陳偉盛 吳少鵬 胡錦軒 謝文華 劉全濤
(1.廣東省南粵交通揭惠高高速公路管理中心 揭陽 515325;2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070; 3.武漢友楓模塑有限責(zé)任公司 武漢 430200)
瀝青路面材料因其良好的使用性能在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。但在實(shí)際使用中,瀝青因老化而引起的性能衰退,導(dǎo)致必須進(jìn)行早期預(yù)防性養(yǎng)護(hù),同時(shí)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)出現(xiàn)車轍、坑槽等病害,極大地增加養(yǎng)護(hù)成本,引發(fā)瀝青老化的問題也引起了普遍關(guān)注[1]。
瀝青在光、熱、氧、水分等因素的綜合作用下,會(huì)發(fā)生氧化老化及輕質(zhì)組分揮發(fā),并由于受到荷載與高溫的反復(fù)作用而產(chǎn)生塑性變形,進(jìn)而逐漸聚集形成疲勞開裂[2]。為模擬瀝青的老化,我國公路科學(xué)研究所研制了可模擬日曬、雨淋等自然環(huán)境的老化箱,山西交通科學(xué)研究所研制了可模擬氣候條件的加速老化試驗(yàn)儀,但因設(shè)備使用條件復(fù)雜,很少用于試驗(yàn)。日本開展了模擬氣候條件下的瀝青加速老化試驗(yàn),其主要采用碳弧燈、氙燈等各種光源進(jìn)行瀝青紫外老化試驗(yàn),但室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際路面老化相關(guān)性低[3]。而多功能路面材料全壽命分析儀的成功應(yīng)用,改變了傳統(tǒng)的基于高溫、高壓或其他單一老化條件的模擬方式,能夠綜合模擬瀝青路面服役環(huán)境中的光、熱、氧、荷載及雨水等多因素環(huán)境條件,使室內(nèi)加速試驗(yàn)最大限度地模擬實(shí)際環(huán)境下的瀝青路面服役環(huán)境,可更好地研究瀝青在光、熱、氧、周期性應(yīng)力、水等因素綜合作用下的老化行為。
我國地域遼闊,南北緯度跨度大,環(huán)境氣候復(fù)雜。根據(jù)中國氣象局風(fēng)能太陽能資源中心發(fā)布的中國太陽能年輻照5大分區(qū),紫外線年輻射總量[4-5]為:一區(qū)334~420 MJ/m2,二區(qū)293~334 MJ/m2,三區(qū)250~293 MJ/m2,四區(qū)210~250 MJ/m2,五區(qū)167~210 MJ/m2。另有研究表明,第四分區(qū)與第五分區(qū)對瀝青的老化效果類似,因此,第五分區(qū)與第四分區(qū)合并為第四分區(qū)。若根據(jù)單一的模擬技術(shù)參數(shù),很難準(zhǔn)確模擬各地的真實(shí)服役環(huán)境。
本文按照不同的太陽能輻照分區(qū),搜集每個(gè)分區(qū)各自的自然環(huán)境因素參數(shù),提出針對模擬不同分區(qū)的瀝青路面材料的技術(shù)參數(shù)范圍。
模擬每個(gè)分區(qū)時(shí),采用瀝青混合料結(jié)構(gòu)為全厚度式車轍試件,試件為3面層結(jié)構(gòu),尺寸長1 m、寬0.5 m,上、中、下 3面層高度分別為4,6,8 cm。上面層集料采用玄武巖,級配為AC-13,中、下面層集料采用石灰?guī)r,級配分別為AC-20及AC-25。模擬第一分區(qū)時(shí),上面層采用SBS改性瀝青(I-C),中、下面層采用90號瀝青;模擬第二分區(qū)時(shí),上、中、下面層均采用90號瀝青;模擬第三分區(qū)時(shí),上面層采用SBS改性瀝青(I-D),中、下面層采用90號瀝青,模擬第四分區(qū)時(shí),上面層采用SBS改性瀝青(I-D),中、下面層采用70號或50號瀝青。
瀝青混合料參照J(rèn)TG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中輪碾法T0703-2011進(jìn)行成型,具體步驟如下。
1) 稱量和加熱。按比例稱取瀝青混合料所用的各檔集料,將集料放入確定溫度的烘箱中加熱,加熱時(shí)間為6 h,將瀝青放入確定溫度的烘箱中加熱,加熱時(shí)間為3 h。
2) 拌和。將瀝青混合料拌和機(jī)調(diào)到試驗(yàn)設(shè)定溫度預(yù)熱1 h,從烘箱中取出集料倒入拌和機(jī)中,干拌30 s,邊拌和邊倒入一定量的瀝青,攪拌90 s,最后邊攪拌邊倒入一定量的礦粉,拌和90 s。
3) 壓實(shí)。拌和結(jié)束后立即倒入車轍板試模中,使用輪碾成型機(jī)按照規(guī)定的輪碾次數(shù)壓實(shí)混合料。
將成型的下面層放置在室內(nèi),自然冷卻24 h,然后重復(fù)以上步驟進(jìn)行中面層和上面層的成型。
將試件放入多功能路面材料全壽命分析儀中,在設(shè)定溫度值下保溫24 h,設(shè)定其他技術(shù)參數(shù)并加載。
溫度參數(shù)采用美國SHRP中提出的車轍試驗(yàn)的等效溫度計(jì)算方法,即在該溫度下,實(shí)際路面荷載在不同溫度下造成的作用等效于在該溫度下作用的效果。車轍等效溫度計(jì)算方法為[6]
Teff(PD)=30.8-0.12Zcr+0.92MAAT設(shè)計(jì)
(1)
