瀝青路面老化的試驗研究

程耀飛

（廣西桂東高速公路有限公司，廣西貴港 530021）

瀝青路面老化的試驗研究

程耀飛

（廣西桂東高速公路有限公司，廣西貴港 530021）

針對瀝青老化對路面結構的影響，通過短期RTFOT試驗，對使用年限、路面深度及空隙率進行研究。結果表明：瀝青路面在使用初期的老化最為嚴重，隨后老化速率逐漸降低；路面深度增加時，瀝青老化程度降低，面層底部瀝青的軟化點有所增加；空隙率增加時，瀝青老化程度逐漸增加；上面層模量增加時，路面表層的開裂概率隨之增加。

空隙率；梯度模量；瀝青路面；路面開裂

0 引 言

隨著時間的增長，半剛性基層瀝青路面會出現不同形式和不同程度的病害，一方面是因為瀝青路面設計時的行車荷載的疲勞損傷，另一方面是因為瀝青混合料的老化［1?2］。瀝青路面老化對高等級公路性能及壽命的影響不容忽視。

瀝青性能老化是微觀結構改變的宏觀表現，國內外已對不同種類瀝青的老化機理進行了較多的研究。王培荔從瀝青材料化學組成的角度分析瀝青老化機理，并從瀝青再生是老化的逆過程出發，討論舊瀝青再生機理和控制指標［3］；劉子興等針對橡膠瀝青的路用性能及其影響因素，通過室內試驗研究發現瀝青添加膠粉后，其高溫、低溫及抗疲勞性能均有不同程度的改善［4］；陳華鑫等利用DSR試驗描述了老化作用對改性瀝青性能的影響，通過傅立葉轉換紅外線光譜（FTIR）試驗和膠凝滲透色譜法（GPC）試驗分析了SBS改性瀝青的老化機理［5］；葉奮等利用自制的人工強紫外線光源研究了強紫外線輻射對瀝青性能的影響，發現強紫外線光對瀝青造成非常嚴重的老化，同時對比分析了不同添加劑及不同摻量對提高瀝青抗紫外線光老化性能的作用［6］；王佳妮等分析材料性質變化的化學機理，以動態流變學的手段對比了老化前后瀝青的力學行為，運用時溫等效原理的失效溫度分析瀝青聚集態的變化［7］。國內外學者普遍圍繞瀝青材料的化學組成研究瀝青老化問題，對于瀝青老化的外部因素研究較少，如使用年限、路面深度以及瀝青路面老化后的力學響應情況等。考慮到老化瀝青路面力學性能對瀝青路面壽命影響的重要性，本文以外部因素為研究對象，對瀝青老化進行試驗研究和理論分析，并對老化后的瀝青路面進行力學分析。

1 試驗方案

1．1 瀝青回收

采用離心抽提法和旋轉蒸發器法將瀝青從舊料中提取出來，這2種方法均降低了回收過程對瀝青老化的影響。采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）中的方法檢驗瀝青的相關指標，如瀝青的勁度、勁度模量和高溫黏度等。

1．2 研究內容

影響瀝青老化的因素包括2種，外部因素和內部因素。外部因素主要有瀝青路面的使用年限、瀝青所處層位、外界環境等；內部因素主要指瀝青的內部組成，以及內部化學鍵斷裂和氧化等［8?9］。本試驗主要針對外部因素對瀝青老化性能的影響展開研究，包括使用時間、路面深度及空隙率等。

2 瀝青路面老化因素分析

2．1 使用時間

在使用時間不同的瀝青路面中取樣，提取舊瀝青，測試瀝青的三大指標及低溫抗裂BBR（彎曲蠕變勁度）指標，并對新瀝青進行短期RTFOT（旋轉薄膜烘箱）老化，試驗結果如圖1所示。

由圖1（a）可以看出，隨著使用時間的增加，瀝青的三大指標變化明顯，軟化點和黏度逐漸增加，延度和針入度逐漸降低，其中軟化點、延度和針入度的變化速率逐漸減緩；可見路面使用初期的老化最為嚴重，隨后老化速率逐漸降低，但135℃黏度增長近似呈線性趨勢。由圖1（b）可以看出，隨著使用時間的增加，瀝青的勁度模量逐漸增加，m值（荷載作用時瀝青勁度變化率）逐漸減小，且兩者的變化速率越來越大，因此路面使用越久，瀝青層的低溫抗裂性能與應力消散性能越差，性能變化也非常明顯。

2．2 路面深度

對某條已使用6年的高速公路瀝青路面面層進行分層取樣，并提取瀝青，測試其相關性能，試驗結果如圖2所示。

由圖2（a）可以看出，從表層到底層，針入度逐漸增加，軟化點及黏度逐漸減小，可見隨著路面深度

圖1 瀝青三大指標及低溫抗裂指標隨使用時間的變化

的增加，瀝青老化程度逐漸降低；延度變化規律不明顯，在4～5 cm位置處最小，中面層處剪應力最大，其產生的荷載疲勞損傷也最大，加之外界環境的作用，出現了圖中的結果；軟化點在8 cm處出現了增大的現象，這是由于瀝青層與基層間的組分交換所引起的，瀝青中的輕組分較少，導致該位置處的瀝青軟化點增大。由圖2（b）可以看出，隨著路面深度的增加，勁度模量逐漸降低，勁度值逐漸增加，且兩者的變化速率越來越大，因此路面的老化與深度有關，表層老化最為嚴重，這是因為路面表層與光、熱和紫外線等直接接觸。

