瀝青老化臨界狀態(tài)與極限狀態(tài)的確定

張海濤， 何佳軒

（東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）

自20世紀(jì)60年代以來，道路瀝青的老化研究受到國內(nèi)外道路界的普遍關(guān)注，并針對瀝青的短期老化、長期老化以及性能改善進(jìn)行了相關(guān)研究，國內(nèi)對瀝青老化性能評價僅僅是用5h（163℃）的薄膜加熱試驗，只能反映瀝青拌和鋪筑時的瀝青路面條件，對于瀝青長期使用過程中性能指標(biāo)隨著老化的變化規(guī)律沒有系統(tǒng)的研究，因此，通過對不同時間老化瀝青性能指標(biāo)的測試，研究瀝青在長期使用過程中的老化規(guī)律具有重要意義。

1 研究現(xiàn)狀及意義

美國SHRP評價瀝青結(jié)合料的老化性能，主要是確定一個模擬實(shí)踐狀態(tài)的老化條件，采用不同老化程度的瀝青結(jié)合料進(jìn)行試驗，例如RTFOT，PAV，DSR，BBR，DDT等，瀝青結(jié)合料的老化是通過老化以后的各種路用性能（抗永久變形、疲勞開裂、低溫開裂）來評價的，美國SHRP的瀝青結(jié)合料老化評價方法顯然比傳統(tǒng)的老化評價方法更具合理性，它不但可以反映瀝青拌和、運(yùn)輸和攤鋪過程的短期老化，而且能夠模擬瀝青使用過程中的長期老化［1］。

國內(nèi)瀝青老化是通過薄膜加熱試驗（5h，163℃或75min，163℃）前后瀝青結(jié)合料性質(zhì)的變化程度來評價的，包括質(zhì)量變化、殘留針入度及延度等，這只能反映施工過程中的熱老化，即短期老化，不能模擬瀝青路面長期老化。

本項目研究不同時間的瀝青老化，分別對瀝青在相同條件下（普通烘箱165℃通風(fēng)條件）進(jìn)行5，12，24，48，72，120h不等的老化試驗，得到不同時間的老化瀝青，測試其相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，通過分析進(jìn)行瀝青老化等級劃分及臨界狀態(tài)與極限狀態(tài)確定，從而得到瀝青長期老化性能變化規(guī)律，研究成果具有一定的理論與實(shí)踐價值［2］。

2 瀝青老化試驗及性能變化規(guī)律

2.1 實(shí)驗室瀝青老化試驗

2.1.1 瀝青老化試驗 采用普通烘箱進(jìn)行165℃盤錦AH－90瀝青老化試驗，在通風(fēng)狀態(tài)下分別老化5，12，24，48，72，120h以模擬不同瀝青老化狀態(tài)，參照公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程（JTJ 052—2000）測定瀝青在不同老化時間下的性能指標(biāo)（針入度、延度、粘度、軟化點(diǎn)），然后制作不同老化時間瀝青的混合料，進(jìn)行混合料路用性能的測定［3－5］（馬歇爾穩(wěn)定度試驗、車轍試驗及劈裂試驗）。

不同時間瀝青老化試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同時間瀝青老化試驗結(jié)果Table 1 The testing results of asphalt aging in different time

2.1.2 數(shù)據(jù)分析

（1）隨著老化時間的增加，瀝青的宏觀性能指標(biāo)針入度和延度越來越小，軟化點(diǎn)和粘度越來越大，瀝青針入度隨溫度的變化而變化的幅度越來越小，瀝青的溫度敏感性越來越低，從瀝青的技術(shù)性質(zhì)分析瀝青的粘滯性增加，抵抗剪切變形的能力增加，流動性降低、施工和易性下降，塑性降低，低溫抗裂能力降低，對沖擊荷載的吸收能力下降，由粘附性等級的變化看出，瀝青的短期老化對其粘附性影響很小。

