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第十章 沥青路面的使用性能
沥青路面通长用于铺筑路面的面层，它直接受荷载作用和大气因素的影响，同时沥青混合料的物理，力学性质受气候因素与时间因素影响较大，因此为了能使路面给车辆提供耐久的服务，必须要求沥青路面具有以下的耐久性。
(1) 抗老化性能 即抵抗沥青路面受气候影响逐渐丧失粘韧性等各种良好性能的能 力。这是由于沥青路面在施工过程中，不可避免地要对沥青进行反复加热，以及路面长期处与大自然环境中，也要经受阳光，紫外线等自然因素作用，均会使沥青性质发生变化，从而产生老化，导致沥青路面性能衰减。
（2）耐疲劳性能 即沥青路面在反复荷载作用下，抵抗破坏的能力。它是由于沥青 路面在使用期间经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数以后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面产生裂纹，产生断裂破坏。
（3）水稳定性 即路面抵抗受水的侵蚀逐渐产生沥青膜剥离，掉粒，松散，坑槽而破坏的能力。这是由于水分的存在不仅降低了沥青苯身的粘结力，同时也破坏了沥青与矿料间的粘聚力，从而加速了剥落现象的发生，造成了道路的水损坏。
（4）抗滑特性 车辆在路面上高速行驶时，如果轮胎与路面间的抗滑力很小，特别是路面在潮湿状况下，轮胎与路面间的水膜阻隔轮胎与路面接触，引起水动力效应，使粘着力完全破坏，导致轮胎沿路面滑动，最容易产生滑溜事故。车辆高速行驶时，制动距离加长，若同时紧急转向或制动，更容易引起滑溜危险。
抗老化性能，耐疲劳性能，水稳定性及抗滑特性，称为沥青路面使用性能。
第一节 沥青路面耐久性
沥青材料在沥青混合料的拌和，摊铺，碾压过程中以及以后沥青路面使用过程中，都存在老化问题。老化过程一般也分为两个阶段，即施工过程中热老化和路面使用过程中的长期老化（氧化）。对于沥青材料来说，评价其抗热老化能力，一般用蒸发损失，薄膜烘箱及旋转薄膜烘箱试验来进行，而评价长期老化性能则用压力老化试验等。沥青混合料在拌和过程中的老化程度主要有关，同时与沥青升温，贮存的时间，脱水搅拌的程度及光，氧等因素也有密切的关系。当沥青混合料路面碾压成型后，沥青混合料的抗老化能力就不只与沥青材料有关，除了与光，氧等自然气候条件有关外，也与沥青在混合料中所处的形态有关，如混合料空隙率太小，沥青用量等。当沥青混合料产生老化后，会导致沥青路面路用性能的降低。
1．沥青的老化及老化原因
沥青的耐久性是影响沥青路面使用质量和寿命的最主要因素。路面铺筑时受加热作用， 路面建成后受自然因素和交通荷载作用，沥青的技术性能向着不理想的方向发生不可逆的变化即沥青的老化。受沥青老化的制约，沥青混合料的物理力学性能随着时间的推移逐年降低直至满足不了交通荷载的要求。
图案10-1示出沥青的老化过程。在路面施工中沥青始终处于高温状态，受热会产生短期老化或施工期老化和热老化；路面使用期内沥青长期裸露在自然环境中，同时还要受到汽车交通等应力的作用而产生长期老化或使用期老化。
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图10-1 沥青的老化
沥青的短期老化可分为三个阶段。 (1) 运输和贮存过程的老化
沥青从炼油厂到拌和厂的热态运输一般在70摄氏度左右，进入贮油罐或池中温度有所 降低，调查资料表明，这一阶段里沥青的技术性能几乎没有变化，这可能与油罐密封和接触空气面积小有关。因此，在运输过程中沥青的老化非常小。 （2）拌和过程中的热老化
沥青与骨料加热拌和过程中，沥青是在薄膜状态下受到加热，比运输过程中的老化条件严酷的多。沥青混合料拌和后，40/60级沥青针入度降低到拌和前沥青针入度的85%，60/80级沥青针入度降低到80%，这说明拌和过程引起的老化是严重的，是沥青短期老化最主要的一个阶段。
（3）拌和后施工期的老化
沥青混合料拌和后，运到施工现场摊铺、碾压完毕降温至自然温度，这一过程中裹覆石料的沥青薄膜仍处于高温状态。从图10-2沥青针入度的变化可以看出，沥青混合料摊铺、碾压和降温期间，沥青的热老化会进一步发展。
图10-2 沥青针入度随时间变化
混合料中沥青的长期老化是一个漫长而复杂的过程，从图10-3，10-4，10-5可以看出：
（1）沥青路面使用性能早期针入度急剧变小，其后继续变小，但变化缓慢。虽然急剧
变化的时间因路面所在的地区的气候、交通量和沥青品种的不同而不同，但大体在使用1年至4年之间。
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（2）沥青老化主要发生在路表与大气接触部分，因此路面表层沥青老化的发展比面层
内部的沥青要迅速，在深度0.5cm左右处的沥青针入度降低幅度是相当大的。 （3）沥青混合料的空隙率是影响沥青老化的主要因素。路面边缘沥青的老化要比路中
行车带沥青的老化严重，这可能是在车辆行驶部分，由于交通荷载作用，使路面更加密实，空隙率变小的缘故。
（4）当路面中沥青针入度减小至35-50之间时，路面容易产生开裂，针入度小于25
时路面容易产生龟裂。
图10—3
图10—4 图10-5
导致沥青老化的原因最早由A.W.Dow提出的。1903年他发表文章认为，沥青混合料中的沥青由于加热使得质量恶化和针入度减小。1961年Tyaxler通过试验得出沥青老化的原因是：（1）氧化；（2）挥发；（3）接触时间（处于结构层时）；（4）光照导致的聚合；（5）由于加热引起的缩聚反应。
