加熱溫度和時(shí)間對(duì)瀝青混合料老化的影響

何兆益，歐祖敏，劉 楠，陳宏斌

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074;2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇南京210018;3.甘肅省交通廳工程處，甘肅蘭州730030)

瀝青路面在使用期間承受交通、氣候等環(huán)境因素的綜合作用，瀝青混合料的使用性能保持穩(wěn)定或發(fā)生較小變化的能力，稱為瀝青混合料的抗老化性能［1－2］。瀝青混合料的老化會(huì)影響瀝青路面的使用質(zhì)量，降低混合料的路用性能，甚至縮短瀝青路面的使用壽命。

瀝青混合料的老化主要指混合料中的瀝青材料在拌和、攤鋪、碾壓過程中短期老化及瀝青路面使用過程中的長(zhǎng)期老化。為了模擬瀝青老化，常用的老化方法有:TFOT(薄膜烘箱)、RTFOT(旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱)、RMFO(旋轉(zhuǎn)微薄膜烘箱)、延遲 RTFOT、TODT(傾斜烘箱耐久性試驗(yàn))、PAV(壓力老化)、POV(氧氣老化)和紫外線老化等。SHRP根據(jù)以往瀝青混合料短期老化方法(STOA)的研究試驗(yàn)結(jié)果，提出將松散的瀝青混合料放在135℃強(qiáng)制通風(fēng)烘箱加熱4 h的老化大體相當(dāng)于瀝青混合料拌和以后直至壓實(shí)成型到冷卻、開放交通的過程，并用短期老化前后的瀝青混合料性能的對(duì)比來評(píng)價(jià)瀝青混合料的短期抗老化性能。SHRP、國(guó)家“八五”科技攻關(guān)專題［2］、王哲［3］、郝培文［4］等分別利用烘箱短期模擬老化過程，通過力學(xué)性能試驗(yàn)與路面實(shí)際老化過程的相關(guān)性進(jìn)行了研究，表明烘箱模擬短期老化的有效性。但是，這些方法基本上集中于模擬瀝青混合料在常規(guī)生產(chǎn)溫度下的抗老化評(píng)價(jià)。

目前摻加抗車轍劑、纖維等瀝青混合料的生產(chǎn)溫度相比普通瀝青混合料都有較大的提高，而高溫生產(chǎn)對(duì)瀝青混合料的老化是顯而易見的，因此，非常有必要對(duì)高溫生產(chǎn)條件下的瀝青混合料的老化進(jìn)行研究，以評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗高溫老化性能。筆者結(jié)合摻加抗車轍劑A的瀝青混合料生產(chǎn)過程，探索高溫對(duì)瀝青混合料抗老化性能影響。

1 模擬老化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

瀝青混合料添加抗車轍劑A后，其黏度有所增大，為保證壓實(shí)效果，其生產(chǎn)溫度需要提高到175～185℃之間。筆者采用抗車轍劑A瀝青混合料來研究高溫生產(chǎn)條件對(duì)瀝青混合料抗老化性能的影響。

由于普通的瀝青混合料出料溫度一般都控制在155～160℃左右，瀝青混合料拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓直到開放交通的過程中是一個(gè)溫度降低的過程，這個(gè)過程的長(zhǎng)短隨著工藝、機(jī)械、運(yùn)距、操作水平等因素的影響而不同。已有的研究表明，采用135℃強(qiáng)制通風(fēng)烘箱加熱4 h與這個(gè)過程相當(dāng)。而抗車轍劑A瀝青混合料的生產(chǎn)溫度相應(yīng)普通瀝青混合料要高20℃左右，采用同樣的溫度顯然不符合實(shí)際生產(chǎn)條件，所以，筆者按表1設(shè)計(jì)方案模擬高溫對(duì)瀝青混合料老化的影響。

表1 瀝青混合料短期老化模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案Table 1 Design plan of short-term aging simulation test about asphalt mixture

表2 SK－70基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indexes of SK-70 bitumen

