分析老化溫度、時(shí)間對(duì)SBS改性瀝青混合料路用性能及評(píng)價(jià)的影響

張宏武

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

瀝青路面在使用過(guò)程中受到溫度、空氣、水分等自然因素和交通荷載等社會(huì)因素的共同作用，瀝青混合料逐漸老化，導(dǎo)致瀝青路面路用性能和壽命逐步降低和衰減，為此，研究老化后瀝青混合料的性能對(duì)瀝青路面的使用具有重要指導(dǎo)意義?，F(xiàn)行規(guī)范公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程（JTG E20—2011）采用135℃強(qiáng)制通風(fēng)烘箱加熱4 h模擬瀝青混合料短期老化過(guò)程，實(shí)際上SBS改性瀝青混合料的生產(chǎn)施工溫度一般比基質(zhì)瀝青混合料的溫度高20℃～30℃（且改性瀝青混合料可以在保溫性能良好的成品儲(chǔ)料倉(cāng)儲(chǔ)存24 h），對(duì)SBS改性瀝青老化也采用普通瀝青的老化試驗(yàn)條件不符合實(shí)際生產(chǎn)條件。因此，本研究采用135℃、150℃、165℃溫度和老化4 h、8 h、12 h的條件，分析老化溫度、老化時(shí)間對(duì)3種級(jí)配類型SBS改性瀝青混合料（AC-13、AC-16、AC-20）的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性路用性能的影響，研究SBS改性瀝青混合料路用性能的老化規(guī)律，分析適宜SBS改性瀝青混合料的短期老化試驗(yàn)條件及其評(píng)價(jià)方法。

1 混合料配合比

SBS改性瀝青（SBS摻量4.5%）滿足1-D技術(shù)要求，集料為石灰?guī)r加工，填料為石灰?guī)r磨細(xì)礦粉。瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見表1和表2所示。

表1 SBS改性瀝青混合料礦料級(jí)配 %

表2 混合料配合比馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 瀝青混合料短期老化試驗(yàn)條件

將SBS改性瀝青混合料老化試驗(yàn)溫度定為135℃、150℃和165℃，老化時(shí)間確定為0 h、4 h、8 h、12 h。試驗(yàn)步驟：將拌好的SBS改性瀝青混合料均勻攤鋪在搪瓷盤中，松鋪厚度約21～22 kg/m2，放入規(guī)定溫度的烘箱中在強(qiáng)制通風(fēng)條件下加熱，每小時(shí)翻拌混合料一次，加熱到設(shè)定的老化時(shí)間后，從烘箱中取出混合料成型試件進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，具體參考《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTJ E20—2011）。

3 瀝青混合料抗老化性能

3.1 高溫性能

依據(jù)選定的老化試驗(yàn)條件對(duì)混合料進(jìn)行老化后的SBS改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果分析見圖1和表3。

圖1 SBS改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度與老化時(shí)間的關(guān)系

表3 SBS改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度（次/mm）與老化時(shí)間（h）的關(guān)系

由試驗(yàn)結(jié)果及圖1和表3可以看出：

a）改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨著老化程度的加劇不斷提高。在定溫下，動(dòng)穩(wěn)定度基本隨老化時(shí)間呈線型增長(zhǎng)。

b）當(dāng)老化溫度為135℃時(shí)，AC-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度增長(zhǎng)率明顯小于AC-16和AC-20瀝青混合料，AC-16和AC-20混合料的動(dòng)穩(wěn)定度增長(zhǎng)趨勢(shì)比較接近；當(dāng)老化溫度提高至150℃～165℃時(shí)，3種級(jí)配瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的增長(zhǎng)曲線大致（擬合斜率基本一致）平行，說(shuō)明該老化溫度下隨著老化時(shí)間的增長(zhǎng)不同級(jí)配混合料的老化程度比較接近，即進(jìn)行室內(nèi)老化模擬試驗(yàn)時(shí)150℃～165℃的老化溫度相比135℃更適合SBS改性瀝青。

c）SBS改性瀝青混合料要達(dá)到相同的老化程度，可采取提高老化溫度或延長(zhǎng)老化時(shí)間兩種途徑實(shí)現(xiàn)，即在135℃溫度下老化12 h的動(dòng)穩(wěn)定度與165℃下老化4 h的動(dòng)穩(wěn)定度大致相等；在150℃溫度下老化8 h的動(dòng)穩(wěn)定度與165℃下老化4 h的動(dòng)穩(wěn)定度大致相等。

