抗老化玻璃纖維瀝青混合料路用性能研究

聶金峰，王偉赫，吳鴻飛，宋金平，高 穎

(1.河北光太路橋工程集團(tuán)有限公司，河北 邯鄲 056002；2.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056107)

瀝青混合料從生產(chǎn)到使用過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷不同程度的老化，這會(huì)降低其使用年限[1-2]，但若每年對(duì)瀝青路面的維修，會(huì)造成巨額的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)[3]，因此研究瀝青混合料路面的老化性能對(duì)提高瀝青混凝土路面的服務(wù)水平以及使用壽命具有重要意義[3-4]。

瀝青混合料較瀝青結(jié)構(gòu)復(fù)雜[5-6]，單一指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青老化不能全面細(xì)致反映混合料的老化性能。許多研究者針對(duì)瀝青路面的老化問(wèn)題，從不同老化方法[7]、不同類型瀝青老化前后的性能[8-10]及影響老化因素[11]等方面進(jìn)行研究。Irganox 1010為常用的一種烷基多酚類受阻酚抗氧劑，其結(jié)構(gòu)中含有酚羥基，易釋放出氫原子。通過(guò)質(zhì)子給予作用，破壞自由基自動(dòng)氧化鏈反應(yīng)，在這一反應(yīng)過(guò)程中生成的芳氧自由基活性不高，且能夠捕獲高分子材料老化過(guò)程產(chǎn)生的活性自由基，進(jìn)而終止第二個(gè)動(dòng)力學(xué)鏈，這對(duì)瀝青混合料的老化具有明顯的抑制作用[12-14]。目前，玻璃纖維已被廣泛應(yīng)用于瀝青路面中，高穎等[15]研究了玻璃纖維對(duì)高粘排水瀝青混合料路用性能的改善效果，當(dāng)其摻量為0.2%、0.4%時(shí)，可顯著提高其路用性能；Luo等[16]研究了玻璃纖維摻量對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，結(jié)果表明纖維在較高含量下可增強(qiáng)瀝青混合料的抗開裂能力，并確定增強(qiáng)其路用性能所需玻璃纖維的摻量為0.3%。然而，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究玻璃纖維瀝青混合料的抗開裂性能以及短期老化性能，對(duì)長(zhǎng)期老化性能的研究相對(duì)較少，故很有必要研究玻璃纖維瀝青混合料的長(zhǎng)期老化性能。

為此，本文以玻璃纖維瀝青混合料為基礎(chǔ)材料，采用Irganox 1010作為抗老化外摻劑對(duì)玻璃纖維瀝青混合料進(jìn)行改性處理，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)、半圓彎拉試驗(yàn)以及凍融劈裂試驗(yàn)分析摻入Irganox 1010對(duì)玻璃纖維瀝青混合料抗老化性能的改善效果，確定在各溫度環(huán)境下Irganox 1010摻量對(duì)其抗老化等性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料

采用AH-70#瀝青，基本指標(biāo)見表1。試驗(yàn)所用集料為玄武巖集料，粗集料密度為2.723 g/cm3，細(xì)集料密度為2.713 g/cm3，試驗(yàn)級(jí)配為JTG F40—2004《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》推薦的AC-16型中值級(jí)配，瀝青混合料最佳油石比為4.6%。

表1 AH-70#瀝青性能

由于玻璃纖維可增加混合料韌性，并結(jié)合朱春鳳、黃珊等[17-18]的研究成果，選取長(zhǎng)度為12 mm、直徑為13 μm～15 μm的短切玻璃纖維，摻量為0.2%，基本物理指標(biāo)見表2。由于Irganox 1010的熔融所需溫度與瀝青接近，二者具有較好的相容性，在加熱處理過(guò)程中發(fā)生較少的質(zhì)量損失，因此選用Irganox 1010作為玻璃纖維瀝青混合料老化抑制劑，摻量分別為1%、5%、10%，其基本物理指標(biāo)見表3。

表2 玻璃纖維基本物理性能指標(biāo)

