天然改性瀝青混合料熱氧老化性能研究

■郭 建

(中交公路規(guī)劃設計院有限公司，北京 100088)

0 引言

瀝青路面具有行車舒適、維修快捷等優(yōu)勢，我國現(xiàn)有高速公路中約有94%使用瀝青混凝土路面。但是，隨著中國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，瀝青混凝土路面的承載能力已不能滿足現(xiàn)有交通量，同時受到各種外界環(huán)境的影響，路面會出現(xiàn)如裂縫、松散、車轍等常見病害。這些病害產(chǎn)生重要原因之一是瀝青混合料在拌合、運輸和攤鋪過程中，發(fā)生了不同程度的老化，導致瀝青路面出現(xiàn)各種病害。因此，研究瀝青及瀝青混合料的老化性能對指導路面施工，提高瀝青路面使用質(zhì)量具有重要意義。李寧利等[1]研究了在短期老化和長期老化下瀝青混合料的路用性能，發(fā)現(xiàn)長期老化對瀝青混合料的低溫性能作用明顯。陳華鑫等[2]研究了不同級配瀝青混合料老化性能的變化規(guī)律。徐東等[3]研究發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青混合料老化后高溫性能顯著提高，但低溫抗裂性和水穩(wěn)定性下降。王國安等[4]研究發(fā)現(xiàn)瀝青混合料低溫性能的降低主要發(fā)生在短期老化階段。宋玉珠[5]研究了PE改性瀝青混合料老化后的高溫性能。楊瑞華等[6]研究發(fā)現(xiàn)AH-30瀝青混合料老化后,力學性能和路用性能良好。李洪軍[7]研究發(fā)現(xiàn)瀝青混合料的疲勞性能與老化程度有關，建議瀝青路面應在4h內(nèi)完成施工。

當前，瀝青路面中天然改性瀝青混合料的應用廣泛，相比普通瀝青路面穩(wěn)定性與耐久性有了顯著提高。對此，為了更好的研究天然改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，有必要對老化后天然瀝青混合料進行水穩(wěn)定性展開系統(tǒng)研究。本文采用經(jīng)過老化模擬試驗后的天然改性瀝青混合料，對其老化后的水穩(wěn)定性能和力學性能進行研究，為保證天然改性瀝青混合料長期使用提供參考。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

(1)瀝青

基質(zhì)瀝青選用克拉瑪依90#基質(zhì)瀝青，天然瀝青選用川北天然巖瀝青和特立達湖瀝青，技術指標見分別表1～表 3。

表1 克拉瑪依90#基質(zhì)瀝青技術指標

表2 巖瀝青技術指標

表3 湖瀝青技術指標

(2)改性瀝青指標及制備

選用天然瀝青改性基質(zhì)瀝青。將基質(zhì)瀝青加熱至流動狀態(tài)，分別摻入不同劑量的天然改性瀝青改性劑，采用高速剪切法制備天然瀝青改性瀝青，剪切試驗參數(shù)見表4。巖瀝青摻量分別為4%、8%、12%，湖瀝青摻量分別為20%、30%和40%。剪切完成后要防止氣泡的產(chǎn)生。

表4 剪切試驗參數(shù)

制得的天然瀝青改性瀝青見表5。

(3)集料、填料

粗、細集料選用玄武巖、機制砂，技術指標分別見表6和表7。

表5 天然瀝青改性瀝青技術指標

表6 粗集料技術性質(zhì)

表7 細集料技術性質(zhì)

填料選用石灰?guī)r礦粉，技術性質(zhì)見表8。

表8 礦粉技術性質(zhì)

1.2 礦料級配及配合比設計

混合料級配類型選用AC-13，為保證天然瀝青改性瀝青混合料老化性能與基質(zhì)瀝青混合料的可比性，制備的試件采用馬歇爾設計法確定的基質(zhì)瀝青混合料最佳瀝青用量為4.8%。

表9 瀝青混合料AC-13礦料級配

1.3 試驗方案

通過浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗及單軸壓縮試驗，對比熱氧老化前后天然瀝青改性瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料水穩(wěn)定性和力學性能的變化規(guī)律。

2 熱氧老化試驗

采用 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E-20-2011)中的加速老化方法進行瀝青混合料的模擬老化試驗。首先對瀝青混合料進行短期熱氧老化試驗，對短期老化后的瀝青混合料進行長期熱氧老化試驗，評價瀝青混合料的抗水損害性能及抗疲勞開裂性能。

2.1 短期老化

瀝青混合料的短期老化主要是指瀝青在施工過程中拌和、儲存、攤鋪及碾壓過程造成的老化。用室內(nèi)小型拌和機拌制而成的松散的混合料均勻攤鋪在搪瓷盤中，松鋪系數(shù)約為21～22kg/m2，然后將混合料放入135℃±3℃的烘箱中，并在強制通風條件下加熱4h±5min，在瀝青混合料的加熱過程，對混合料進行間斷式翻拌，每次翻拌時間間隔1h。短期老化加熱時間為4h，加熱至4h后從恒溫烘箱中取出瀝青瀝青混合料，短期老化試驗模擬完成。

