服役瀝青路面各結構層老化性能及影響因素研究

喻安鳳

（貴州路橋集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

瀝青路面服役期間，為減小瀝青老化對瀝青路面服役性能的不利影響，瀝青路面建設階段，可通過評估瀝青路面各結構層老化性能，為瀝青路面道路養護提供依據[1]。該文通過試驗的方法展開瀝青路面各結構層老化性能及影響因素研究，具有十分重要的現實意義。

1 瀝青的老化及再生機理

1.1 瀝青的老化

瀝青的老化是指從石油中提取的瀝青，經過儲存、運輸、施工、運營等多種環境條件的影響，在熱、空氣、陽光、水等條件下，發生一系列不可逆的物理化反應，從而改變瀝青的物理性能[2]。瀝青路面的老化使其膠結強度和韌性降低，使其結構變得堅硬、易碎，使路面出現裂縫、松散和脫落，影響路面的抗剪切和抗沖擊能力。與新的瀝青混合料路用性能相比，嚴重老化的瀝青混合料表現為粘稠度高和柔韌性差。導致瀝青老化的因素很多，如：瀝青中的輕質成分的揮發、瀝青在陽光和空氣中的不可逆化學改變等。

1.2 瀝青的再生

舊瀝青的再生，在一定程度上是瀝青老化的反向過程。利用瀝青膠體學原理，研制出一種適用于瀝青再生的再生工藝，使其恢復到原有的穩定狀態，具有優良的道路使用性能，并投入到實際項目中。老化的瀝青可按生產工藝中的瀝青調和原則，在老化瀝青中添加新的瀝青。

通過加入低分子量的輕質油料，可以彌補瀝青老化時所流失的輕質成分，恢復溶液的穩定性及使用性能。為能確?；旌虾蟮臑r青具有較好的穩定性，也可以適當添加新的瀝青。

2 試驗方案

（1）某瀝青道路原為雙向兩車道高速公路，道路服役10年后，因原有車道無法滿足道路交通需求，擴建為雙向四車道，迄今該道路服役年限已達20年。

（2）瀝青道路瀝青老化性能試驗，通常采用“三氯乙烯溶劑”從瀝青混合料中抽提回收瀝青。

（3）試驗步驟：1）采用室內試驗的方式，評價瀝青回收試驗可行性；2）采用抽提試驗回收路面不同斷面芯樣老化瀝青樣本；3）檢測不同交通量、空隙率、路齡瀝青針入度、軟化點、延度指標，分析不同影響因素對瀝青老化性能的影響；4）瀝青老化性能對比試驗方案見表1。

表1 瀝青老化性能對比試驗方案

3 瀝青回收試驗可行性驗證

3.1 試驗方法

利用離心分離法開展瀝青抽提試驗，試驗步驟如下：

（1）取一定量的瀝青抽提液，注入已清洗干燥的旋轉燒瓶，將旋轉燒瓶置于離心分離器，保持離心加速度770 g以上，高速旋轉離心30 min。

（2）將經離心分離處理的溶液置于蒸發容器，在6.67 kPa的負壓、（50±5）℃環境下中蒸發處理，析出溶液中的礦粉。

（3）蒸發試驗完畢15 min內，提升蒸發器中溫度至（155±2）℃。

（4）分離試驗完畢后，設置離心分離器速率為1 000 mL/min，通入CO2氣體2 min，去除殘留的C2HCl3蒸汽。

（5）瓶中剩余殘留物即為回收瀝青。

3.2 方案可行性驗證

試驗中原始樣本為70#道路瀝青，用樣本1#表示，回收瀝青樣本用樣本2#表示，原始樣本與回收樣本針入度、軟化點、粘度指標對比結果見表2。

表2 原始瀝青1#和回收瀝青2#的三大性能指標試驗結果對比

由表2可知：

（1）試驗結果顯示，原始瀝青與回收瀝青軟化點變化率為1.8%，針入度變化率為2.2%，變化率均較??；年度變化率最大，為6.9%，仍處于允許變化范圍內。

（2）原始瀝青與回收瀝青三大性能指標變化率均處于允許變化范圍內，表明離心法對回收瀝青性能影響較小，基本可以忽略不計。

4 瀝青老化性能評價及影響因素分析

瀝青道路服役期間，其老化性能除受材料自身老化性能影響外，也會受到所處自然環境作用影響，如環境水侵蝕、紫外線照射、周期性凍融變化等。為進一步研究瀝青路面老化性能隨長期車載、瀝青混合料空隙率、道路服役年限變化規律，利用抽提試驗抽提案例道路代表芯樣中回收瀝青，檢測回收瀝青三大性能指標，評價道路交通量、混合料空隙率、道路服役年限對瀝青老化性能的影響[3]。

4.1 交通量因素分析

通過試驗檢測表1中各道路結構層回收瀝青樣本在不同交通量下的針入度、軟化點、延度指標（表1中A、B、C代表不同交通流量）；試驗結論見圖1～圖3。

圖3 不同交通量狀況下瀝青路面各層的15 ℃延度

由圖1～3可知：1）道路服役10年后，各結構層瀝青膠結料老化程度較輕；2）案例瀝青道路各結構層回收瀝青料老化程度隨各結構層深度增加而降低，道路面層中回收瀝青料老化最為嚴重，基層回收瀝青老化程度明顯降低；3）A斷面處瀝青路面交通量最小，該斷面處回收瀝青老化程度較高；B端面處瀝青路面交通量最大，該斷面處回收瀝青老化程度較低；該現象可能是因為高交通量會對瀝青路面進行進一步碾壓，致使瀝青路面混合料空隙率減小，延緩了瀝青老化。