2 原材料技術(shù)指標(biāo)及試驗(yàn)方法

2.1 原材料技術(shù)指標(biāo)

瀝青采用為韓國(guó)SK－70，按JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn)，其主要技術(shù)指標(biāo)見表2?？管囖H劑A外觀為松散黑色顆粒，無黏附聚集現(xiàn)象，大小約為3～5 mm，在常溫下保存。集料均為石灰?guī)r，其技術(shù)指標(biāo)經(jīng)檢測(cè)均滿足JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求。

采用表3所示AC－20級(jí)配，普通瀝青混合料最佳油石比為4.29%，抗車轍劑A摻量為混合料質(zhì)量比的0.3%，確定其最佳油石比為4.44%。

2.2 試驗(yàn)方法

室內(nèi)拌制瀝青混合料，其中抗車轍劑A瀝青混合料采用干法生產(chǎn)，A與加熱到190℃的集料先干拌40 s，然后加入瀝青濕拌90 s，再加入礦粉拌和90 s。按設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)烘箱加熱老化，然后成型馬歇爾試件，進(jìn)行間接抗拉試驗(yàn)，測(cè)定試件的破壞抗拉強(qiáng)度、破壞應(yīng)變破壞、勁度等。

表3 AC－20礦料級(jí)配組成Table 3 Aggregate gradation of AC-20

3 常規(guī)溫度短期老化對(duì)瀝青混合料影響

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

普通瀝青混合料、加0.3%抗車轍劑A瀝青混合料在135℃強(qiáng)制通風(fēng)烘箱中老化2 h、4 h后成型馬歇爾試件，然后進(jìn)行間接抗拉試驗(yàn)，其結(jié)果見表4、表 5。

表4 常規(guī)溫度、不同短期老化時(shí)間瀝青混合料的間接抗拉試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of indirect tensile test of asphalt mixture in different aging times

表5 常規(guī)溫度短期老化后間接抗拉試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 5 Comparison of indirect tensile test results of different asphalt mixtures before and after short-term aging

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在0，2，4 h烘箱加熱老化時(shí)間作用下，瀝青混合料的間接拉伸破壞強(qiáng)度增大，破壞應(yīng)變減小，表明老化時(shí)間對(duì)瀝青混合料的抗老化性能有影響，其老化程度隨加熱時(shí)間的增加而增大。

2)普通瀝青混合料在135℃烘箱中加熱老化2，4 h后的間接抗拉破壞強(qiáng)度相比沒有加熱老化的普通瀝青混合料增大20.93%，34.94%，其破壞應(yīng)變則分別減小 13.05%，23.08%。

3)摻抗車轍劑A瀝青混合料在135℃烘箱中加熱老化2，4 h后的間接抗拉破壞強(qiáng)度相比沒有加熱老化的普通瀝青混合料增大2.25%，11.61%，其破壞應(yīng)變則分別減小7.22%，14.09%。

4)從破壞抗拉強(qiáng)度增大和破壞應(yīng)變減小的比例對(duì)比可以看出，在135℃烘箱中加熱，普通瀝青混合料相比摻抗車轍劑A瀝青混合料的老化程度要嚴(yán)重。表明抗車轍劑A能夠提高瀝青混合料的抗老化性能。

4 高溫對(duì)瀝青混合料老化性能的影響

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)摻加0.3%抗車轍劑A的瀝青混合料在155℃強(qiáng)制通風(fēng)烘箱中老化2，4 h后成型馬歇爾試件，然后進(jìn)行間接抗拉試驗(yàn)，其結(jié)果見表6。

對(duì)沒有烘箱加熱老化、135℃及155℃強(qiáng)制通風(fēng)烘箱老化2，4 h后的瀝青混合料的間接抗拉強(qiáng)度和破壞應(yīng)變進(jìn)行比較，結(jié)果如表7。

表6 高溫短期老化條件下?lián)娇管囖H劑A瀝青混合料間接抗拉試驗(yàn)結(jié)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 不同老化條件下?lián)娇管囖H劑A瀝青混合料間接抗拉試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Results of indirect tensile test about A-type anti-rutting agent asphalt mixture in different aging conditions