表3 Irganox 1010基本物理指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，采用烘箱加熱法對(duì)玻璃纖維瀝青混合料進(jìn)行室內(nèi)模擬短期老化與長(zhǎng)期老化。短期老化溫度保持在135 ℃±3 ℃，時(shí)間為4 h；長(zhǎng)期老化溫度保持在85 ℃±3 ℃的烘箱中，時(shí)間為10 h±0.5 h。

通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)抗裂防老化復(fù)合改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，采用馬歇爾穩(wěn)定度作為高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，另外，采用老化指數(shù)IA來(lái)表征玻璃纖維瀝青混合料性能對(duì)長(zhǎng)期老化作用敏感性。老化指數(shù)按下式計(jì)算：

(1)

式中：LT1為玻璃纖維瀝青混合料長(zhǎng)期老化后的試驗(yàn)結(jié)果；LT0為玻璃纖維瀝青混合料未老化時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。

采用間接拉伸試驗(yàn)分析Irganox 1010對(duì)凍融前后未老化以及長(zhǎng)期老化玻璃纖維瀝青混合料的抗裂性影響，在此過(guò)程中利用數(shù)字散斑圖像技術(shù)測(cè)定試件表面的拉伸應(yīng)變，測(cè)定標(biāo)距為50 mm。選用破壞勁度模量、破壞拉伸應(yīng)變作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并采用DIC實(shí)測(cè)破壞拉伸應(yīng)變。另外，采用凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比TSR來(lái)評(píng)價(jià)Irganox 1010的摻量對(duì)玻璃纖維瀝青混合料的長(zhǎng)期老化前后的水穩(wěn)定性能。

為綜合對(duì)比分析低溫(-10 ℃)和中溫(20 ℃)條件下Irganox 1010對(duì)玻璃纖維瀝青混合料抗裂性和防老化作用改善效果，本文通過(guò)半圓彎拉試驗(yàn)，并借助DIC測(cè)定全場(chǎng)應(yīng)變(測(cè)定標(biāo)距為50 mm)進(jìn)行研究。在低溫和中溫條件下，加載速率分別為1 mm/min和50 mm/min。對(duì)試件進(jìn)行中心預(yù)切縫處理，長(zhǎng)度為10 mm。采用層底抗拉應(yīng)變、斷裂能來(lái)綜合評(píng)價(jià)長(zhǎng)期老化前后玻璃纖維瀝青混合料抗裂性，分析Irganox 1010對(duì)玻璃纖維瀝青混合抗老化性能的改善效果。各評(píng)價(jià)指標(biāo)分別按下式計(jì)算：

(2)

(3)

式中：ε為層底抗拉應(yīng)變；L為支座間距，mm；d為試件中心處撓度，mm；D為試件直徑，mm；Gf為試件斷裂能，J/m2；A為試件從加載直至斷裂破壞所需的能量，mm2；b為試件厚度，mm；h為試件高度，mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗老化玻璃纖維瀝青混合料高溫性能

對(duì)不同Irganox 1010摻量下的復(fù)合改性瀝青混合料進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1 復(fù)合改性瀝青混合料高溫性能與抗老化性

由圖1可見，隨著Irganox 1010摻量的增加，長(zhǎng)期老化與未老化玻璃纖維瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度均呈下降趨勢(shì)，表明Irganox 1010摻入會(huì)降低玻璃纖維瀝青混合料的高溫強(qiáng)度。當(dāng)Irganox 1010摻量相同時(shí)，經(jīng)長(zhǎng)期老化的玻璃纖維混合料的馬歇爾穩(wěn)定度較未老化的高，這是由于瀝青經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期老化后自身粘度上升且質(zhì)地較脆，導(dǎo)致瀝青混合料抗壓回彈模量增大，強(qiáng)度提高。此外，與未老化試件相比，長(zhǎng)期老化試件的馬歇爾穩(wěn)定度受Irganox 1010摻量影響較大，隨摻量的增加，穩(wěn)定度呈明顯下降趨勢(shì)。未摻加Irganox 1010試件的馬歇爾穩(wěn)定度為13.29 kN，摻量為10%時(shí)，馬歇爾穩(wěn)定度為9.05 kN，下降了31.9%。由圖1老化指數(shù)的變化可看出，老化指數(shù)隨Irganox 1010摻量的增加而逐漸下降。未摻加Irganox 1010時(shí)，老化指數(shù)為1.36，當(dāng)Irganox 1010摻量增加到10%時(shí)，老化指數(shù)最小為1.05，此時(shí)最接近于1。表明Irganox 1010摻量越大，玻璃纖維瀝青混合料抗老化性能越好。

