□文/王 军

沥青由沥青质、胶质、轻组分等有机化合物组成，沥青质更易与氧反应并产生羰基和亚砜化合物，从而导致沥青老化。但沥青老化过程的量化与表征极具挑战性。本文拟通过研究沥青混合料的拉伸强度与老化之间的关系，对沥青老化行为进行分析，其中，不考虑沥青化学老化与混合料老化之间的关系。

沥青混合料施工拌和及铺筑过程中，沥青在高温作用下与氧发生反应，这种现象被称为短期老化。路面在服役过程中，沥青与氧气继续反应，则为长期老化。短期老化和长期老化都可以根据AASHTOR 30—2002《热混沥青（HMA）的混合条件》在试验室内进行模拟。将松散的沥青混合料在154℃下加热2 h或在135℃烘箱内放置4 h，可以模拟试验室下短期老化。将制备的沥青混凝土试件在85℃烘箱中处理120 h（5 d）来模拟长期老化。很多研究人员深入研究了短期和长期老化对沥青流变性能的影响[1～6]；但是，主要集中于沥青和沥青混合料的流变性质，沥青老化对混合料间接拉伸强度的影响，尚未开展深入研究。

间接拉伸强度对现场老化研究具有深远的意义。基于强度准则，间接拉伸强度可以确定沥青混合料与路面开裂性能相关的材料拉伸性能，即较高的间接拉伸强度可以等同于更高的抗开裂性能。而且，间接拉伸强度是横向裂缝模型中的重要输入参数；也是沥青路面抗低温开裂性能的衡量标准。通常情况下，间接拉伸强度作为主要设计参数时，其获取方式均由室内试验来确定。但是，服役期间间接拉伸强度将受到沥青老化、水损害、冻融等多因素的影响。已有研究水分对沥青混合料拉伸强度的影响[7～11]；冻融对沥青混合料抗拉强度的影响[12]。然而，使用间接拉伸强度评价老化效应的研究很少看到。

本文拟通过间接拉伸试验研究长期老化（长期烘箱老化、现场老化）、短期老化对沥青混合料间接拉伸强度和流值的影响。

1 长期老化研究

1.1 材料和试件准备

根据文献［9］，使用Superpave旋转压实仪制备直径150 mm、高度170 mm的试件，将其切制成直径100 mm、厚50 mm的试件备用。根据文献［7,13］，分别测定制备试件的毛体积密度和松散混合物的理论最大密度。处理前，试件空隙率为5.1%～5.9%，平均值为5.4%。

混合料级配采用密级配Superpave-III。设计沥青性能等级为PG76-22，沥青用量为4.4%，最大骨料尺寸为19 mm。

1.2 试件处置方法

试件处理分两种方法：长期烘箱老化和现场老化。烘箱老化中，根据AASHTO R 30—2002，将制备试件在85℃烘箱中放置120 h（5 d），然后打开烘箱门，冷却至室温后再静置16 h，重复该过程5次。现场老化条件中，沥青混合料样本试件放置于室外平滑板面上，只考虑环境因素对试件的老化，从8月开始老化1 a，监测周围环境及路面温度数据。现场老化期间，试件经历了最高气温54℃，最低气温－11℃，冻融周期90次，昼夜温差高26℃。

1.3 间接拉伸试验

根据文献［8］，使用间接拉伸测试装置测定沥青混合料试件的间接拉伸强度值。20℃条件下以50 mm/min速度加载直至破坏，平行件不少于4个。间接拉伸强度由式（1）计算所得。

式中：P、D、t分别为测量峰值荷载、直径、厚度。其中，直径、厚度值取测量平均值。

1.4 结果和讨论

长期烘箱老化试件的间接拉伸试验结果见图1。

图1 不同烘箱老化时间下的间接拉伸试验结果

由图1a可以看出：间接拉伸强度随老化时间的延长而增加，老化1 d试件的间接拉伸强度值比未老化试件增加17.6%，老化5、25 d试件，间接拉伸强度值比未老化试件分别增加28%、31%。表明，大部分老化过程发生在初期，老化5 d后的老化速率明显降低。老化初期间接拉伸强度的急剧增长可能是由于暴露在表层的沥青膜变硬，因试件内部沥青很难与空气接触，导致混合料进一步老化过程中，很难使更多的沥青膜或胶浆变硬。

