新疆大陸干旱性氣候區(qū)路用瀝青老化機(jī)理及改善措施

呂 光

（中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

0 引言

G7 高速公路新疆東部天山北麓沿線經(jīng)過伊吾、巴里坤，與處于運(yùn)營狀態(tài)的奇臺至木壘高速公路起點(diǎn)相接，總長515 km。本工程沿線氣候條件較為惡劣，以溫帶大陸性干旱氣候區(qū)為主，常年干燥少雨，伴有較多的災(zāi)害性天氣，嚴(yán)重影響到工程施工和公路的運(yùn)營。

1 動態(tài)剪切流變試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

黏彈性是反映材料質(zhì)量的重要指標(biāo)，此方面的試驗(yàn)檢測可使用動態(tài)剪切流變儀，其具備模擬路面實(shí)況的能力，可在多種溫度環(huán)境下分別施加剪切應(yīng)力，從而測定各溫度的應(yīng)變情況。經(jīng)過對瀝青的性能試驗(yàn)后，可掌握抗車轍因子等相關(guān)數(shù)據(jù)，以此為依據(jù)評價(jià)路面高溫性能。

1.2 具體試驗(yàn)方案及實(shí)際結(jié)果

本次試驗(yàn)溫度條件包含46 ℃、52 ℃、58 ℃、64 ℃、70 ℃、76 ℃、82 ℃，試驗(yàn)對象包含原樣瀝青和老化瀝青，從而分別求得各材料在不同溫度下的車轍因子（表1）。依據(jù)規(guī)范，原樣瀝青和老化瀝青各自對應(yīng)的車轍因子控制標(biāo)準(zhǔn)有所差異，前者應(yīng)＞1.1 kPa，后者應(yīng)＞2.2 kPa。

表1 瀝青車轍因子試驗(yàn)結(jié)果

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.3.1 復(fù)合模量

結(jié)合老化前后瀝青值變化曲線展開分析（圖1），可以得知：①若溫度限定在46～82 ℃，試驗(yàn)所用的4 種石油瀝青在復(fù)合模量指標(biāo)上的表現(xiàn)具有一致性，即溫度的升高該指標(biāo)隨之下降，變化形態(tài)呈拋物線形；②若為基質(zhì)瀝青，其G*值（瀝青動態(tài)剪切模量）將明顯超過克拉瑪依70#，若溫度持續(xù)提升并達(dá)到17 ℃，此時(shí)該值表現(xiàn)出小幅度下降的變化趨勢；③若為改性瀝青，其G*值將高于橡膠瀝青，同時(shí)在溫度提升的情況下，該值依然可維持相對較高的水平，如溫度80 ℃時(shí)為5 kPa；④從復(fù)合模量的對比結(jié)果來看，改性瀝青在此方面將明顯超過基質(zhì)瀝青，且在ROTOF 老化后，改性瀝青的G*值表現(xiàn)出大幅度增加的變化趨勢，此時(shí)（旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)）瀝青軟化的臨界溫度也隨之后延。

圖1 老化前后瀝青值變化曲線

1.3.2 相位角

瀝青在黏性和彈性條件下，可通過相位角反映其具備的變形特征，隨著該值的增加，瀝青的性質(zhì)將逐步向黏性體發(fā)展，所具備的抗車轍能力隨之削弱；反之，其性質(zhì)則與彈性體具有較高的相似性。

基質(zhì)瀝青K70#對于溫度更為敏感，因此其相位角變化較明顯，但基質(zhì)瀝青K90#在老化后其并未出現(xiàn)相位角大幅變動的情況，在46～70 ℃，該值呈減小的變化趨勢；橡膠瀝青方面，可以將64 ℃作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，小于該溫度時(shí)老化前后的相位角具有一致性，而SBS（苯乙烯—丁二烯—苯乙烯嵌段共聚物）改性瀝青老化后則存在明顯的相位角減小現(xiàn)象，此過程中瀝青豁性減小。表明，SBS 改性劑將顯著影響瀝青的豁彈性能，伴隨溫度的提升，瀝青性質(zhì)逐步向黏性體發(fā)展，此時(shí)其抗剪能力較強(qiáng)。

1.3.3 車轍因子

高溫穩(wěn)定性有助于反映瀝青的工程性能，常通過車轍因子做出評價(jià)[1-3]，該指標(biāo)指的是損失剪切柔量J*的倒數(shù)，具體關(guān)系如下：

式（1）～（3）中，G*為瀝青動態(tài)剪切模量，MPa；δ 為相位角，°；i 為剛度參數(shù)；J '、J "為蠕變耗能分量，MPa；J（t）為瀝青材料的剪切柔量函數(shù)；ε（t）為動應(yīng)變；δ0為動應(yīng)力的模。G*/sinδ 值表現(xiàn)出隨之減小的變化趨勢，說明抵抗剪切力所做的功在高溫條件下更大，由于所做功的增加，瀝青路面的勁度隨之下降，抗車轍效果欠佳。