3.2 抗老化玻璃纖維瀝青混合料抗裂性能

3.2.1 低溫半圓彎拉試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)不同Irganox 1010摻量下的復(fù)合改性瀝青混合料進(jìn)行低溫半圓彎拉試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。

(a)低溫抗裂性與抗老化性能

從圖2可看出，玻璃纖維瀝青混合料在低溫條件下的層底抗拉應(yīng)變和斷裂能在老化前后隨著Irganox 1010摻量的增加呈先增后降的趨勢(shì)，且當(dāng)Irganox 1010摻量為1%時(shí)，層底抗拉應(yīng)變量值最大，表明隨Irganox 1010摻量的增加，對(duì)玻璃纖維瀝青混合料的極限拉應(yīng)變存在不利影響；而較低的Irganox 1010摻量對(duì)混合料的低溫破壞應(yīng)變起到積極的作用。因此，若單方面考慮玻璃纖維瀝青混合料的低溫抗裂性時(shí)，Irganox 1010摻量為1%時(shí)抗裂性能最優(yōu)。相較未老化玻璃纖維瀝青混合料，長(zhǎng)期老化后混合料的層底抗拉強(qiáng)度和斷裂能較低，其原因一是長(zhǎng)期老化后瀝青的流動(dòng)降低，在低溫條件下更易發(fā)生脆性斷裂；二是長(zhǎng)期老化使油石界面變得更脆弱，不足以支撐較大的荷載和變形。從圖2老化指數(shù)的變化可看出，隨Irganox 1010摻量的增加，老化指數(shù)不斷增加，在摻量為10%時(shí)其值達(dá)到最大，為0.96，此時(shí)混合料的抗老化性最佳。

3.2.2 中溫半圓彎拉試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)不同Irganox 1010摻量下的復(fù)合改性瀝青混合料進(jìn)行中溫半圓彎拉試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

(a)中溫抗裂性與抗老化性能

由圖3可知，中溫條件下老化前后玻璃纖維瀝青混合料的層底抗拉應(yīng)變和斷裂能隨Irganox 1010摻量的增加表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。未老化玻璃纖維瀝青混合料的層底抗拉應(yīng)變和斷裂能隨Irganox 1010摻量的增加而增加，摻量10%時(shí)其值最大。長(zhǎng)期老化后，混合料的斷裂能仍呈逐漸遞增趨勢(shì)，但層底抗拉應(yīng)變隨Irganox 1010摻量的增加出現(xiàn)了先減小再增加又減小的變化情況，這主要與瀝青混合料的延性有關(guān)。

長(zhǎng)期老化后混合料的斷裂能較大，這與低溫條件下的斷裂能變化結(jié)果恰好相反。這主要是因?yàn)闉r青在溫度較高時(shí)粘性增大，增加了瀝青與集料之間的粘結(jié)力，并提高了混合料的韌性，從而提高了玻璃纖維瀝青混合料的抗裂性。另外，中溫條件下的層底抗拉應(yīng)變以及斷裂能明顯大于低溫條件，據(jù)此可知，溫度對(duì)玻璃纖維瀝青混合料的抗裂性影響較大。

由圖3老化指數(shù)的變化可見，當(dāng)Irganox 1010摻量為5%時(shí)，老化指數(shù)最接近于1，為0.97，其他摻量下混合料的老化指數(shù)均較低，此時(shí)玻璃纖維瀝青混合料的抗老化性最佳。

3.3 抗老化玻璃纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性能

1)水穩(wěn)定性

對(duì)不同Irganox 1010摻量下的復(fù)合改性瀝青混合料進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

