不同外掺剂对沥青混合料抗老化性能研究

孙 瑞

(湖南中大设计院有限公司，湖南 长沙 410075)

1 沥青混合料老化机理分析

1.1 沥青路面外界环境

道路沥青混合料路面外界环境十分复杂，影响其老化的主要因素包括外掺剂、太阳辐射、气温、风速和沥青混合料自身热传导性能。在对沥青混合料的老化性能进行分析时，并不是所有的因素都要考虑，要结合工程实际情况找出主导因素。比如沥青路面在夜间摊铺不存在太阳辐射，主要考虑路面与空气间的热交换；遇到大风天气，还应考虑风速对沥青温度热交换性能的影响[2]。

1.2 沥青混合料老化机理

(1)沥青热氧老化机理

沥青混合料的热氧老化反应过程分为停滞期、诱导期、加速期、迟滞期。

停滞期：从过氧化物吸收能量到诱发老化，中间的一段能量累积期。

诱导期：过氧化物吸收能量到化学反应发生需要反应活化能加入的时间。

加速期：在沥青混合料加入反应活化能后，链反应加速发生，沥青各组分含量及针入度、延度、软化点等性能指标出现明显变化，该过程为反应加速期。

迟滞期：沥青混合料反应持续一段时间后，自由基会结合生成一种阻止反应继续发生的化学物质，从而降低反应速度，沥青的各项指标也逐渐降低，该过程为反应迟滞期。

沥青混合料的热氧老化属于“自动催发老化”，具体反应过程如下：①链引发。沥青混合料分子结构中支链或双键产生游离基R·。②链增长。当能量累积到一定程度，游离基R·会和氧分子快速结合，形成新的游离基ROO·。③链歧化。随着反应不断进行，沥青混合料分子出现支化反应。④链终止。当游离基浓度达到饱和状态时，游离基会相互碰撞导致链终止。

(2)沥青光氧老化机理

沥青混合料的分子中含有大量化学键，比如C-H键、C-C键、C=C键等。当沥青混合料分子结构被破坏，沥青混合料性能会明显降低，此时沥青路面容易出现裂缝、侵蚀、剥落等病害。由相关研究成果可知，沥青混合料分子结构在光照条件下(受紫外线中的UV-A和UV-B辐射)更容易破坏，即沥青在光照条件下发生了光氧老化作用，老化速度更快。

紫外线对沥青混合料的影响厚度虽然只有0.1 mm数量级，但是老化的沥青分子会向内扩散，尤其是紫外线强度较大的地区和空隙率大的沥青混合料，光氧老化作用的影响深度可达沥青面层深度的20%。

2 沥青混合料原材料及配合比设计

2.1 工程概况

以某快速路主线沥青路面为研究对象，研究玄武岩纤维和聚合物类外掺剂对沥青混合料抗老化性能的影响。该道路所处地区为温带大陆性季风气候，年平均气温14.9 ℃，主线路面结构为4 cm细粒式SBS改性沥青混凝土(AC-16)+6 cm中粒式SBS改性沥青混凝土(AC-20C)+8 cm粗粒式沥青混凝土(AC-25C)+2×18 cm水稳碎石基层+18 cm低剂量水稳碎石底基层。结合马歇尔试验AC-16混合料开展配合比设计，确定沥青混合料级配组合如表1所示。

表1 AC-16混合料级配组合

2.2 原材料选择

(1)沥青

沥青用量对沥青混合料的使用性能影响程度大。当沥青用量较多，会降低骨料间的粘附性，甚至使颗粒处于悬浮状态，在行车荷载作用下更容易产生滑移，从而对路面抗滑能力产生不利影响；如果沥青用量较少，包裹矿料的沥青膜变薄，在外荷载作用下路面容易出现松散、剥落等现象。本试验采用的某沥青科技公司生产的SBS改性沥青，相关性能指标均满足《道路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)。

