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有限公司，河北 邯鄲 056002；2.河北工程大學 土木工程學院，河北 邯鄲 056107)

瀝青混合料從生產到使用過程中會經歷不同程度的老化，這會降低其使用年限[1-2]，但若每年對瀝青路面的維修，會造成巨額的經濟損失和資源浪費[3]，因此研究瀝青混合料路面的老化性能對提高瀝青混凝土路面的服務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構復雜[5-6]，單一指標評價瀝青老化不能全面細致反映混合料的老化性能。許多研究者針對瀝青路面的老化問題，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]等方面進行研究。Irganox 1010為常用的一種烷基多酚類受阻酚抗氧劑，其結構中含有酚羥基，易釋放出氫原子。通過質子給予作用，破壞自由基自動氧化鏈反應，在這一反應過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程產生的活性自由基，進而終止第二個動力學鏈，這對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用于瀝青路面中，高穎等[15]研究了玻璃纖維對高粘排水瀝青混合料路用性能的改善效果，當其摻量為0.2%、0.4%時，可顯著提高其路用性能；Luo等[16]研究了玻璃纖維摻量對瀝青混合料路用性能的影響，結果表明纖維在較高含量下可增強瀝青混合料的抗開裂能力，并確定增強其路用性能所需玻璃纖維的摻量為0.3%。然而，國內外學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，對長期老化性能的研究相對較少，故很有必要研究玻璃纖維瀝青混合料的長期老化性能。

為此，本文以玻璃纖維瀝青混合料為基礎材料，采用Irganox 1010作為抗老化外摻劑對玻璃纖維瀝青混合料進行改性處理，通過馬歇爾試驗、半圓彎拉試驗以及凍融劈裂試驗分析摻入Irganox 1010對玻璃纖維瀝青混合料抗老化性能的改善效果，確定在各溫度環境下Irganox 1010摻量對其抗老化等性能的影響規律。

1 試驗材料

采用AH-70#瀝青，基本指標見表1。試驗所用集料為玄武巖集料，粗集料密度為2.723 g/cm3，細集料密度為2.713 g/cm3，試驗級配為JTG F40—2004《瀝青路面施工技術規范》推薦的AC-16型中值級配，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，并結合朱春鳳、黃珊等[17-18]的研究成果，選取長度為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，在加熱處理過程中發生較少的質量損失，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%，其基本物理指標見表3。

表2 玻璃纖維基本物理性能指標

表3 Irganox 1010基本物理指標

2 試驗方案

試驗根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，采用烘箱加熱法對玻璃纖維瀝青混合料進行室內模擬短期老化與長期老化。短期老化溫度保持在135 ℃±3 ℃，時間為4 h；長期老化溫度保持在85 ℃±3 ℃的烘箱中，時間為10 h±0.5 h。

通過馬歇爾試驗評價抗裂防老化復合改性瀝青混合料的高溫穩定性，采用馬歇爾穩定度作為高溫性能評價指標，另外，采用老化指數IA來表征玻璃纖維瀝青混合料性能對長期老化作用敏感性。老化指數按下式計算：

(1)

式中：LT1為玻璃纖維瀝青混合料長期老化后的試驗結果；LT0為玻璃纖維瀝青混合料未老化時的試驗結果。

采用間接拉伸試驗分析Irganox 1010對凍融前后未老化以及長期老化玻璃纖維瀝青混合料的抗裂性影響，在此過程中利用數字散斑圖像技術測定試件表面的拉伸應變，測定標距為50 mm。選用破壞勁度模量、破壞拉伸應變作為評價指標，并采用DIC實測破壞拉伸應變。另外，采用凍融劈裂抗拉強度比TSR來評價Irganox 1010的摻量對玻璃纖維瀝青混合料的長期老化前后的水穩定性能。

為綜合對比分析低溫(-10 ℃)和中溫(20 ℃)條件下Irganox 1010對玻璃纖維瀝青混合料抗裂性和防老化作用改善效果，本文通過半圓彎拉試驗，并借助DIC測定全場應變(測定標距為50 mm)進行研究。在低溫和中溫條件下，加載速率分別為1 mm/min和50 mm/min。對試件進行中心預切縫處理，長度為10 mm。采用層底抗拉應變、斷裂能來綜合評價長期老化前后玻璃纖維瀝青混合料抗裂性，分析Irganox 1010對玻璃纖維瀝青混合抗老化性能的改善效果。各評價指標分別按下式計算：

(2)

(3)

