基于間接拉伸試驗的瀝青混合料老化研究

□文/王 軍

瀝青由瀝青質、膠質、輕組分等有機化合物組成，瀝青質更易與氧反應并產生羰基和亞砜化合物，從而導致瀝青老化。但瀝青老化過程的量化與表征極具挑戰性。本文擬通過研究瀝青混合料的拉伸強度與老化之間的關系，對瀝青老化行為進行分析，其中，不考慮瀝青化學老化與混合料老化之間的關系。

瀝青混合料施工拌和及鋪筑過程中，瀝青在高溫作用下與氧發生反應，這種現象被稱為短期老化。路面在服役過程中，瀝青與氧氣繼續反應，則為長期老化。短期老化和長期老化都可以根據AASHTOR 30—2002《熱混瀝青（HMA）的混合條件》在試驗室內進行模擬。將松散的瀝青混合料在154℃下加熱2 h或在135℃烘箱內放置4 h，可以模擬試驗室下短期老化。將制備的瀝青混凝土試件在85℃烘箱中處理120 h（5 d）來模擬長期老化。很多研究人員深入研究了短期和長期老化對瀝青流變性能的影響[1～6]；但是，主要集中于瀝青和瀝青混合料的流變性質，瀝青老化對混合料間接拉伸強度的影響，尚未開展深入研究。

間接拉伸強度對現場老化研究具有深遠的意義。基于強度準則，間接拉伸強度可以確定瀝青混合料與路面開裂性能相關的材料拉伸性能，即較高的間接拉伸強度可以等同于更高的抗開裂性能。而且，間接拉伸強度是橫向裂縫模型中的重要輸入參數；也是瀝青路面抗低溫開裂性能的衡量標準。通常情況下，間接拉伸強度作為主要設計參數時，其獲取方式均由室內試驗來確定。但是，服役期間間接拉伸強度將受到瀝青老化、水損害、凍融等多因素的影響。已有研究水分對瀝青混合料拉伸強度的影響[7～11]；凍融對瀝青混合料抗拉強度的影響[12]。然而，使用間接拉伸強度評價老化效應的研究很少看到。

本文擬通過間接拉伸試驗研究長期老化（長期烘箱老化、現場老化）、短期老化對瀝青混合料間接拉伸強度和流值的影響。

1 長期老化研究

1.1 材料和試件準備

根據文獻［9］，使用Superpave旋轉壓實儀制備直徑150 mm、高度170 mm的試件，將其切制成直徑100 mm、厚50 mm的試件備用。根據文獻［7,13］，分別測定制備試件的毛體積密度和松散混合物的理論最大密度。處理前，試件空隙率為5.1%～5.9%，平均值為5.4%。

混合料級配采用密級配Superpave-III。設計瀝青性能等級為PG76-22，瀝青用量為4.4%，最大骨料尺寸為19 mm。

1.2 試件處置方法

試件處理分兩種方法：長期烘箱老化和現場老化。烘箱老化中，根據AASHTO R 30—2002，將制備試件在85℃烘箱中放置120 h（5 d），然后打開烘箱門，冷卻至室溫后再靜置16 h，重復該過程5次。現場老化條件中，瀝青混合料樣本試件放置于室外平滑板面上，只考慮環境因素對試件的老化，從8月開始老化1 a，監測周圍環境及路面溫度數據。現場老化期間，試件經歷了最高氣溫54℃，最低氣溫－11℃，凍融周期90次，晝夜溫差高26℃。

1.3 間接拉伸試驗

根據文獻［8］，使用間接拉伸測試裝置測定瀝青混合料試件的間接拉伸強度值。20℃條件下以50 mm/min速度加載直至破壞，平行件不少于4個。間接拉伸強度由式（1）計算所得。

式中：P、D、t分別為測量峰值荷載、直徑、厚度。其中，直徑、厚度值取測量平均值。

1.4 結果和討論

長期烘箱老化試件的間接拉伸試驗結果見圖1。

圖1 不同烘箱老化時間下的間接拉伸試驗結果

由圖1a可以看出：間接拉伸強度隨老化時間的延長而增加，老化1 d試件的間接拉伸強度值比未老化試件增加17.6%，老化5、25 d試件，間接拉伸強度值比未老化試件分別增加28%、31%。表明，大部分老化過程發生在初期，老化5 d后的老化速率明顯降低。老化初期間接拉伸強度的急劇增長可能是由于暴露在表層的瀝青膜變硬，因試件內部瀝青很難與空氣接觸，導致混合料進一步老化過程中，很難使更多的瀝青膜或膠漿變硬。

