紫外光老化瀝青混合料低溫抗劈裂性能研究

李惠霞， 蔡正森， 童申家

(1.河南城建學(xué)院 交通工程學(xué)院， 河南 平頂山　467000；　2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安　750000)

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紫外光老化瀝青混合料低溫抗劈裂性能研究

李惠霞1， 蔡正森1， 童申家2

(1.河南城建學(xué)院 交通工程學(xué)院， 河南 平頂山467000；2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安750000)

[摘要]從不同油石比的瀝青混合料在不同級(jí)配、不同紫外光照時(shí)間下，采用低溫劈裂試驗(yàn)的方法，分別對(duì)紫外光照前后瀝青混合料的低溫抗裂性能行研究。試驗(yàn)選擇AC-13和AC-16瀝青混合料的三種不同級(jí)配分為S0、S1和S2型，并分別設(shè)置3種不同油石比，不同老化時(shí)間為室內(nèi)紫外光照時(shí)間0、97、194、292、388，583 h，制作瀝青混合料試件進(jìn)行紫外光老化。對(duì)紫外老化前后的試件進(jìn)行在低溫環(huán)境箱中進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，根據(jù)其劈裂強(qiáng)度變化，分析其低溫抗劈裂性能，明確光老化時(shí)間對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性能的影響，以及為瀝青混合料合理配合比設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]瀝青混合料； 紫外光老化； 級(jí)配； 光照時(shí)間； 低溫抗裂

0前言

從建國(guó)以來(lái)我國(guó)公路建設(shè)發(fā)展迅速，而且隨著“八五”、“九五”期間戰(zhàn)略重心的轉(zhuǎn)移，國(guó)家加大了對(duì)西部投資的力度。近年來(lái)，在內(nèi)蒙古、西藏等地區(qū)的公路工程大力開(kāi)展起來(lái)，截止到2011年，內(nèi)蒙古地區(qū)公路里程已經(jīng)達(dá)到160 995 km，且廣泛運(yùn)用了瀝青混凝土路面[1，2]這些地區(qū)的特點(diǎn)是海拔高，晝夜溫差大，主體日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽(yáng)輻射能量大，太陽(yáng)光譜中紫外光比例高，屬于強(qiáng)紫外輻射地區(qū)。雖然紫外線的輻射深度很小，但是由于路面存在空隙，強(qiáng)紫外光對(duì)路面的影響可達(dá)到1 cm左右，紫外光老化是瀝青路面老化的一種主要形式。而且，我國(guó)大部分地區(qū)都受到強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射的影響。從總體上看，全國(guó)各地的太陽(yáng)輻射年總量達(dá)到335～837 kJ/cm2，平均值為586 kJ/cm2。從分布上看，西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉林西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺(tái)灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽(yáng)輻射量很大。其中，青藏高原的輻射量最大，其太陽(yáng)輻射強(qiáng)度達(dá)到了816 kJ/cm2；四川盆地則因?yàn)橛甓?、霧多則太陽(yáng)輻射量居于全國(guó)最低位[3]。

瀝青路面較水泥混凝土路面有連續(xù)性好、行車舒適、抗震性好、易修復(fù)、噪聲低、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)大部分地區(qū)廣泛應(yīng)用[4]。但是瀝青混合料在光、熱、水、復(fù)雜氣候、荷載作用等多種條件下其使用性能隨時(shí)間逐漸降低[5]，傳統(tǒng)的研究只注重瀝青材料老化研究，對(duì)瀝青混合料的老化研究很少[6]。并且瀝青材料在瀝青混合料的拌和、攤鋪、碾壓過(guò)程中以及以后瀝青路面的使用過(guò)程中都存在老化現(xiàn)象。瀝青混合料的老化使得瀝青膠漿的柔性和與集料之間的粘附性能降低[7，8]，瀝青膠結(jié)料的脆性增加，導(dǎo)致瀝青混合料在低溫狀態(tài)下抗劈裂性能下降，是瀝青路面出現(xiàn)裂縫的重要影響因素之一。裂縫的產(chǎn)生，影響瀝青路面的使用性能，降低瀝青路面的使用壽命[9，10]。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室加速瀝青紫外光老化試驗(yàn)儀模擬瀝青混合料在不同紫外光照和不同光照時(shí)間下瀝青混合料老化，并且通過(guò)調(diào)整不同集料級(jí)配，不同油石比等配合比。研究了不同光照時(shí)間、不同級(jí)配和不同油石比下的紫外光老化瀝青混合料的低溫抗裂性能。