由图1b可以看出：老化25 d的流值从1.56 mm下降到1.26 mm，随着老化时间增加，试件的脆性不断增加（延性降低）；在初始5 d内，试件脆性的增加速度迅猛。可以认为，试件流值在老化初期突然下降是由于沥青膜硬化，即使在长时间的老化之后，沥青内部也可能还未受到影响，内部沥青的老化过程仍需进一步研究。现场老化试件的间接拉伸试验结果见2。

由图2a可以看出：间接拉伸强度随现场老化时间的增加而增加；尽管在300 d内，两个相邻值看起来很接近，但拉伸强度的增加趋势依然很清晰。经过1 a老化的间接拉伸强度值为1.49 MPa，比未老化试件的间接拉伸强度值增幅19.2%。发展趋势与烘箱老化试验一致，在一定的老化周期后，间接拉伸强度的平均增加。

由图2b可以看出：经过358 d的老化，流值从1.56 mm下降到1.35 mm；在前240 d的老化时间内，脆性增加非常缓慢，当老化时间超过240 d后，流值下降得非常快。这与烘箱老化情况有所不同，推断可能是由于240 d以后刚好处于春季的高频冻融期结束，水分渗入沥青混合料表层空隙，使老化进入了室内试验无法达到的更深处。

图2 不同现场老化时间下的间接拉伸试验结果

将图1a和图2a试验数据进行对比。室内烘箱老化1d和现场老化1 a的间接拉伸强度值几乎相等。通过单因素方差分析，可以得出1 a现场老化试件和1 d烘箱老化试件的间接拉伸强度相等，在统计学中的置信区间为95%。也就是说，以间接拉伸强度作为评价指标，试验室内1 d烘箱长期老化试件的间接拉伸强度值基本接近于大约1 a的现场老化试件。

沥青老化过程还取决于沥青类型、气候环境、级配设计、油石比等，这些本文暂未考虑。

2 短期老化研究

2.1 试样准备及试验

在试件制备之前，根据AASHTO R 30—2002，将不同批次的松散混合料在135℃烘箱下进行短期老化至100 h。期间，使用刮铲将混合物每2 h彻底搅拌一次。随后，将老化后的松散混合物，按照文献［9］方案，使用Superpave旋转压实仪制备试件并切制为直径100 mm、厚50 mm的试件备用。处理前，试件空隙为5.2%～5.9%，平均值为5.5%。

间接拉伸强度试验步骤、参数及数据计算方式与长期老化试验相同。

2.2 结果和讨论

短期老化试件的间接拉伸试验结果见图3。

图3 不同短期老化下的间接拉伸试验结果

由图3a可以看出：在40 h老化时间内，间接拉伸强度随老化时间的增加而增加，之后其随着老化时间的增加而有所下降；老化40 h后，间接拉伸强度从1.25 MPa提高到1.66 MPa；100 h老化后，间接拉伸强度值为1.14 MPa，比未老化试件降低9%。可能是松散混合料在40 h的老化过程中，沥青膜或胶浆会过度氧化，使沥青膜或胶浆失去其粘合性和粘度，从而导致压实混合料的拉伸强度降低。

由图3b可以看出：随着老化时间的增加，流值持续下降。短期老化试件的延展性随着老化周期将持续下降。与压实混合料不同，当加热松散混合料时，整个混合料都被老化，这就是混合料脆性随老化周期持续增加的原因。根据短期老化试验结果可知，混合料在拌和时应尽可能减少加热时间不致沥青薄膜或胶浆过度氧化。

3 结论

1）以间接拉伸强度作为评价标准，Superpave-III型沥青混合料试验室内烘箱老化1 d相当于当地气候条件下现场老化1 a。但本研究并未涉及诸如沥青类型、气候环境、级配设计、油石比等因素对老化过程的影响，因此，需要进一步开展验证研究。

2）试验室长期烘箱老化和现场老化试件的间接拉伸强度值均随着老化时间的延长而增加。沥青混合料在松散状态下短期老化后成型的试件，其间接拉伸强度值随着老化周期先增加后减小，存在峰值。

3）在不同老化模式和条件下，沥青混合料试件的流值均随着老化时间的增加而减小（脆性增加）。