（2）隨著瀝青老化的加劇，瀝青組分逐漸地轉(zhuǎn)化或揮發(fā)，小分子質(zhì)量組分逐漸向大分子質(zhì)量組分轉(zhuǎn)化，對瀝青的路用性能產(chǎn)生了很大的影響，一方面在高溫氧氣的條件下，油質(zhì)逐漸揮發(fā)和轉(zhuǎn)化瀝青的稠度、粘度、軟化點(diǎn)越來越高，柔韌性和抗裂性降低，同時流動性的降低給施工造成了不便，樹脂在熱氧化后也逐漸被氧化為瀝青質(zhì)，從而降低瀝青對石料的表面親和作用，膠結(jié)力降低；另一方面瀝青質(zhì)的含量逐漸增加，粘滯度、溫度穩(wěn)定性及硬度增加，在高溫條件下瀝青分子中大分子間的作用力較大，移動阻力增加，運(yùn)動速度較慢，具有一定的骨架支撐作用，因而能有效地抵抗外力的作用，表現(xiàn)出很好的高溫穩(wěn)定性能，但是由于大分子質(zhì)量組分含量的增加會使其內(nèi)聚力過大，材料剛性增加，延伸性能變差，低溫抗裂性能變得不好。

2.2 瀝青老化性能變化規(guī)律

為了研究不同時間瀝青老化的規(guī)律，利用瀝青老化指數(shù)C、老化瀝青殘留針入度比及殘留延度比等指標(biāo)來表征不同時間老化瀝青性能變化情況［6－8］，不同時間瀝青老化指數(shù)、殘留針入度比及殘留延度比如表2所示，不同時間瀝青老化各項指標(biāo)變化情況如圖1所示。

表2 不同時間瀝青老化指數(shù)、殘留針入度比及殘留延度比計算結(jié)果Table 2 The calculating results of the aging index，ratio of the remaining penetration and ductility of asphalt aging in different time

續(xù)表2

Fig.1 The curve of performance index of aging asphalt in different time圖1 不同時間老化瀝青各項指標(biāo)變化

由圖1可以看出，在瀝青老化的初期，瀝青針入度和延度出現(xiàn)了大幅的下降，瀝青的粘度也出現(xiàn)很大的變化，說明老化已經(jīng)對瀝青性能產(chǎn)生明顯影響，隨著老化時間的增加，瀝青老化指數(shù)、粘度、針入度指數(shù)及軟化點(diǎn)逐漸增加，殘留針入度比及殘留延度比逐漸下降，但幾個指標(biāo)隨著老化時間的增加在100h左右趨向一個穩(wěn)定值，也就是說瀝青老化基本不再進(jìn)行。

進(jìn)一步分析可以得出，針入度等指標(biāo)變化明顯的階段在0～20h，可以考慮將此階段劃分為瀝青老化兩個等級，即0～5h為一級老化，5～20h為二級老化，在20h的殘留針入度比下降近50%，此時瀝青性能受到明顯影響，所以可以確定20h為瀝青老化的臨界狀態(tài)；在20～100h時間范圍內(nèi)，瀝青性能變化較慢，但持續(xù)時間較長，將此階段劃分為瀝青老化兩個等級，即20～70h為三級老化，70～100h為四級老化，老化時間達(dá)到100h后，瀝青性能各項指標(biāo)基本不再變化，說明瀝青老化不再進(jìn)行，所以可以確定100h為瀝青老化的極限狀態(tài)。

隨著老化時間的增加（0～120h），瀝青的老化指數(shù)與時間有較好的回歸關(guān)系，老化指數(shù)可以全面評價瀝青整個老化過程，老化指數(shù)與老化時間的關(guān)系為：

計算結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，瀝青老化5h的老化指數(shù)為0.005，說明影響瀝青性能很小，時間為20h的老化指數(shù)增加到0.050，殘留針入度比下降50%，說明瀝青性能已經(jīng)受到明顯影響，因此，瀝青老化臨界狀態(tài)確定為20h是合理的；時間為100h的老化指數(shù)增加到0.150，從70h的老化指數(shù)0.130到100h的老化指數(shù)0.150，說明老化指數(shù)基本穩(wěn)定不再增加，殘留針入度比小于20%，因此，瀝青老化極限狀態(tài)確定為100h是合理的，瀝青老化分級及臨界狀態(tài)與極限狀態(tài)結(jié)果及相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表4及表5所示。

表3 老化指數(shù)與老化時間的計算結(jié)果Table 3 The calculating results between aging index and aging time

表4 基于路用性能的瀝青老化分級Table 4 The grades of asphalt aging based on road performance

表5 基于路用性能的瀝青老化臨界狀態(tài)與極限狀態(tài)Table 5 The critical state and limit state of asphalt aging based on road performance