1材料的基本性能

為了研究瀝青混合料的紫外光老化的性能，除了具有紫外老化加速設(shè)備進(jìn)行紫外光老化，還需要對(duì)紫外光老化試驗(yàn)的材料性質(zhì)進(jìn)行明確。本試驗(yàn)選擇AC-13和AC-16瀝青混合料的3種不同級(jí)配為S0、S1和S2型，并分別設(shè)置3種不同油石比，制作瀝青混合料試件進(jìn)行紫外光老化。

1.1瀝青材料的基本性能指標(biāo)

本文采用SBS改性瀝青，其基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 SBSI-C改性瀝青實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table1 SBSI-Cmodifiedbitumenresults檢測(cè)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)值試驗(yàn)值試驗(yàn)方法針入度/0.1mm60～8065.6T0604延度/cm≥30 42.0T0605軟化點(diǎn)/℃≥55 66.1T0606閃點(diǎn)/℃≥230 275T0611溶解度/%≥99 99.2T0607密度/(g·cm-2)實(shí)測(cè) 0.987T0603

1.2集料的基本性能指標(biāo)

本試驗(yàn)采用的集料是石灰?guī)r，粗集料的基本性能指標(biāo)如表2所示，細(xì)集料的基本性能指標(biāo)如表3所示。

表2 粗集料的基本性能指標(biāo)Table2 Basicperformanceindicatorsofcoarseaggregate檢測(cè)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)值20～4010～205～10試驗(yàn)方法壓碎值/%≯2815.7 ——T0316-2000洛杉磯磨耗損失/%≯3010.4T0317-2000表現(xiàn)相對(duì)密度≮2.52.6142.6322.639T0304-2000毛體積相對(duì)密度實(shí)測(cè)值2.5382.5232.531吸水率/%≯3.01.13 1.65 1.61 堅(jiān)固性/%≯126.9 ——T0314-2000針片狀顆粒狀況/%要求值15 15 15 T0312-2000實(shí)測(cè)值8.1 9.3 9.2 小于0.075mm顆粒含量(水洗法)/%≯10.1 0.3 0.4 T0310-2000

表3 細(xì)集料的基本性能指標(biāo)Table3 Basicperformanceindicatorsfineaggregate檢測(cè)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)值3～5石屑試驗(yàn)方法表現(xiàn)相對(duì)密度/(t·m-3)≮2.52.962.59T0352-2000含泥量(小于0.075mm的含量)/%≯3 1.202.30T0333-2000

1.3填料的基本性能指標(biāo)見(jiàn)表4所示

表4 礦粉的基本性能指標(biāo)Table4 Slagbasicperformanceindicators檢測(cè)項(xiàng)目檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)方法表現(xiàn)密度/(t·m-3)≮2.52.713T0352-2000粒度范圍<0.6/%100 99.85<0.15/%90～10091.90<0.075/%75～10071.91T0351-2000親水系數(shù)<1.00.7T0353-2000塑性系數(shù)<4 3.8T0354-2000加熱安定度—良好T0359-2000

2試驗(yàn)方案

2.1實(shí)驗(yàn)室模擬老化實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備有：SANS帶環(huán)境箱微機(jī)伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)見(jiàn)圖1；紫外老化試驗(yàn)箱見(jiàn)圖2。

圖1帶環(huán)境箱微機(jī)伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

Figure 1Environmental c-hamber with computer servo universal testing machine

圖2紫外老化試驗(yàn)箱

Figure 2UV aging chamber

2.2影響因素

影響紫外光老化瀝青混合料低溫抗劈裂性能的因素主要包括：紫外光照時(shí)間、混合料級(jí)配、油石比。為了便于比較，應(yīng)另外做出不進(jìn)行紫外光老化的試件作為對(duì)照組。本文的目的是通過(guò)試驗(yàn)獲取不同光照時(shí)間、不同級(jí)配和不同油石比的瀝青混合料的低溫抗裂性能，并分析這些因素對(duì)低溫抗裂性能的影響。因此，本文需要能夠?qū)r青混合料試件進(jìn)行室內(nèi)加速紫外光老化試驗(yàn)和低溫劈裂實(shí)驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)獲取瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度。室內(nèi)加速紫外光老化是通過(guò)自制的紫外光老化試驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)；瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度是通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)的。

2.3室內(nèi)加速紫外光老化

為了對(duì)瀝青混合料的紫外光老化特性進(jìn)行研究，需要進(jìn)行紫外光老化模擬試驗(yàn)。本文采用的紫外光老化實(shí)驗(yàn)箱是紫外老化試驗(yàn)箱，采用1 000 W高壓汞燈模擬紫外光，距離燈管60 cm處的平均強(qiáng)度為200 W/m2，明確某地區(qū)的紫外光輻射強(qiáng)度就可以進(jìn)行室內(nèi)紫外光老化照射時(shí)間的換算。本文采用紫外輻射比較強(qiáng)的內(nèi)蒙Ⅰ區(qū)的紫外光年輻射量420 MJ/m2，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室模擬紫外光照時(shí)間=自然紫外輻射總量/實(shí)驗(yàn)室紫外輻射強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算得到室內(nèi)光照583 h相當(dāng)于自然光照1 a。