1963年Traxler列出了引起沥青老化的15条原因，见表10-1所示。他将光化学作用引起沥青的老化分为直射光和反射光两种作用，把微生物引起沥青变质硬化也作为影响沥青
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老化的因素之一。1984年Peterson将沥青老化的15条原因归纳为三条，它们是：
（1）通过挥发和吸收使沥青油份减少；
（2）与空气中氧反应，使沥青组成发生变化； （3）沥青分子结构产生触变位组导致硬化。
目前大多数研究人员在研究分析沥青及沥青混合料老化问题时，将沥青老化的原因都 集中在Peterson所述的三种因素上。
引起沥青短期老化的原因 表10-1 影 响 因 素 发 生 部 位 序 原因 时间 加热 氧气 阳光 射线 路表 路面整层 号 1 氧化作用（暗处） * * * * * * * * / * * * * * * * * * / * / / / / / / * / / / * / * / * * * / / / / * / / / / / / / / / / / / / * / / / / / * * * * * * * * * * * * * * * / / * / * * * * / * / * / * * * 2 光照作用（直射） 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 挥发作用 * 光照氧化（反射） * 光化学作用（直射） 光化学作用（反射） 聚合作用 分子间结构变化（位阻） 油份的渗出（收缩） 核能的改变 水的作用 固体吸收 固体表面成分吸收 界面的化学反应和催化作用 微生物的变质作用 * * * * * * * * * * * 注：相关因素为“*”，不相关因素为“/”。
2．沥青混合料老化试验方法及评价
沥青路面施工时，沥青及沥青混合料需要在空气介质中进行加热，路面建成后，长期暴露在大气环境中，经受光照、降水、气温变化等自然因素的作用，同时还要受到汽车等应力作用，因此沥青混合料的老化性能更接近沥青路面的使用性能，这种评价和预测沥青路面的耐久性更有实际意义。
1）室内模拟沥青混合料老化试验方法
SHRP将沥青混合料的老化分为两个阶段，短期老化和长期老化。短期老化表征沥青路面建设期沥青混合料因受热引起的老化，开始于拌和厂，终止于沥青路面压实后温度降至自然温度；长期老化表征沥青路面使用期内，沥青混合料因光照、温度、降水和交通荷载的综合作用导致的老化，开始于路面建成之后，终止于路面服务性能下降至不满足行车的要求。
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（1）短期老化的试验方法
短期老化的试验方法应体现松散混合料在拌和、贮存和运输中受热而挥发和氧化的效应，以模拟沥青混合料施工阶段的老化效果，SHRP根据以往沥青混合料短期老化的方法提出了三种方法，它们是：烘箱老化法、延时拌和法、微波加热法。
按模拟施工条件，使用复杂程度，设备投资费用等七个标准对三种试验方法有效性的评价结果见表10-2。
表10-2
老化方法 标准 模拟施工条件 使用复杂程度 设备投资费用 现有经验 可靠性或标准性 对混合料变化 的敏感性 其 它 烘箱加热法 好 易于使用，无特殊设备 中等 甚少 不确定 不确定 与TFOT类似 延时拌和法 模拟拌和 易于使用，试验室搅拌器或改变的RTOFT 中等 无 不确定 不确定 与RTFOT类似 微波加热法 不相同 易于使用 中等 非常少 不确定 不确定
从模拟施工条件好，易于使用，设备投资费用等方面来看，烘箱加热法被认为是室内模拟沥青混合料短期老化的最有效的方法。温度和时间效应是烘箱加热法控制沥青混合料老化程度的重要条件。SHRP将烘箱加热法拟定为沥青混合料短期老化的试验方法。该试验条件是将混合料置于135℃±1℃的强制通风箱中老化4h±5min,而后测定其力学性质。
通过不同工程沥青路面钻芯取样与按STOA方法制成试件的回弹模量试验给予了比较（表10-3），结果四个工地的钻芯取样分别与4h-STOA和8h-STOA混合料试件的回弹模量相近，这说明沥青混合料4h-STOA、135℃的试验过程代表了沥青混合料在施工阶段的一个水平。
沥青混合料回弹模量试验 4-36 工地编号 试件条件 0h STOA 4h STOA 8h STOA 12h STOA 野外芯样 回 弹 模 量（MPA） 913 1729 3428 7083 / 4120 816 1350 2324 3507 / 2777 852 / 3927 5050 6173 5512 874 / 2349 5601 / 5485 （2）长期老化试验方法
沥青混合料试验室长期老化试验方法应本着着重体现沥青混合料压实成型试件持续氧化效应，以模拟使用期内沥青路面的老化效果。SHRP总结了以往研究成果提出了三种方法：加压氧化处理，延时烘箱加热，红外线/紫外线处理。
上述三种试验方法的有效性评估见表10-4。从体现野外条件、易于实施、设备投入不高，可敏感地反映沥青混合料性能变化，延时烘箱加热和加压氧化处理是混合料试验室长期老化方法中最有效的方法。
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