圖1 不同交通量狀況下瀝青路面各層的針入度

圖2 不同交通量狀況下瀝青路面各層的軟化點

4.2 空隙率因素分析

（1）瀝青路面服役期間，瀝青混合料中有機成分與空氣中的氧氣反應，瀝青中CH3基團、CH2基團、羧酸基團產物不斷堆積增加，各種有機分子相互作用雜糅，形成復雜的高分子膠團，致使瀝青硬度隨粘度增加而增大，影響瀝青道路路用性能，瀝青老化的根本原因是氧化反應。

（2）依據案例瀝青道路交付驗收數據，檢測不同瀝青混合料空隙率攤鋪道路服役15年后回收瀝青性能指標，結果見表3。

（3）由表3可知：服役15年后，攤鋪瀝青混合料空隙率為4%時回收瀝青三大性能指標變化最小，空隙率為5%次之，空隙率為7%時回收瀝青基本性能指標變化最大，其針入度減小約64%，軟化點增加約34%，表明瀝青混合料空隙率是影響瀝青老化性能的重要因素，該結果也為交通量較大斷面處回收瀝青老化程度較小的現象解釋提供了依據。

表3 不同空隙率瀝青混合料回收瀝青試驗結果

（4）基于以上論證，進一步分析該道路2012年、2014年、2017年交通狀況及A、B和C斷面空隙率情況，2017年該道路A、B和C斷面各結構層芯樣的空隙率檢測結果見表4。

表4 各斷面交通量狀況及不同層位芯樣的空隙率

（5）瀝青混合料配比、施工質量控制效果、壓實效果、道路交通量、重載交通狀況、道路養護狀況、道路服役環境等均會對瀝青老化性能產生影響，試驗表明瀝青混合料空隙率是影響瀝青老化程度的直接影響因素。由表4可知：

1）隨道路車流量增加，瀝青路面混合料在車載作用下，空隙率隨之降低，且道路車流量越大，重載交通占比越多，道路空隙率減小速率越大。2）各試驗斷面交通量狀況為B斷面＞C斷面＞A斷面；瀝青路面上層結構空隙率狀況為A斷面＞B斷面＞C斷面，中間層為A斷面＞C斷面＞B斷面，下層為C斷面＞A斷面＞B斷面，表明瀝青老化程度與瀝青道路車流量呈負相關，與瀝青路面鋪筑混合料空隙率呈負相關。

4.3 路齡影響因素

A、D斷面均為案例道路第一車道，下層均采用70#普通瀝青且交通量相近，故通過對比分析A、D量斷面回收瀝青性能指標，研究瀝青路面服役年限對瀝青老化性能的影響，結果見圖4。

圖4 老路瀝青的三大性能指標

由圖4可知：

（1）D-下斷面回收瀝青軟化點、針入度指標至介于A-上、A-下之間。

（2）道路服役20年后，下面層回收瀝青三大性能指標參數基本無變化，瀝青老化程度受道路服役年限影響程度較小。

5 瀝青混合料抗老化性能的改善建議

基于上文揭示的各影響因素對瀝青老化性能影響程度規律，從以下兩個方面提出瀝青老化性能改善措施：

（1）優化瀝青混合料結構，瀝青混合料粗、細集料盡量選用吸水率較小的材料，增加瀝青道路攤鋪壓實度，降低混合料空隙率，減少瀝青膠結料與空氣接觸，延緩瀝青氧化[4]。

（2）摻入瀝青抗老化劑，改善瀝青材料特性。實踐證明，優化瀝青混合料結構可起到延緩瀝青氧化老化的作用，但無法從根本上解決瀝青混合料老化問題。向瀝青中摻入抗老化劑等改性劑的方式，可有效改善瀝青抗老化性能，提升瀝青道路耐久性、延長道路服役年限，且摻入瀝青改性劑等方式工程經濟性更加優異。

6 結論

該文以某服役瀝青路面為依托，針對瀝青老化現象進行試驗，選擇70#基質瀝青及回收瀝青進行對比分析。主要分析結論如下：

（1）對比分析回收瀝青與原始瀝青針入度、軟化點、延度指標，發現回收瀝青針入度、軟化點、延度變化率分別為1.8%、2.2%、6.9%，瀝青性能各項基本指標變化率均處于允許范圍內，表明瀝青回收基本不會影響瀝青性能。

（2）瀝青道路服役10年后，各結構層回收瀝青老化程度隨結構層深度增加而降低，面層回收瀝青老化最為嚴重，但總體較輕；瀝青服役20年后，下面層回收瀝青三大性能指標均無明顯變化，表明瀝青老化程度受道路服役年限影響較小。

（3）瀝青道路回收瀝青老化程度與瀝青道路交通量呈負相關，與瀝青道路空隙率呈正相關；瀝青道路車流量增加會增加道路密實性，減小空隙率，延緩瀝青膠結材料老化。

（4）道路建設階段，可采取優化混合料結構、摻入瀝青改性劑提升混合料抗老化性能。