2.2 長期老化

長期老化室內(nèi)試驗方法是模擬路面在服役年限里的全部老化過程，采用壓實的混合料進行。對瀝青混合料進行短期熱氧老化，然后按照要求成型瀝青混合料試件。成型后的試件在常溫條件下自然冷卻6h，將充分冷卻后的瀝青混合料脫模，將試件放入恒溫烘箱，烘箱加熱溫度為85℃±3℃，連續(xù)加熱5d，加熱過程強制通風，長期老化試驗模擬完成。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 熱氧老化對水穩(wěn)定性影響

采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來研究瀝青混合料老化前后的水穩(wěn)定性。

(1)浸水馬歇爾試驗

不同天然瀝青摻量條件下的浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果見圖1。

由圖1可知，熱氧老化前后，在90#基質(zhì)瀝青中添加天然瀝青后，其穩(wěn)定度、浸水穩(wěn)定度以及殘留穩(wěn)定度均表現(xiàn)一個增加的趨勢。其中，熱氧老化后，巖瀝青改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度分別提高了4.1%、6.7%、9.0%，湖瀝青改性瀝青混合料則分別提高了5.8%、8.7%、10.4%。說明天然瀝青的添加改善了瀝青混合料抗水損害能力。同時，對比熱氧老化前，天然改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度都有明顯的降低，隨天然瀝青摻量的增加，減小幅度小于基質(zhì)瀝青混合料。巖瀝青摻量為4%、8%和12%時，其殘留穩(wěn)定度分別降低了4.86%、3.56%、1.98%；湖瀝青摻量為20%、30%及40%時，其殘留穩(wěn)定度降低了4.13%、1.88%和0.99%。這說明熱氧老化對瀝青混合料的水穩(wěn)定性能有不利的影響。另外，對比老化前后巖瀝青改性瀝青混合料和湖瀝青改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度，發(fā)現(xiàn)湖瀝青改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能比巖瀝青改性瀝青混合料強，且其抗熱氧老化能力更好。

(2)凍融劈裂試驗

不同天然瀝青摻量條件下的浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果見圖2。

圖1 不同天然瀝青摻量條件下的浸水馬歇爾試驗

圖2 不同天然瀝青摻量條件下的劈裂試驗結(jié)果

由圖2可知，熱氧老化前后，在90#基質(zhì)瀝青中添加天然瀝青后，其劈裂強度和TSR均是有小幅度的增加的，且隨著天然瀝青摻量的增加，其劈裂強度和凍融劈裂抗拉強度比均表現(xiàn)為增長的趨勢。熱氧老化后，對比熱氧老化前，基質(zhì)瀝青混合料和天然改性瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比都有明顯的降低。且隨著天然瀝青的摻量的增加，其減小幅度是不斷變小的。巖瀝青摻量為4%、8%和12%時，其凍融劈裂抗拉強度比分別降低了7.40%、5.82%、4.42%；湖瀝青摻量為20%、30%及40%時，其凍融劈裂抗拉強度降低了6.26%、4.15%和3.00%。這表明熱氧老化對瀝青混合料的水穩(wěn)定性能有不利的影響。

通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗發(fā)現(xiàn)，天然瀝青的添加可以顯著提高其水穩(wěn)定性能，且改善其抗熱氧老化能力。同時，湖瀝青改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能和抗熱氧老化能力要好于巖瀝青改性瀝青混合料。在各自對應的摻量水平下，湖瀝青改性瀝青混合料的性能也要優(yōu)于巖瀝青混合料。

3.2 熱氧老化對力學性能影響

不同天然瀝青摻量條件下的單軸壓縮彈性模量試驗結(jié)果見圖3。

由圖3可知，熱氧老化前后，基質(zhì)瀝青老化后的回彈模量增加了15.4%。而不同摻量下，天然改性瀝青的增長幅度不一樣，巖瀝青摻量為4%、8%、12%時，其回彈模量分別增長了14.1%、10.8%、8.6%；湖瀝青摻量為20%、30%和40%時，分別提高了11.3%、3.1%、5.4%。說明天然瀝青的添加可以有效抵抗熱氧老化，天然改性瀝青混合料的抗熱氧老化能力更強。同時，對比巖瀝青和湖瀝青改性瀝青混合料，發(fā)現(xiàn)湖瀝青改性瀝青混合料抵抗永久變形能力和抗熱氧老化能力比巖瀝青要好。

圖3 不同天然瀝青摻量條件下的回彈模量試驗結(jié)果

4 結(jié)論

通過對瀝青混合料進行模擬老化試驗，比較了基質(zhì)瀝青混合料和天然改性瀝青混合料熱氧老化性能，得出以下結(jié)論：

(1)添加天然瀝青后，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂抗拉強度比以及回彈模量均是提高的。表明天然瀝青的摻入，可以有效改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性能和抗變形能力。

(2)隨天然瀝青摻量的增加，瀝青混合料殘留穩(wěn)定度及回彈模量不斷增大，破壞應變不斷減小，說明天然瀝青摻量的增加提高了水穩(wěn)定性能和抗變形能力。

(3)湖瀝青改性瀝青混合料與巖瀝青改性瀝青混合料相比，在各自對應的摻量水平下，湖瀝青改性瀝青混合料的性能均優(yōu)于巖瀝青混合料。