由圖1b可以看出：老化25 d的流值從1.56 mm下降到1.26 mm，隨著老化時間增加，試件的脆性不斷增加（延性降低）；在初始5 d內，試件脆性的增加速度迅猛。可以認為，試件流值在老化初期突然下降是由于瀝青膜硬化，即使在長時間的老化之后，瀝青內部也可能還未受到影響，內部瀝青的老化過程仍需進一步研究。現場老化試件的間接拉伸試驗結果見2。

由圖2a可以看出：間接拉伸強度隨現場老化時間的增加而增加；盡管在300 d內，兩個相鄰值看起來很接近，但拉伸強度的增加趨勢依然很清晰。經過1 a老化的間接拉伸強度值為1.49 MPa，比未老化試件的間接拉伸強度值增幅19.2%。發展趨勢與烘箱老化試驗一致，在一定的老化周期后，間接拉伸強度的平均增加。

由圖2b可以看出：經過358 d的老化，流值從1.56 mm下降到1.35 mm；在前240 d的老化時間內，脆性增加非常緩慢，當老化時間超過240 d后，流值下降得非常快。這與烘箱老化情況有所不同，推斷可能是由于240 d以后剛好處于春季的高頻凍融期結束，水分滲入瀝青混合料表層空隙，使老化進入了室內試驗無法達到的更深處。

圖2 不同現場老化時間下的間接拉伸試驗結果

將圖1a和圖2a試驗數據進行對比。室內烘箱老化1d和現場老化1 a的間接拉伸強度值幾乎相等。通過單因素方差分析，可以得出1 a現場老化試件和1 d烘箱老化試件的間接拉伸強度相等，在統計學中的置信區間為95%。也就是說，以間接拉伸強度作為評價指標，試驗室內1 d烘箱長期老化試件的間接拉伸強度值基本接近于大約1 a的現場老化試件。

瀝青老化過程還取決于瀝青類型、氣候環境、級配設計、油石比等，這些本文暫未考慮。

2 短期老化研究

2.1 試樣準備及試驗

在試件制備之前，根據AASHTO R 30—2002，將不同批次的松散混合料在135℃烘箱下進行短期老化至100 h。期間，使用刮鏟將混合物每2 h徹底攪拌一次。隨后，將老化后的松散混合物，按照文獻［9］方案，使用Superpave旋轉壓實儀制備試件并切制為直徑100 mm、厚50 mm的試件備用。處理前，試件空隙為5.2%～5.9%，平均值為5.5%。

間接拉伸強度試驗步驟、參數及數據計算方式與長期老化試驗相同。

2.2 結果和討論

短期老化試件的間接拉伸試驗結果見圖3。

圖3 不同短期老化下的間接拉伸試驗結果

由圖3a可以看出：在40 h老化時間內，間接拉伸強度隨老化時間的增加而增加，之后其隨著老化時間的增加而有所下降；老化40 h后，間接拉伸強度從1.25 MPa提高到1.66 MPa；100 h老化后，間接拉伸強度值為1.14 MPa，比未老化試件降低9%。可能是松散混合料在40 h的老化過程中，瀝青膜或膠漿會過度氧化，使瀝青膜或膠漿失去其粘合性和粘度，從而導致壓實混合料的拉伸強度降低。

由圖3b可以看出：隨著老化時間的增加，流值持續下降。短期老化試件的延展性隨著老化周期將持續下降。與壓實混合料不同，當加熱松散混合料時，整個混合料都被老化，這就是混合料脆性隨老化周期持續增加的原因。根據短期老化試驗結果可知，混合料在拌和時應盡可能減少加熱時間不致瀝青薄膜或膠漿過度氧化。

3 結論

1）以間接拉伸強度作為評價標準，Superpave-III型瀝青混合料試驗室內烘箱老化1 d相當于當地氣候條件下現場老化1 a。但本研究并未涉及諸如瀝青類型、氣候環境、級配設計、油石比等因素對老化過程的影響，因此，需要進一步開展驗證研究。

2）試驗室長期烘箱老化和現場老化試件的間接拉伸強度值均隨著老化時間的延長而增加。瀝青混合料在松散狀態下短期老化后成型的試件，其間接拉伸強度值隨著老化周期先增加后減小，存在峰值。

3）在不同老化模式和條件下，瀝青混合料試件的流值均隨著老化時間的增加而減小（脆性增加）。