沥青混合料影响

3.1 试验结果

普通沥青混合料、加0.3%抗车辙剂A沥青混合料在135℃强制通风烘箱中老化2 h、4 h后成型马歇尔试件，然后进行间接抗拉试验，其结果见表4、表 5。

表4 常规温度、不同短期老化时间沥青混合料的间接抗拉试验结果Table 4 Results of indirect tensile test of asphalt mixture in different aging times

表5 常规温度短期老化后间接抗拉试验结果对比Table 5 Comparison of indirect tensile test results of different asphalt mixtures before and after short-term aging

3.2 试验结果分析

1)从试验结果可以看出，在0，2，4 h烘箱加热老化时间作用下，沥青混合料的间接拉伸破坏强度增大，破坏应变减小，表明老化时间对沥青混合料的抗老化性能有影响，其老化程度随加热时间的增加而增大。

2)普通沥青混合料在135℃烘箱中加热老化2，4 h后的间接抗拉破坏强度相比没有加热老化的普通沥青混合料增大20.93%，34.94%，其破坏应变则分别减小 13.05%，23.08%。

3)掺抗车辙剂A沥青混合料在135℃烘箱中加热老化2，4 h后的间接抗拉破坏强度相比没有加热老化的普通沥青混合料增大2.25%，11.61%，其破坏应变则分别减小7.22%，14.09%。

4)从破坏抗拉强度增大和破坏应变减小的比例对比可以看出，在135℃烘箱中加热，普通沥青混合料相比掺抗车辙剂A沥青混合料的老化程度要严重。表明抗车辙剂A能够提高沥青混合料的抗老化性能。

4 高温对沥青混合料老化性能的影响

4.1 试验结果

对掺加0.3%抗车辙剂A的沥青混合料在155℃强制通风烘箱中老化2，4 h后成型马歇尔试件，然后进行间接抗拉试验，其结果见表6。

对没有烘箱加热老化、135℃及155℃强制通风烘箱老化2，4 h后的沥青混合料的间接抗拉强度和破坏应变进行比较，结果如表7。

表6 高温短期老化条件下掺抗车辙剂A沥青混合料间接抗拉试验结果Table 6 Results of indirect tensile test about A-type anti-rutting agent asphalt mixture after short-term aging in different aging times

表7 不同老化条件下掺抗车辙剂A沥青混合料间接抗拉试验结果Table 7 Results of indirect tensile test about A-type anti-rutting agent asphalt mixture in different aging conditions

4.2 试验结果分析

1)从图1沥青混合料间接破坏应变衰减变化趋势可以看出，虽然掺抗车辙剂A沥青混合料老化性能在135℃老化条件下相对155℃老化条件下的变化要小，但是155℃老化条件更接近实际生产条件，所以应采用提高温度(155℃)来评价其受温度影响的老化性能。

2)普通沥青混合料常规老化温度(135℃)老化性能的变化趋势与掺抗车辙剂A沥青混合料高温(155℃)老化性能的变化趋势基本吻合，这一点从图1和图2对应的曲线变化都能得到验证，说明了本试验设计通过提高温度来模拟高温生产对沥青混合料老化影响研究的合理性。

图1 老化后沥青混合料间接拉伸破坏应变与老化时间的关系Fig.1 Relation graph of failure strain by indirect tensile test about asphalt mixture aging

图2 老化后沥青混合料间接拉伸破坏强度与老化时间的关系Fig.2 Relation graph of failure strength by indirect tensile test about asphalt mixture aging

3)从表7可以看出，155℃高温老化模拟老化条件下，掺抗车辙剂A沥青混合料老化2，4 h后相比没有老化的破坏抗拉强度分别增大 27.21%，37.58%，破坏应变则降低 16.64%，26.04%。而135℃常规温度模拟老化条件下的普通沥青混合料老化2，4 h后对应的破坏抗拉强度分别增大20.93%，34.94%，应变降低 13.05%，23.08%。可以看出，高温条件下抗车辙剂A沥青混合料的老化程度稍微偏重，如果以普通沥青混合料老化性能受短期老化的变化幅度来评价，高温生产对掺加抗车辙剂A的沥青混合料的抗老化性能有所削弱。

5 结论

1)从135℃烘箱加热模拟老化后的沥青混合料的间接拉伸试验结果来看，抗车辙剂A的添加对沥青混合料的抗老化性能有所提高。

2)提高模拟老化温度前后的掺抗车辙剂A沥青混合料的破坏应变和破坏强度，与普通沥青混合料相应力学参数的变化趋势基本一致，说明本研究设计的155℃高温老化模拟高温生产对沥青混合料的老化性能的影响具有一定的合理性，155℃加热老化温度能够比较准确的反映实际生产过程的老化条件。

3)高温度生产掺抗车辙剂A沥青混合料对沥青混合料的抗老化性能有一定的影响，采用高温生产工艺中生产的改性沥青混合料，需要对混合料的抗老化性能进行评价。

［1］陈栓发，陈华鑫，郑木莲.沥青混合料设计与施工［M］.北京:化学工业出版社，2006.

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［5］JTG D 50—2006公路沥青混合料试验规程［S］.北京:人民交通出版社，2006.

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