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)從圖1瀝青混合料間接破壞應(yīng)變衰減變化趨勢(shì)可以看出，雖然摻抗車轍劑A瀝青混合料老化性能在135℃老化條件下相對(duì)155℃老化條件下的變化要小，但是155℃老化條件更接近實(shí)際生產(chǎn)條件，所以應(yīng)采用提高溫度(155℃)來評(píng)價(jià)其受溫度影響的老化性能。

2)普通瀝青混合料常規(guī)老化溫度(135℃)老化性能的變化趨勢(shì)與摻抗車轍劑A瀝青混合料高溫(155℃)老化性能的變化趨勢(shì)基本吻合，這一點(diǎn)從圖1和圖2對(duì)應(yīng)的曲線變化都能得到驗(yàn)證，說明了本試驗(yàn)設(shè)計(jì)通過提高溫度來模擬高溫生產(chǎn)對(duì)瀝青混合料老化影響研究的合理性。

圖1 老化后瀝青混合料間接拉伸破壞應(yīng)變與老化時(shí)間的關(guān)系Fig.1 Relation graph of failure strain by indirect tensile test about asphalt mixture aging

圖2 老化后瀝青混合料間接拉伸破壞強(qiáng)度與老化時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Relation graph of failure strength by indirect tensile test about asphalt mixture aging

3)從表7可以看出，155℃高溫老化模擬老化條件下，摻抗車轍劑A瀝青混合料老化2，4 h后相比沒有老化的破壞抗拉強(qiáng)度分別增大 27.21%，37.58%，破壞應(yīng)變則降低 16.64%，26.04%。而135℃常規(guī)溫度模擬老化條件下的普通瀝青混合料老化2，4 h后對(duì)應(yīng)的破壞抗拉強(qiáng)度分別增大20.93%，34.94%，應(yīng)變降低 13.05%，23.08%。可以看出，高溫條件下抗車轍劑A瀝青混合料的老化程度稍微偏重，如果以普通瀝青混合料老化性能受短期老化的變化幅度來評(píng)價(jià)，高溫生產(chǎn)對(duì)摻加抗車轍劑A的瀝青混合料的抗老化性能有所削弱。

5 結(jié)論

1)從135℃烘箱加熱模擬老化后的瀝青混合料的間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果來看，抗車轍劑A的添加對(duì)瀝青混合料的抗老化性能有所提高。

2)提高模擬老化溫度前后的摻抗車轍劑A瀝青混合料的破壞應(yīng)變和破壞強(qiáng)度，與普通瀝青混合料相應(yīng)力學(xué)參數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致，說明本研究設(shè)計(jì)的155℃高溫老化模擬高溫生產(chǎn)對(duì)瀝青混合料的老化性能的影響具有一定的合理性，155℃加熱老化溫度能夠比較準(zhǔn)確的反映實(shí)際生產(chǎn)過程的老化條件。

3)高溫度生產(chǎn)摻抗車轍劑A瀝青混合料對(duì)瀝青混合料的抗老化性能有一定的影響，采用高溫生產(chǎn)工藝中生產(chǎn)的改性瀝青混合料，需要對(duì)混合料的抗老化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

［1］陳栓發(fā)，陳華鑫，鄭木蓮.瀝青混合料設(shè)計(jì)與施工［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［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］王哲.高等級(jí)公路瀝青混合料抗老化性能評(píng)價(jià)方法的探討［J］.公路，1997(2):34 －44.Wang Zhe.Research on anti-aging performance evaluation methods of highway asphalt mixture［J］.Highway，1997(2):34 －44.

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［9］何兆益，汪凡.基于Johnson-Cook黏塑性模型的瀝青路面車轍計(jì)算［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，29(1):49－53.He Zhaoyi，Wang Fan.Rutting calculation of asphalt pavement based on the Johson-Cook viscoplastic model［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2010，29(1):49－53.