(2)集料

沥青路面在运营期间，会受到车辆荷载的反复作用，路表石料磨损，形态变得更加光滑，降低了路面的抗滑性能，对行车安全产生不利影响，故沥青路面在开展配合比设计之前，一般是选择磨光值大、磨耗值小的石料。本试验采用当地生产的石灰岩，表观相对密度为2.73 t/m3，毛体积相对密度为2.68 t/m3。

(3)外掺剂

随着交通量逐年增长，为了避免路面病害的出现，对沥青混合料性能要求更加严格。目前，改善路面使用性能的常见做法是在沥青混合料中加入外掺剂，但不同类型的外掺剂的改性机理不同，对路面性能的提升效果也有较大差异。本试验选择的外掺剂是玄武岩纤维BFRP、高模量剂、抗车辙剂、高黏改性剂。

2.3 外掺剂改良原理

玄武岩纤维是环境友好、性能高效的材料，隔热、耐腐蚀效果好，能适应各种极端施工环境，对沥青路面有阻裂作用、增粘作用、应力缓冲作用等。

阻裂作用：玄武岩纤维抗拉强度大，能改善路面受力特性，并且纤维在沥青混合料中交错分布形成的三维网状结构会对沥青路面中的裂纹发展起到约束作用，防止路面开裂。玄武岩纤维的阻裂作用可用应力强度因子Kf表示如下[4]

式中：P为裂纹顶端集中力，kN；b为玄武岩纤维至裂缝顶端矢量距离，cm；a为裂纹宽度，cm。

增粘作用：玄武岩纤维添加进沥青材料能增强各集料间黏附作用，提高集料粘结力，直接影响沥青混合料的水稳定性。

应力缓冲作用：玄武岩纤维直径小，与沥青材料接触表面积大，使得纤维表面与沥青之间形成“界面层”。该界面层能对车辆荷载传递起到一定的缓冲作用，且随着路面深度的增加，界面层的应力消减作用越明显。同时，玄武岩纤维会增加沥青膜厚度，减小混合料中的空隙大小、数量，使得沥青路面更紧密，路面使用性能更好。

2.4 配合比验证

在开展玄武岩纤维和聚合物类外掺剂对沥青混合料抗老化性能的影响试验之前，需利用谢伦堡析漏试验与肯塔堡飞散试验AC-16混合料的沥青用量是否符合设计要求，试验结果如表2所示。

表2 不同外掺剂下混合料析漏、飞散试验结果

3 外掺剂对不同老化阶段沥青混合料高温性能、抗裂性能的影响

3.1 室内模拟沥青混合料老化试验

沥青老化模拟方法有自然老化法和模拟老化法两类，其中自然老化法是模拟沥青路面在自然环境下性能老化实际规律，但是老化时间周期太长，难以开展平行对照试验，难以研究各种变量对沥青混合料性能的影响，因此，目前普遍采用的是模拟老化法。

根据《道路工程沥青及沥青混合料试验规程》，模拟沥青混合料短期老化采用烘箱加热法，长期老化可用延时烘箱加热法，试验精度可满足工程需求，具体操作方法为[5]：(1)短期老化，将拌和后的沥青混合料均匀松铺在托盘上，摊铺不宜过密，将托盘放进温度为135±1 ℃的烘箱内，连续加热4 h(每隔1 h翻拌均匀)，成型后开展相关试验。(2)长期老化，将短期老化成型的沥青混合料试件冷却后放入85±3 ℃的烘箱，连续加热5 d、10 d、15 d，成型后开展相关试验来模拟沥青路面的长期运营后性能变化。