3瀝青混合料劈裂實(shí)驗(yàn)

3.1試件制備

對(duì)于進(jìn)行低溫抗裂性能試驗(yàn)的瀝青混合料試件為標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件，制作方法采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的瀝青混合料試件制備方法(擊實(shí)試驗(yàn)法，T0702-2011)制作劈裂試驗(yàn)試件。

實(shí)驗(yàn)選擇AC-13和AC-16瀝青混合料的3種不同級(jí)配為S0、S1和S2型見(jiàn)表5～表7所示。

表5 AC-13礦料不同級(jí)配范圍Table5 AC-13differentmineralaggregategradationrange級(jí)配通過(guò)下列篩孔尺寸(mm)的質(zhì)量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075S010094765435251914127S11009882603218121075S21009882533018121075

表6 AC-16礦料不同級(jí)配范圍Table6 AC-16differentmineralaggregategradationrange級(jí)配通過(guò)下列篩孔尺寸(mm)的質(zhì)量百分率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075S010099.69163.94427.919.71511.69.86.8S1100988977542716111087S21009889.576472616111087

表7 不同級(jí)配瀝青混合料的最佳油石比Table7 Bestwhetstonedifferentgradedasphaltmixtureratio級(jí)配類型最佳油石比/%級(jí)配類型最佳油石比/%AC-13S05.1AC-16S05.0AC-13S15.5AC-16S15.5AC-13S25.4AC-16S25.4

3.2試驗(yàn)方法

根據(jù)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E20-2011)中瀝青混合料低溫劈裂試驗(yàn)(T0716-2011)的試驗(yàn)方法。采用SANS微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低溫抗劈裂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的高低溫環(huán)境箱將箱內(nèi)的溫度降低至(-10±0.5)℃保溫12 h后在環(huán)境箱中進(jìn)行劈裂實(shí)驗(yàn)，使用馬歇爾穩(wěn)定儀，在模具上下加上兩根內(nèi)側(cè)半徑R50.8 mm，寬度為12.7 mm的劈裂條，進(jìn)行低溫劈裂實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)加載速率為1 mm/min。

3.3評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用劈裂抗拉強(qiáng)度RT評(píng)價(jià)瀝青混合料紫外光化前后的低溫抗劈裂性能，劈裂抗拉強(qiáng)度公式采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的公式T0716-1，即：

RT=0.006 278PT/h

式中：RT為劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；PT為試驗(yàn)荷載最大值，N；h為試件高度，mm。

4不同光照時(shí)間對(duì)紫外光老化瀝青混合料

低溫抗裂性能的影響

瀝青混合料在紫外光老化后，勁度模量增加，在應(yīng)變不變的情況下，內(nèi)部應(yīng)力增大，在低溫狀態(tài)下，內(nèi)部應(yīng)力容易超過(guò)其極限強(qiáng)度而發(fā)生斷裂，因此瀝青混合料的紫外光老化對(duì)于其低溫性能的影響是不可忽視的。本文通過(guò)低溫狀態(tài)下對(duì)紫外光老化瀝青混合料進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料紫外光老化的低溫抗裂性能。根據(jù)紫外輻射總量相等的原則，對(duì)瀝青混合料進(jìn)行室內(nèi)加速紫外光老老化試驗(yàn)，研究瀝青混合料隨紫外光老化時(shí)間的增加，其劈裂強(qiáng)度變化情況如表8和表9所示。

表8 AC-13S0型劈裂強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律Table8 AC-13S0-typecleavagestrengthvariationwithtime自然輻射y模擬時(shí)間/h劈裂強(qiáng)度/MPa004.07182973.804541943.721662923.715183893.7213104863.7158125833.7154

表9 AC-16S0型劈裂強(qiáng)度隨時(shí)間變化規(guī)律Table9 AC-16S0-typecleavagestrengthvariationwithtime自然輻射y模擬時(shí)間/h劈裂強(qiáng)度/MPa004.23722973.930641943.784462923.806383893.7510104863.7734125833.7523

老化前后進(jìn)行瀝青混合料低溫劈裂實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：

① 瀝青混合料紫外光老化后，瀝青混合料的坑劈裂強(qiáng)度性能降低，因?yàn)闉r青在紫外光照射后其粘性降低，瀝青和集料之間的粘結(jié)力減小，瀝青膠漿的使用性能降低導(dǎo)致瀝青混合料抵抗低溫劈裂的性能下降；