3.2 低溫性能

本研究采用-10℃低溫彎曲試驗(yàn)，分析在老化溫度135℃、150℃、165℃和老化時(shí)間4 h、8 h、12 h后對(duì)3種級(jí)配SBS改性瀝青混合料瀝青混合料的低溫性能變化。

依據(jù)表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：

a）瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度、勁度模量隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)或老化溫度的提高呈逐漸增長(zhǎng)趨勢(shì)，而彎拉應(yīng)變則呈逐漸下降趨勢(shì)。但是不同老化溫度下彎拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律又有所差別，老化溫度為135℃時(shí)彎拉強(qiáng)度隨老化時(shí)間延長(zhǎng)而迅速增長(zhǎng)，老化溫度為150℃時(shí)彎拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率次之，老化溫度為165℃時(shí)彎拉強(qiáng)度隨老化時(shí)間延長(zhǎng)增長(zhǎng)較慢，甚至出現(xiàn)彎拉強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。

b）老化時(shí)間相同時(shí)，彎拉應(yīng)變與老化溫度有很好的相關(guān)性，彎拉應(yīng)變隨老化溫度的變化規(guī)律為με135℃＞με150℃＞με165℃，με165℃為 με135℃的 60%～80%，με150℃為 με135℃的 70%～90%。

c）從混合料級(jí)配對(duì)老化后瀝青混合料彎拉勁度模量的影響來(lái)看，相同老化條件下AC-13與AC-16混合料的勁度模量比較接近，而AC-20混合料的勁度模量則明顯高于其他兩種混合料。造成此種現(xiàn)象的原因主要是AC-20混合料相比其他兩種混合料礦料級(jí)配較粗、瀝青膜相對(duì)較薄，在相同老化條件下其瀝青膠結(jié)料老化較為嚴(yán)重，即彎拉勁度模量偏高。

為進(jìn)一步分析SBS改性混合料低溫抗裂性老化后的變化程度，計(jì)算不同老化程度下混合料彎拉強(qiáng)度比、彎拉應(yīng)變比與勁度模量比，結(jié)果見圖2。

表4 -10℃低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果表

圖2 彎拉強(qiáng)度比、彎拉應(yīng)變比與勁度模量比隨老化時(shí)間的變化曲線

從圖2彎拉強(qiáng)度比、彎拉應(yīng)變比與勁度模量比隨老化時(shí)間的變化曲線可知：

a）相同老化溫度下不同級(jí)配混合料的彎拉強(qiáng)度比增長(zhǎng)曲線差異較小，而不同老化溫度下相同級(jí)配混合料的彎拉強(qiáng)度比增長(zhǎng)曲線存在明顯差異。

b）彎拉應(yīng)變比隨老化時(shí)間的變化大致呈線性關(guān)系降低，且隨著老化溫度升高，彎拉應(yīng)變比減小速率迅速增大，165℃老化12 h后改性瀝青混合料的彎拉應(yīng)變衰減為新拌混合料的40%～50%，低溫抗裂性能明顯變差。165℃老化4 h彎拉應(yīng)變比的衰減量與150℃老化8 h的衰減量大致相等，165℃老化4 h彎拉應(yīng)變比的衰減量甚至大于135℃老化4 h的衰減量。

c）老化溫度、混合料級(jí)配、老化時(shí)間等對(duì)勁度模量比的影響呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，且均與彎拉應(yīng)變比的變化規(guī)律相反。這主要是因?yàn)樵诶匣^(guò)程中彎拉強(qiáng)度變化幅度較小，而彎拉應(yīng)變對(duì)混合料老化非常敏感，衰減幅度非常顯著，勁度模量是彎拉強(qiáng)度與彎拉應(yīng)變的比值，自然呈現(xiàn)出與彎拉應(yīng)變相反的規(guī)律。

由此可知，經(jīng)過(guò)老化試驗(yàn)，瀝青混合料脆性增加，低溫抗裂性能降低。各種指標(biāo)在瀝青混合料老化前后的變化范圍反映了其對(duì)老化的敏感性，3種評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化范圍排序?yàn)閯哦饶Ａ勘却笥趶澙瓚?yīng)變比大于彎拉強(qiáng)度比，說(shuō)明勁度模量比對(duì)混合料的老化最敏感。