3.2 试验方案设计

(1)高温性能试验方案

相关研究表明，相对于车辙试验，沥青混合料的抗剪贯入强度和动稳定度相关性更好，因此，选择单轴贯入试验来评价沥青混合料高温性能。试验采用的沥青混合料试件直径为150 mm、试件标准高度为100 mm、压头直径为42 mm。试验前需将试件放入60 ℃环境下保温，再把压头放在试件中心处以1 mm/min的速率加载，直到贯入力出现峰值。沥青试件的贯入强度Rτ计算可按下式

fτ=0.002 3h+0.12

式中：P为贯入力峰值，N；A为压头截面面积，cm；fτ为剪应力系数，无量纲；h为试件标准高度，cm。

(2)抗裂性能试验方案

选择IDEAL-CT劈裂试验来研究沥青混合料的抗裂性能，以CTindex为抗裂指标来评价沥青混合料的抗裂性能。试验采用的沥青混合料试件直径为100 mm、试件标准高度为62 mm、孔隙率为6%±0.5%，每组试验取4个平行试件。试验温度取25 ℃，加载速率取50 mm/min，当加载力减至0.1 kN时，结束试验CTindex计算公式如下[6]

式中：h为试件高度，cm；Gf为断裂能，N/m；m75为峰值力处斜率，%；l75为峰值力处变形，cm；D为试件直径，cm。

3.3 外掺剂对各老化阶段沥青混合料高温性能的影响

按上述要求，制备了若干个AC-16混合料贯入试件，得到了不同老化阶段，不同外掺剂下沥青混合料的贯入强度及变化率如见图2。

图2 不同老化阶段沥青混合料贯入强度

试验结果表明：整个老化过程中，所有沥青混合料试件的贯入强度均呈“U”形变化，即先下降后上升的趋势，从新拌混合料到长期老化5 d，各试件贯入强度持续下降。从长期老化5 d到15 d，所有试件贯入强度出现一定程度的提高，主要原因在于：(1)在沥青混合料的初始老化阶段，其中的SBS改性剂降解，沥青变软，贯入强度下降。(2)随着沥青混合料不断老化，SBS改性剂降解速率变缓直至消失，沥青逐渐硬化，使得贯入强度增加。AC-16在不同老化阶段的贯入强度及变化率如表3所示。

同时，从新拌混合料到长期老化5 d，玄武岩纤维沥青贯入强度下降速率仅为4%、3%。长期老化5 d到15 d，玄武岩纤维沥青贯入强度下降速率可达10%、9%，其贯入强度下降速率明显低于其它外掺剂，贯入强度提升幅度也最高，说明玄武岩纤维改善AC-16沥青试件的长期高温性能效果最好。

表3 AC-16在不同老化阶段的贯入强度及变化率

3.4 外掺剂对各老化阶段沥青混合料抗裂性能的影响

不同老化阶段，不同外掺剂下沥青混合料的CTindex见图3。

图3 不同老化阶段沥青混合料抗裂指标

由试验结果可知：随着沥青混合料的不断老化，试件的抗裂指标不断下降，但下降速率总体逐渐变缓。在老化时间相同的条件下，玄武岩纤维沥青的抗裂指标下降速率分别为4.8%、6.1%、3.9%、2.6%。CTindex要大于高模量剂、抗车辙剂、高黏改性剂。这说明玄武岩纤维材料能与沥青协同受力，提升了混合料裂缝延伸所需的能量，降低了混合料开裂进程。

4 结 语

为了响应国家节能环保要求，减小资源消耗，主要探讨了沥青老化机理、外掺剂改良机理及外掺剂对各老化阶段沥青混合料高温性能、抗裂性能的影响规律，主要得到以下结论。(1)沥青混合料老化机理分为热氧老化和光氧老化，主要影响因素为外掺剂、太阳辐射、气温等。(2)沥青混合料普遍采用模拟老化法，其中短期老化可用烘箱加热法，长期老化可用延时烘箱加热法。(3)整个老化过程中，沥青混合料试件的贯入强度均呈先下降后上升的趋势，抗裂指标CTindex不断下降，且玄武岩纤维对AC-16沥青混合料的高温性能和抗裂性能改善效果最好。