結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知：①在46～82 ℃時(shí)，溫度的提高將帶來車轍因子的下降，在此方面的變化趨勢與復(fù)合模量變化具有一致性；②各材料的車轍因子有所不同，其中K90#將明顯超過K70#，但在溫度為52 ℃時(shí)該規(guī)律發(fā)生變化，兩者的G*/sinδ均表現(xiàn)出大幅度下降的趨勢，表明基質(zhì)瀝青的抗剪能力也有所削弱；③隨著溫度的逐步提高，當(dāng)其達(dá)到70 ℃時(shí)，車轍因子經(jīng)過逐步下降后已經(jīng)達(dá)到規(guī)范的下限值，與之不同的是老化后的SBS 改性瀝青，其具有的車轍因子則呈現(xiàn)出大幅度增加的變化趨勢，意味著SBS 改性瀝青在抵抗剪切力時(shí)所做的功相對較小，此時(shí)則具有路面勁度高、抗車轍能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

2 瀝青混合料的動態(tài)模量

瀝青路用性能得以有效發(fā)揮的關(guān)鍵在于按照特定的配比拌制瀝青混合料，再將其用于路面攤鋪施工。對于路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，應(yīng)重點(diǎn)考慮動態(tài)壓縮模量指標(biāo)，具體分析條件為20 ℃、10 Hz。

2.1 動態(tài)模量試驗(yàn)

動態(tài)模量可較為準(zhǔn)確地反映瀝青混合料的動態(tài)性能，具體應(yīng)求得動態(tài)模量，該指標(biāo)反映的是在特定波形或振幅時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變的比值：

式（4）中，ε（t）為動應(yīng)變；t 為荷載作用時(shí)間，s；δ0為動應(yīng)力的模；ω 為應(yīng)變速率，/s；δ 為相位角，°；ε 為最大水平應(yīng)變；ε0為動應(yīng)變的模；e 為內(nèi)部阻尼，m/s；i 為剛度參數(shù)；θ 為相位角均值。

若試驗(yàn)條件較為良好，此時(shí)可根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范中的相關(guān)公式快速求解，以便得到動態(tài)模量的具體值。但應(yīng)注意，公式存在特定的適用范圍，通常只用于常規(guī)級配的瀝青混合料。

式（5）中，f 為試驗(yàn)頻率，Hz；Pa 為石油比；V 為壓實(shí)空隙率，%；VCADRC為搗實(shí)時(shí)粗集料的松裝間隙率，%。

統(tǒng)一將試驗(yàn)頻率取為10 Hz，此時(shí)若溫度下降，各試驗(yàn)材料的動態(tài)模量隨之表現(xiàn)出平緩變化的趨勢，原因在于溫度的提高將導(dǎo)致瀝青出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，此時(shí)混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)不再具有完整性，同時(shí)外力作用較為明顯，導(dǎo)致骨架穩(wěn)定性下降，隨之出現(xiàn)動態(tài)模量降低的情況。若以試驗(yàn)溫度為定量（均為20 ℃），此時(shí)在頻率增加的情況下，各材料的動態(tài)模量隨之表現(xiàn)出增加的變化趨勢。通過對動態(tài)模量公式的分析可知，由于加載頻率在不斷增加，此時(shí)ω 值加大，在特定的時(shí)間周期內(nèi)加載所持續(xù)的時(shí)間縮短，應(yīng)變ε0減小，此時(shí)若應(yīng)力δ0維持穩(wěn)定，最終則會出現(xiàn)動態(tài)模量E*增加的情況。

2.2 動態(tài)模量主曲線

以20 ℃的標(biāo)準(zhǔn)溫度為前提條件，在時(shí)間—溫度疊加原理的指導(dǎo)下經(jīng)過擬合處理后生成具有平滑特性的曲線，此時(shí)則指的是動態(tài)模量的主曲線。經(jīng)分析可知：在高溫低頻區(qū)時(shí)，具備的關(guān)系為K70#＜K90#＜橡膠瀝青＜SBS 改性瀝青；反之，若在低溫高頻區(qū)，此時(shí)則恰好呈相反的關(guān)系。由此得知，在高溫條件的作用下，改性瀝青混合料所具有的勁度隨之增加，能夠更為有效地抵抗變形，其工程性能表現(xiàn)更加良好。

3 結(jié)束語

（1）老化前，不同類型的瀝青材料所具有的高溫抗剪能力具有差異性，SBS 改性瀝青高于橡膠瀝青，K90#高于K70#，從復(fù)合模量的角度來看則具有改性瀝青超過基質(zhì)瀝青的特點(diǎn)；而在老化后，各材料的抗車轍因子發(fā)生變化，其中以SBS 改性瀝青最大。由此說明，由于受到了改性劑的作用，瀝青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有所改變，此時(shí)瀝青在超高溫環(huán)境下的抗剪能力更強(qiáng)，在新疆地區(qū)高溫施工環(huán)境中更具可行性。

（2）老化的方式有助于提高瀝青的抗剪能力。其原因在于瀝青結(jié)構(gòu)的變化，此時(shí)以凝膠型為主，使瀝青具有更“硬”的特性。

（3）從高溫路用性能的角度來看，以SBS 改性瀝青最佳，K70#基質(zhì)瀝青的效果最差。這說明改性瀝青的適用性較強(qiáng)，可以被應(yīng)用于新疆地區(qū)的路面施工中。

（4）經(jīng)過試驗(yàn)與分析后得知，膠結(jié)料具有更為良好的高溫抗剪能力，雖然受到了荷載作用，但其高溫力學(xué)性能表現(xiàn)依然良好，可以被應(yīng)用于路面工程中。