2．3 空隙率

本試驗選取已使用15年的不同空隙率的瀝青路面，對其瀝青混合料進行抽提，并測試瀝青的相關性能指標，計算出瀝青與原樣瀝青性能指標的差值，具體見表1。

表1 使用15年的不同空隙率瀝青混合料回收瀝青指標變化

圖2 瀝青三大指標及低溫抗裂指標隨瀝青路面深度的變化

由表1可以看出，隨著空隙率的增加，瀝青性能指標變化較為明顯。如空隙率為4%時，軟化點僅增加了4℃，空隙率為5%時，軟化點增加了13℃，空隙率為7%時，軟化點增加了22℃。由此可見，空隙率對瀝青老化的影響很大，這是因為空隙率大的瀝青混合料與空氣和水的接觸較多，導致瀝青老化快且嚴重。一般情況下，路肩位置的瀝青要比行車道位置的瀝青老化嚴重，這是因為路肩位置處行車較少，空隙率較大。

3 老化瀝青路面結構力學響應分析

路面老化對瀝青混合料最直接的影響是強度變小和模量增加，路面的受力變性特征隨之變化。瀝青路面不同深度處的老化程度不同，導致不同深度處的瀝青混合料的模量和強度均不相同。國內外研究表明，瀝青表面是老化的主要區域，同時也是破壞的主要區域，但是表面層模量和強度的非均勻性特征較為復雜［10?15］。鑒于此，通過整體改變瀝青上面層模量與分層均勻改變瀝青上面層模量模擬瀝青路面老化，研究瀝青面層表面的應力情況。

3．1 瀝青上面層模量整體變化

由于瀝青路面的破壞源在面層的表面，并且路面老化對瀝青路面的表層影響最大，因此僅需改變瀝青上面層模量即可，對瀝青路面表層的最大拉應力和最大剪應力進行計算分析。瀝青路面結構的力學參數見表2，瀝青面層表面最大拉應力、最大剪應力隨上面層模量的變化如圖3、4所示。

表2 瀝青路面結構的力學參數

圖3 瀝青面層最大拉應力隨上面層模量的變化

由圖3可以看出，隨著上面層模量的增加，拉應力逐漸增加，故路面老化會增加面層表面的最大拉應力；由圖4可以看出，隨著上面層模量的增加，剪應力逐漸增加，故路面老化會增加面層表面的最大剪應力。因此，瀝青路面老化會增加面層表面彎拉開裂和剪切開裂的概率。

圖4 瀝青面層表面最大剪應力隨上面層模量的變化

3．2 瀝青上面層模量分層變化

由路面深度對瀝青路面老化的影響可知，隨著路面深度越深，瀝青路面的老化逐漸好轉，因此瀝青路面的老化應具備梯度特征［16?18］。為方便計算，假定面層模量均勻變化，為保證計算的準確性，將上面層分為5層，用每層中間位置處的模量代表整層的模量；同時為便于與上面層模量整體變化時的力學情況比較，假定上面層中部位置的模量不變，瀝青上面層各層中間的模量等參數見表3。

表3 面層模量分布

瀝青面層表面最大拉應力、最大剪應力隨上面層模量梯度的變化如圖5、6所示。由圖5可以看出，隨著模量梯度的增加，拉應力逐漸增加，因此隨著路面老化，瀝青路面表層開裂（彎拉）的概率逐漸增大，故設計瀝青路面時，需要考慮模量梯度分布特征。由圖6可以看出，剪應力受模量梯度的影響很小，模量梯度較大時，面層表面的剪切強度較低，因此老化作用同樣會增加面層表面剪切開裂的概率。

圖5 瀝青面層表面最大拉應力隨上面層模量的變化

圖6 瀝青面層表面最大剪應力隨上面層模量梯度的變化

4 結 語

通過對瀝青路面老化性能的影響因素及對老化瀝青路面的力學響應研究得到如下結論。

（1）使用初期路面老化最為嚴重，隨后老化速率逐漸下降，路面使用越久，瀝青材料的力學性能越差，但135℃的黏度增長近似呈線性趨勢。

（2）隨著路面深度的增大，瀝青老化程度逐漸降低，由于中面層剪切應力最大的緣故，導致延度最小，在面層底部與基層接觸位置，由于輕組分被基層吸收，該位置處瀝青的軟化點增加。

（3）隨著空隙率的增加，瀝青老化程度逐漸嚴重，這是因為空隙率大的瀝青混合料與空氣和水的接觸較多。

（4）無論是上面層模量整體變化還是呈梯度變化，都會增加瀝青路面表層的開裂（彎拉開裂和剪切開裂）概率。

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［責任編輯：高 甜］

Experimental Study on Aging of Asphalt Pavement

CHENG Yao?fei
（Guangxi Guidong Expressway Co．，Ltd．，Guigang 530021，Guangxi，China）

In view ofthe influence of asphaltaging on the pavementstructure，the short?term RTFOT test was used to study the service life，depth of pavement and porosity．The results show that the aging of asphalt pavement is the most serious in the early stage of service life，and then the aging rate is gradually reduced；when the depth of the pavement increases，the asphalt aging is reduced，and the asphalt ductility in the middle layer is the lowest，and the softening point of the asphalt at the bottom of the surface course increases；the aging of asphalt aggravates when the porosity increases；when the modulus of the upper layer increases，the cracking probability of the surface course increases．

porosity；gradient modulus；asphalt pavement；pavement cracking

U416．217

B

1000?033X（2017）08?0089?05

2017?02?27

程耀飛（1980?），男，廣西貴港人，工程碩士，高級工程師，研究方向為公路勘察設計及建設管理。

文章編號：1000?033X（2017）08?0094?04