3.3 水穩(wěn)定性

3.3.1 殘留穩(wěn)定度

本研究采用浸水馬歇爾試驗(yàn)獲得的殘留穩(wěn)定度評(píng)價(jià)SBS改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同老化程度改性瀝青混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度MS0%

從表5可以看出，隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，各種老化溫度下改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度呈先增大后降低的趨勢(shì)。整體來(lái)看，經(jīng)過(guò)老化以后改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定呈減小趨勢(shì)，由96%減小至93%左右，區(qū)分度不大，難以區(qū)分水穩(wěn)定性的優(yōu)劣。采用浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度評(píng)價(jià)老化對(duì)SBS改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響存在一定的局限性，主要因?yàn)榻R歇爾試驗(yàn)比較寬松，浸水馬歇爾試驗(yàn)中浸水時(shí)間較短，SBS改性瀝青水穩(wěn)定普遍較好，并不會(huì)導(dǎo)致瀝青中的親水性物質(zhì)與水相溶而發(fā)生馬歇爾殘留穩(wěn)定度明顯衰減。

3.3.2 凍融劈裂試驗(yàn)

圖3 老化時(shí)間與TSR（AC-13、AC-16、AC-20）的關(guān)系

由圖3的曲線可以看出：

a）3種級(jí)配改性瀝青混合料的凍融劈裂比TSR隨著老化時(shí)間延長(zhǎng)呈線性迅速降低，主要因?yàn)榻?jīng)過(guò)老化以后，瀝青結(jié)合料變硬，組分中親水性物質(zhì)增加，混合料勁度提高，在凍融過(guò)程中易產(chǎn)生破裂損傷，混合料在進(jìn)行劈裂試驗(yàn)時(shí)更容易受到破壞，造成水穩(wěn)性能降低。

b）從老化溫度對(duì)混合料TSR的影響來(lái)看，隨著老化溫度升高相同老化時(shí)間內(nèi)的凍融劈裂比TSR呈降低趨勢(shì)，相同老化時(shí)間時(shí)凍融劈裂比排序?yàn)門SR135℃＞TSR150℃＞TSR165℃；從老化溫度與時(shí)間對(duì)凍融劈裂比的影響來(lái)看，老化溫度為135℃老化12 h凍融劈裂比的衰減量與老化溫度為150℃老化8 h凍融劈裂比的衰減量大致相等，而老化溫度為165℃老化4 h凍融劈裂比的衰減量即達(dá)到該衰減量。

凍融劈裂比擬合曲線的斜率反映了混合料水穩(wěn)定性的衰減速率，可一定程度上反映混合料的老化速率，不同老化溫度下TSR擬合曲線的斜率（TSR衰減速率）見表6。

表6 SBS改性瀝青混合料TSR衰減速率

從表6、圖3可知：

老化溫度對(duì)TSR衰減速率的影響非常顯著，AC-16改性瀝青混合料的TSR衰減速率略大于AC-13改性瀝青混合料，但是衰減速率非常接近，區(qū)分度不大。而AC-20改性瀝青混合料的TSR衰減速率明顯高于其他兩種混合料，普遍高出20%～40%左右。因此，凍融劈裂試驗(yàn)更能有效地評(píng)價(jià)SBS改性瀝青混合料老化后的水穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

a）延長(zhǎng)老化時(shí)間，提高老化試驗(yàn)溫度均可增強(qiáng)SBS改性瀝青混合料的老化程度。進(jìn)行室內(nèi)老化試驗(yàn)?zāi)M瀝青混合料施工過(guò)程短期老化時(shí)，150℃、165℃的老化溫度更加適合SBS改性瀝青混合料。

b）瀝青混合料勁度模量作為老化后的綜合力學(xué)性能指標(biāo)，對(duì)瀝青混合料老化的敏感性明顯好于彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變指標(biāo)，更適宜作為SBS改性瀝青混合料老化后的低溫力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

c）殘留穩(wěn)定度比難以區(qū)分SBS改性瀝青混合料老化水穩(wěn)定性的優(yōu)劣，存在一定的局限性。凍融劈裂比TSR對(duì)SBS改性瀝青混合料老化比較敏感，可作為評(píng)價(jià)SBS改性瀝青混合料老化后的水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)。