式中：ε為層底抗拉應變；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 試驗結果分析

3.1 抗老化玻璃纖維瀝青混合料高溫性能

對不同Irganox 1010摻量下的復合改性瀝青混合料進行馬歇爾穩定度試驗，結果如圖1所示。

圖1 復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，長期老化與未老化玻璃纖維瀝青混合料的馬歇爾穩定度均呈下降趨勢，表明Irganox 1010摻入會降低玻璃纖維瀝青混合料的高溫強度。當Irganox 1010摻量相同時，經長期老化的玻璃纖維混合料的馬歇爾穩定度較未老化的高，這是由于瀝青經過長期老化后自身粘度上升且質地較脆，導致瀝青混合料抗壓回彈模量增大，強度提高。此外，與未老化試件相比，長期老化試件的馬歇爾穩定度受Irganox 1010摻量影響較大，隨摻量的增加，穩定度呈明顯下降趨勢。未摻加Irganox 1010試件的馬歇爾穩定度為13.29 kN，摻量為10%時，馬歇爾穩定度為9.05 kN，下降了31.9%。由圖1老化指數的變化可看出，老化指數隨Irganox 1010摻量的增加而逐漸下降。未摻加Irganox 1010時，老化指數為1.36，當Irganox 1010摻量增加到10%時，老化指數最小為1.05，此時最接近于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 低溫半圓彎拉試驗結果分析

對不同Irganox 1010摻量下的復合改性瀝青混合料進行低溫半圓彎拉試驗，結果如圖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，且當Irganox 1010摻量為1%時，層底抗拉應變量值最大，表明隨Irganox 1010摻量的增加，對玻璃纖維瀝青混合料的極限拉應變存在不利影響；而較低的Irganox 1010摻量對混合料的低溫破壞應變起到積極的作用。因此，若單方面考慮玻璃纖維瀝青混合料的低溫抗裂性時，Irganox 1010摻量為1%時抗裂性能最優。相較未老化玻璃纖維瀝青混合料，長期老化后混合料的層底抗拉強度和斷裂能較低，其原因一是長期老化后瀝青的流動降低，在低溫條件下更易發生脆性斷裂；二是長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老化指數的變化可看出，隨Irganox 1010摻量的增加，老化指數不斷增加，在摻量為10%時其值達到最大，為0.96，此時混合料的抗老化性最佳。

3.2.2 中溫半圓彎拉試驗結果分析

對不同Irganox 1010摻量下的復合改性瀝青混合料進行中溫半圓彎拉試驗，結果如圖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變和斷裂能隨Irganox 1010摻量的增加表現出不同的變化規律。未老化玻璃纖維瀝青混合料的層底抗拉應變和斷裂能隨Irganox 1010摻量的增加而增加，摻量10%時其值最大。長期老化后，混合料的斷裂能仍呈逐漸遞增趨勢，但層底抗拉應變隨Irganox 1010摻量的增加出現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。

長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果恰好相反。這主要是因為瀝青在溫度較高時粘性增大，增加了瀝青與集料之間的粘結力，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變以及斷裂能明顯大于低溫條件，據此可知，溫度對玻璃纖維瀝青混合料的抗裂性影響較大。

由圖3老化指數的變化可見，當Irganox 1010摻量為5%時，老化指數最接近于1，為0.97，其他摻量下混合料的老化指數均較低，此時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定性能

1)水穩定性

對不同Irganox 1010摻量下的復合改性瀝青混合料進行凍融劈裂試驗，結果如圖4所示。

(a)未老化凍融前后的劈裂抗拉強度

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度出現先減后增的趨勢。摻量為1%、5%時，Irganox 1010玻璃纖維瀝青混合料的劈裂抗拉強度與對照組相比變化不大；當摻量為10%時，較對照組，凍融前后的劈裂抗拉強度分別提高了11.6%和17.6%。

由圖4(b)可見，在長期老化條件下，當Irganox 1010摻量為1%時，混合料的劈裂抗拉強度較其他摻量的情況仍處于相對較低的水平。通過對比長期老化前后劈裂抗拉強度值可知，長期老化后試件的劈裂抗拉強度相較于未老化時有明顯提高，這主要是因為長期老化后模量升高所導致。由TSR的變化可以看出，老化前后，摻量為1%時TSR值最大，說明此時混合料的水穩定性最佳。綜合考慮Irganox 1010對玻璃纖維瀝青混合料水穩定性的影響及其經濟性，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

在凍融循環條件下，不同Irganox 1010摻量的復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，當試件在不同條件時，長期老化后的破壞模量較大，這與長期老化后玻璃纖維瀝青混合料變硬變脆有直接關系，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，試件老化指數表明Irganox 1010摻量對試件的抗老化性影響不大，摻量為5%、10%時，其值最接近于1，相較對照組下降了6.57%。凍融條件下試件的老化指數受Irganox 1010摻量影響較大，摻量為1%和5%時，老化指數值最接近于1，相較對照組下降了33.3%，表明其對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對玻璃纖維瀝青混合料抗老化性影響更為顯著。

4 結論

1)馬歇爾試驗結果表明，經長期老化后，玻璃纖維瀝青混合料的馬歇爾穩定度要高于未老化時。隨Irganox 1010摻量的增加，馬歇爾穩定度逐漸降低，但混合料的抗老化性逐漸增加，摻量為10%時，老化指數為1.05，最接近于1，此時老化前后馬歇爾穩定度相比于未摻加時降低了8.53%和19.31%。

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

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

4)凍融劈裂試驗結果表明，長期老化作用對玻璃纖維瀝青混合料的水穩定性存在不利影響。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，混合料各項性能均達到最優。