新疆大陆干旱性气候区路用沥青老化机理及改善措施

吕 光

（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

G7 高速公路新疆东部天山北麓沿线经过伊吾、巴里坤，与处于运营状态的奇台至木垒高速公路起点相接，总长515 km。本工程沿线气候条件较为恶劣，以温带大陆性干旱气候区为主，常年干燥少雨，伴有较多的灾害性天气，严重影响到工程施工和公路的运营。

1 动态剪切流变试验

1.1 试验原理

黏弹性是反映材料质量的重要指标，此方面的试验检测可使用动态剪切流变仪，其具备模拟路面实况的能力，可在多种温度环境下分别施加剪切应力，从而测定各温度的应变情况。经过对沥青的性能试验后，可掌握抗车辙因子等相关数据，以此为依据评价路面高温性能。

1.2 具体试验方案及实际结果

本次试验温度条件包含46 ℃、52 ℃、58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃、82 ℃，试验对象包含原样沥青和老化沥青，从而分别求得各材料在不同温度下的车辙因子（表1）。依据规范，原样沥青和老化沥青各自对应的车辙因子控制标准有所差异，前者应＞1.1 kPa，后者应＞2.2 kPa。

表1 沥青车辙因子试验结果

1.3 试验结果分析

1.3.1 复合模量

结合老化前后沥青值变化曲线展开分析（图1），可以得知：①若温度限定在46～82 ℃，试验所用的4 种石油沥青在复合模量指标上的表现具有一致性，即温度的升高该指标随之下降，变化形态呈抛物线形；②若为基质沥青，其G*值（沥青动态剪切模量）将明显超过克拉玛依70#，若温度持续提升并达到17 ℃，此时该值表现出小幅度下降的变化趋势；③若为改性沥青，其G*值将高于橡胶沥青，同时在温度提升的情况下，该值依然可维持相对较高的水平，如温度80 ℃时为5 kPa；④从复合模量的对比结果来看，改性沥青在此方面将明显超过基质沥青，且在ROTOF 老化后，改性沥青的G*值表现出大幅度增加的变化趋势，此时（旋转薄膜烘箱试验）沥青软化的临界温度也随之后延。

图1 老化前后沥青值变化曲线

1.3.2 相位角

沥青在黏性和弹性条件下，可通过相位角反映其具备的变形特征，随着该值的增加，沥青的性质将逐步向黏性体发展，所具备的抗车辙能力随之削弱；反之，其性质则与弹性体具有较高的相似性。

基质沥青K70#对于温度更为敏感，因此其相位角变化较明显，但基质沥青K90#在老化后其并未出现相位角大幅变动的情况，在46～70 ℃，该值呈减小的变化趋势；橡胶沥青方面，可以将64 ℃作为时间节点，小于该温度时老化前后的相位角具有一致性，而SBS（苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段共聚物）改性沥青老化后则存在明显的相位角减小现象，此过程中沥青豁性减小。表明，SBS 改性剂将显著影响沥青的豁弹性能，伴随温度的提升，沥青性质逐步向黏性体发展，此时其抗剪能力较强。

1.3.3 车辙因子

高温稳定性有助于反映沥青的工程性能，常通过车辙因子做出评价[1-3]，该指标指的是损失剪切柔量J*的倒数，具体关系如下：

式（1）～（3）中，G*为沥青动态剪切模量，MPa；δ 为相位角，°；i 为刚度参数；J '、J "为蠕变耗能分量，MPa；J（t）为沥青材料的剪切柔量函数；ε（t）为动应变；δ0为动应力的模。G*/sinδ 值表现出随之减小的变化趋势，说明抵抗剪切力所做的功在高温条件下更大，由于所做功的增加，沥青路面的劲度随之下降，抗车辙效果欠佳。