3 不同時間老化瀝青混合料性能

3.1 老化瀝青混合料配合比設(shè)計

瀝青混合料采用密集配AC－16混合料，選用不同時間的老化瀝青制作瀝青混合料，具體有：原樣瀝青（盤錦AH－90）和5，12，24，48，72h老化瀝青，采用當(dāng)?shù)丶霞耙?guī)范配合比設(shè)計瀝青混合料，通過馬歇爾試驗確定最佳瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.6%，不同時間老化瀝青采用同樣的最佳瀝青用量。

3.2 不同時間老化瀝青混合料性能分析

制作不同老化時間的馬歇爾試件和車轍試件，在制作過程中發(fā)現(xiàn)老化瀝青和易性沒有原樣瀝青好，原因是瀝青老化后135℃粘度增加，流動性降低，進(jìn)行瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度試驗、車轍試驗及低溫劈裂試驗，得到不同時間老化瀝青混合料路用性能隨瀝青老化時間、135℃粘度、25℃針入度變化規(guī)律，各項指標(biāo)變化關(guān)系如圖2所示。

Fig.2 The curve of performance index of aging asphalt mix in different time圖2 不同時間老化瀝青混合料性能指標(biāo)變化

瀝青混合料高溫穩(wěn)定性采用60℃車轍試驗評價，比較瀝青在不同老化時間下對混合料高溫穩(wěn)定性的影響，馬歇爾穩(wěn)定度試驗溫度是60℃；瀝青混合料低溫抗裂性能采用劈裂強(qiáng)度評價，反映瀝青老化時間對劈裂強(qiáng)度的影響規(guī)律。

可以看出，隨著瀝青老化程度的增加，瀝青性能的變化對瀝青混合料路用性能有很大的影響，抗車轍能力及抗剪切變形能力增加，馬歇爾穩(wěn)定度增加且出現(xiàn)最大值，但是，隨著老化時間的增加，瀝青的溫度敏感性降低，塑性降低，混合料的低溫抗裂性能逐漸下降。

4 結(jié)束語

（1）根據(jù)不同老化時間瀝青性能的變化規(guī)律，建立了老化指數(shù)與老化時間相關(guān)關(guān)系，提出以老化指數(shù)及殘留針入度比為主的瀝青老化分級概念，將瀝青老化分為5個等級（如表4所示），為瀝青混合料拌和施工及瀝青路面再生利用提供了理論依據(jù)；

（2）在瀝青老化分級基礎(chǔ)上，確定了瀝青老化臨界狀態(tài)與極限狀態(tài)（如表5所示），為進(jìn)一步研究瀝青老化再生提供技術(shù)參考；

（3）針對具體的瀝青老化等級及狀態(tài)，提出了相關(guān)技術(shù)參數(shù)（如表4及表5所示），為相關(guān)規(guī)范提供技術(shù)數(shù)據(jù)參考；

（4）通過不同時間老化瀝青混合料性能試驗，瀝青老化分級及瀝青老化臨界狀態(tài)與極限狀態(tài)的合理性得到了進(jìn)一步論證。

瀝青老化分級及瀝青老化臨界狀態(tài)與極限狀態(tài)的確定是在普通烘箱165℃條件下進(jìn)行的，建議采用幾個不同瀝青老化溫度及組合進(jìn)一步作對比研究，使瀝青老化分級及狀態(tài)更具合理性。

［1］ 交通部.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程（JTG E20－2011）［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［2］ 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［3］ 交通部.公路工程集料試驗規(guī)程（JTJ E42—2005）［S］.北京：人民交通出版社，2005.

［4］ 交通部.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范（JTJ F40—2004）［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［5］ 王沖，徐世法，季節(jié)，等.再生SBS改性瀝青混合料再度老化性能的研究［J］.北京建筑工程學(xué)院學(xué)報，2006，22（3）：20－23.

［6］ 劉軍.遼河AH－90瀝青老化組分變化研究［J］.沈陽建筑工程學(xué)院學(xué)報，2004，20（2）：127.

［7］ 季節(jié).再生瀝青及其混合料路用性能的評價技術(shù)［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，2007.

［8］ 季節(jié)，孫立軍，徐世法.瀝青兩次老化規(guī)律的對比分析［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2009，37（5）：623－626.