(a)未老化凍融前后的劈裂抗拉強(qiáng)度

由圖4(a)可見，未老化條件下，隨Irganox 1010摻量的增加，混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)。摻量為1%、5%時(shí)，Irganox 1010玻璃纖維瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度與對(duì)照組相比變化不大；當(dāng)摻量為10%時(shí)，較對(duì)照組，凍融前后的劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高了11.6%和17.6%。

由圖4(b)可見，在長(zhǎng)期老化條件下，當(dāng)Irganox 1010摻量為1%時(shí)，混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度較其他摻量的情況仍處于相對(duì)較低的水平。通過(guò)對(duì)比長(zhǎng)期老化前后劈裂抗拉強(qiáng)度值可知，長(zhǎng)期老化后試件的劈裂抗拉強(qiáng)度相較于未老化時(shí)有明顯提高，這主要是因?yàn)殚L(zhǎng)期老化后模量升高所導(dǎo)致。由TSR的變化可以看出，老化前后，摻量為1%時(shí)TSR值最大，說(shuō)明此時(shí)混合料的水穩(wěn)定性最佳。綜合考慮Irganox 1010對(duì)玻璃纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響及其經(jīng)濟(jì)性，建議取Irganox 1010摻量為1%作為玻璃纖維瀝青混合料的最佳摻量。

2)抗老化性

在凍融循環(huán)條件下，不同Irganox 1010摻量的復(fù)合改性瀝青混合料抗老化性能如圖5所示。

(a)未凍融條件下試件的抗老化性

由圖5可知，當(dāng)試件在不同條件時(shí)，長(zhǎng)期老化后的破壞模量較大，這與長(zhǎng)期老化后玻璃纖維瀝青混合料變硬變脆有直接關(guān)系，但其提高幅度隨Irganox 1010摻量不同而有所差異。在未凍融條件下，試件老化指數(shù)表明Irganox 1010摻量對(duì)試件的抗老化性影響不大，摻量為5%、10%時(shí)，其值最接近于1，相較對(duì)照組下降了6.57%。凍融條件下試件的老化指數(shù)受Irganox 1010摻量影響較大，摻量為1%和5%時(shí)，老化指數(shù)值最接近于1，相較對(duì)照組下降了33.3%，表明其對(duì)玻璃纖維瀝青混合料的抗老化性影響較大，且在凍融以后Irganox 1010對(duì)玻璃纖維瀝青混合料抗老化性影響更為顯著。

4 結(jié)論

1)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)長(zhǎng)期老化后，玻璃纖維瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度要高于未老化時(shí)。隨Irganox 1010摻量的增加，馬歇爾穩(wěn)定度逐漸降低，但混合料的抗老化性逐漸增加，摻量為10%時(shí)，老化指數(shù)為1.05，最接近于1，此時(shí)老化前后馬歇爾穩(wěn)定度相比于未摻加時(shí)降低了8.53%和19.31%。

2)中溫半圓彎拉試驗(yàn)結(jié)果表明，Irganox 1010摻量高時(shí)，玻璃纖維瀝青混合料的抗開裂能力有所增強(qiáng)，試件長(zhǎng)期老化前后，斷裂能有所增加，且高于未老化的試件。當(dāng)Irganox 1010摻量為5%時(shí)，混合料的層底抗拉應(yīng)變較高。

3)低溫半圓彎拉試驗(yàn)結(jié)果表明，Irganox 1010雖對(duì)玻璃纖維瀝青混合料的低溫性能產(chǎn)生影響，但并不顯著。當(dāng)Irganox 1010摻量為1%時(shí)，混合料老化前后斷裂能最高，抗裂性能較好。由層底抗拉應(yīng)變老化指數(shù)可知，Irganox 1010摻量增加，混合料抗老化性能有所提高。

4)凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果表明，長(zhǎng)期老化作用對(duì)玻璃纖維瀝青混合料的水穩(wěn)定性存在不利影響。老化前后，Irganox 1010摻量為1%的混合料仍具有較大的TSR值。

5)分析比較不同Irganox 1010摻量下的玻璃纖維瀝青混合料的路用性能，得出Irganox 1010摻量為1%時(shí)，混合料各項(xiàng)性能均達(dá)到最優(yōu)。