② 隨著紫外光照時(shí)間的增加，劈裂強(qiáng)度值趨于穩(wěn)定。

5不同級(jí)配對(duì)紫外光老化瀝青混合料低溫

抗裂性能的影響

將瀝青混合料試件根據(jù)不同的級(jí)配分為兩組：一組未進(jìn)行老化試驗(yàn)；一組進(jìn)行連續(xù)4個(gè)月的紫外光老化實(shí)驗(yàn)，然后在低溫狀態(tài)下進(jìn)行劈裂實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

老化前后進(jìn)行瀝青混合料低溫劈裂實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：

① 在AC-13型級(jí)配中，AC-13S0型級(jí)配的瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度最大，其紫外光老化前后的劈裂強(qiáng)度的變化值最小，說(shuō)明其受紫外光老化的影響最小，S1型級(jí)配老化前后變化不大，劈裂強(qiáng)度大于S2型級(jí)配的劈裂強(qiáng)度，小于S1型級(jí)配的劈裂強(qiáng)度。因此從瀝青混合料低溫抗劈裂強(qiáng)度性能角度考慮，推薦使用AC-13S0型和AC-S1型級(jí)配瀝青混合料，AC-13S2型級(jí)配的瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度值最小，受影響最大。

表10 瀝青混合料不同級(jí)配低溫抗劈裂實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度Table10 Gradedasphaltmixtureofdifferentlowintensityanti-splittingexperiments級(jí)配類型劈裂強(qiáng)度(前)/MPa劈裂強(qiáng)度(后)/MPa老化前后差值/%AC-13S04.07183.7216-9.14AC-13S13.36493.1223-9.28AC-13S23.11272.9300-9.41AC-16S04.23723.7044-12.57AC-1613.73903.3654-9.99AC-16S23.32662.9959-9.94

② 在AC-16型級(jí)配中，AC-16S0型級(jí)配瀝青混合料老化前后劈裂強(qiáng)度最大，但是，其受老化影響最大；AC-16S2的劈裂強(qiáng)度最小。因此，從混合料低溫抗劈裂強(qiáng)度性能角度考慮，AC-16型瀝青混合料中最佳級(jí)配是S1型。

③ 綜合以上兩種六組種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，瀝青混合料紫外光老化低溫抗劈裂強(qiáng)度性能推薦級(jí)配是：AC-13S0型和S1型，AC-16S1型。

6結(jié)果分析

① 瀝青混合料經(jīng)過(guò)紫外光照射老化后AC-13幾種級(jí)配的劈裂強(qiáng)度降低了9%左右；AC-16S1和S2型級(jí)配的瀝青混合料劈裂強(qiáng)度降低了10%左右，S0型級(jí)配瀝青混合料劈裂強(qiáng)度降低了12%左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明級(jí)配不同對(duì)于紫外光老化后瀝青混合料低溫抗劈裂性能影響不大，均在10%左右。

② 在瀝青混合料低溫抗劈裂實(shí)驗(yàn)中，S0型級(jí)配的抗劈裂性能最優(yōu)，S0型級(jí)配組成按照瀝青混合料施工技術(shù)規(guī)范中值級(jí)配附近，其低溫劈裂值比其他級(jí)配低溫劈裂值有大幅度提高，因此特別適合于強(qiáng)紫外線、年平均氣溫較低的地區(qū)。

③ 年氣溫平均值相對(duì)較低，年極端低溫天氣多，紫外光照強(qiáng)烈，車輛荷載大的地區(qū)，在進(jìn)行上面層和中面層瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)中適宜采用S0型級(jí)配的瀝青混合料設(shè)計(jì)方案。

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Research on Low Temperature Splitting Resistance of Ultraviolet Aging Asphalt Mixture

LI Huixia1， CAI Zhengsen1， TONG Shenjia2

(1.Department of Traffic Engineering， Henan University of Urban Construction， Pingdingshan， Henan 467000， China；2.School of Civil Engineering， Xi’an University of Architecture and Technology， Xi’an， Shanxi 710055， China )

[Abstract]Low temperature crack resistance of asphalt mixture of Ultraviolet aging is studied by low temperature fracturing test when the mixture has different gradation，different asphalt content and different illumination time.The different gradation of AC-13 and AC-16 is S0，S1 and S2 with different asphalt content.The different illumination time is 0，97，194，292，388 and 583 hours.The influence of low temperature crack resistance of asphalt mixture of ultraviolet aging can be achieved and the basis of mix proportion design for the region with high ultraviolet aging.

[Key words]asphalt mixture； ultraviolet aging； gradation； the illumination time； low temperature crack resistance

[收稿日期]2015-02-08

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(51108375)

[作者簡(jiǎn)介]李惠霞(1979-)，女，河南柘城人，講師，博士，從事路面材料研究。

[中圖分類號(hào)]U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)03-0069-05