结合相关试验数据得知：①在46～82 ℃时，温度的提高将带来车辙因子的下降，在此方面的变化趋势与复合模量变化具有一致性；②各材料的车辙因子有所不同，其中K90#将明显超过K70#，但在温度为52 ℃时该规律发生变化，两者的G*/sinδ均表现出大幅度下降的趋势，表明基质沥青的抗剪能力也有所削弱；③随着温度的逐步提高，当其达到70 ℃时，车辙因子经过逐步下降后已经达到规范的下限值，与之不同的是老化后的SBS 改性沥青，其具有的车辙因子则呈现出大幅度增加的变化趋势，意味着SBS 改性沥青在抵抗剪切力时所做的功相对较小，此时则具有路面劲度高、抗车辙能力强的特点。

2 沥青混合料的动态模量

沥青路用性能得以有效发挥的关键在于按照特定的配比拌制沥青混合料，再将其用于路面摊铺施工。对于路面结构验算，应重点考虑动态压缩模量指标，具体分析条件为20 ℃、10 Hz。

2.1 动态模量试验

动态模量可较为准确地反映沥青混合料的动态性能，具体应求得动态模量，该指标反映的是在特定波形或振幅时应力与应变的比值：

式（4）中，ε（t）为动应变；t 为荷载作用时间，s；δ0为动应力的模；ω 为应变速率，/s；δ 为相位角，°；ε 为最大水平应变；ε0为动应变的模；e 为内部阻尼，m/s；i 为刚度参数；θ 为相位角均值。

若试验条件较为良好，此时可根据现行规范中的相关公式快速求解，以便得到动态模量的具体值。但应注意，公式存在特定的适用范围，通常只用于常规级配的沥青混合料。

式（5）中，f 为试验频率，Hz；Pa 为石油比；V 为压实空隙率，%；VCADRC为捣实时粗集料的松装间隙率，%。

统一将试验频率取为10 Hz，此时若温度下降，各试验材料的动态模量随之表现出平缓变化的趋势，原因在于温度的提高将导致沥青出现软化现象，此时混合料内部结构不再具有完整性，同时外力作用较为明显，导致骨架稳定性下降，随之出现动态模量降低的情况。若以试验温度为定量（均为20 ℃），此时在频率增加的情况下，各材料的动态模量随之表现出增加的变化趋势。通过对动态模量公式的分析可知，由于加载频率在不断增加，此时ω 值加大，在特定的时间周期内加载所持续的时间缩短，应变ε0减小，此时若应力δ0维持稳定，最终则会出现动态模量E*增加的情况。

2.2 动态模量主曲线

以20 ℃的标准温度为前提条件，在时间—温度叠加原理的指导下经过拟合处理后生成具有平滑特性的曲线，此时则指的是动态模量的主曲线。经分析可知：在高温低频区时，具备的关系为K70#＜K90#＜橡胶沥青＜SBS 改性沥青；反之，若在低温高频区，此时则恰好呈相反的关系。由此得知，在高温条件的作用下，改性沥青混合料所具有的劲度随之增加，能够更为有效地抵抗变形，其工程性能表现更加良好。

3 结束语

（1）老化前，不同类型的沥青材料所具有的高温抗剪能力具有差异性，SBS 改性沥青高于橡胶沥青，K90#高于K70#，从复合模量的角度来看则具有改性沥青超过基质沥青的特点；而在老化后，各材料的抗车辙因子发生变化，其中以SBS 改性沥青最大。由此说明，由于受到了改性剂的作用，沥青的内部结构有所改变，此时沥青在超高温环境下的抗剪能力更强，在新疆地区高温施工环境中更具可行性。

（2）老化的方式有助于提高沥青的抗剪能力。其原因在于沥青结构的变化，此时以凝胶型为主，使沥青具有更“硬”的特性。

（3）从高温路用性能的角度来看，以SBS 改性沥青最佳，K70#基质沥青的效果最差。这说明改性沥青的适用性较强，可以被应用于新疆地区的路面施工中。

（4）经过试验与分析后得知，胶结料具有更为良好的高温抗剪能力，虽然受到了荷载作用，但其高温力学性能表现依然良好，可以被应用于路面工程中。