式中:Teff(PD)為車轍等效溫度,℃;Zcr為瀝青層的深度,mm;MAAT設(shè)計(jì)=MAAT平均+Kα·σMAAT,其中MAAT平均為根據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)的年平均氣溫的平均值,℃,σMAAT為年平均氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差,℃,Kα為保證率系數(shù),見表1。
表1 保證率系數(shù)
年平均氣溫均值及年平均氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差根據(jù)各省地級市2014年各月份溫度計(jì)算,取路面下2 cm處溫度為瀝青面層的代表溫度。由統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站查得,一區(qū)年均溫度為3.5~8.9 ℃,二區(qū)為6~14.6 ℃,三區(qū)為3~22.3 ℃,四區(qū)為13.5~23.6 ℃;計(jì)算得到一區(qū)車轍等效溫度范圍為32.4~37.4 ℃,二區(qū)車轍等效溫度范圍為30~48.9 ℃,三區(qū)車轍等效溫度范圍為27.5~49.8 ℃,四區(qū)車轍等效溫度范圍為43.1~52.3 ℃。
除溫度影響,荷載也是造成路面材料破壞的重要因素。路面變形量與交通量荷載的累積有直接關(guān)系。一般情況下,統(tǒng)計(jì)所得交通量分散在公路上的所有車道。本文采用等效標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)的計(jì)算方法,根據(jù)交通科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)所提供交通量數(shù)據(jù),換算為采用0.7 MPa為輪碾壓力時(shí),模擬1年交通量作用所需的碾壓時(shí)間。由采集的交通量數(shù)據(jù)換算到實(shí)際路面車轍有效交通量的計(jì)算方法為[7]
Ne=Nt·η·?·ζ
(2)
式中:Ne車轍有效作用交通量,次;Nt為采集到的年日均交通量數(shù)據(jù),次;η為車道系數(shù),取值范圍由公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[8]查得,見表2;?為輪跡橫向分布系數(shù),見表3;ζ為車轍有效時(shí)間分布系數(shù),見式(3)。
表2 車道系數(shù)
表3 輪跡橫向分布系數(shù)
車轍有效時(shí)間分布系數(shù)計(jì)算方法為
ζ=n1/12
(3)
式中:n1為1年中溫度大于20 ℃的月份。
根據(jù)交通量數(shù)據(jù)顯示,2011年一區(qū)中高速公路年日均交通量最高為15 330次,二區(qū)中高速公路年日均交通量最高為50 000次,三區(qū)及四區(qū)中高速公路年日均交通量在50 000次以下占比為99%。本文根據(jù)最高交通量計(jì)算,模擬時(shí)采用車轍次數(shù)42次/min,則模擬1年交通量所需荷載作用時(shí)間一區(qū)為6 h,二區(qū)為61 h,三區(qū)為109 h,四區(qū)為84 h。荷載強(qiáng)度根據(jù)比利時(shí)接地面積與軸重經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算得到,計(jì)算方法見式(4)。
A=0.008P+152±70
(4)
式中:A為接地面積,cm2;P為輪胎荷載,N:±70為保證率達(dá)到90%的離差范圍。根據(jù)交通科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)提供的我國56種常用汽車型號計(jì)算后得知,當(dāng)汽車從滿載至超載5倍時(shí),計(jì)算所得的前輪輪壓及后輪輪壓最低為0.5 MPa,最高為1.1 MPa,因此,荷載強(qiáng)度參數(shù)范圍為0.5~1.1 MPa。
路面材料的破壞除與溫度、荷載有關(guān),與濕度及降雨也有一定關(guān)系,動(dòng)水應(yīng)力的存在加劇了路面材料的破壞。本文的模擬方法中,以模擬地區(qū)的年降雨總量為噴淋總量,模擬降雨的噴淋速率Tr的計(jì)算方法為
Tr=H/t
(5)
式中:H為模擬地區(qū)的年降雨總量,mm;t為模擬1年交通量所需的荷載作用時(shí)間,h。
由《2014年中國統(tǒng)計(jì)年鑒》可知,我國各地區(qū)年平均相對濕度在43%~82%,模擬時(shí),濕度選用所模擬地區(qū)的年平均相對濕度。我國年降雨總量分布為:一區(qū)123.8~565.2 mm,二區(qū)35~970 mm,三區(qū)202~2 260 mm,四區(qū)500~2 719 mm。因此,噴淋速率的參數(shù)范圍為:一區(qū)21~94 mm/h,二區(qū)0.57~15.9 mm/h,三區(qū)1.85~20.7 mm/h,四區(qū)6~32 mm/h。
瀝青材料在使用時(shí),會(huì)與氧氣發(fā)生反應(yīng)而老化,因此模擬方法中將氧氣濃度同樣作為一個(gè)影響因素。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,空氣中氧氣濃度為21%,且一年四季基本保持平衡。有研究表明,氧氣體積分?jǐn)?shù)與大氣壓及氧分壓有一定關(guān)系,而大氣壓與海拔高度具有直接相關(guān)性,因此,當(dāng)?shù)弥车貐^(qū)的海拔高度時(shí),其氧氣體積分?jǐn)?shù)也可知,模擬時(shí)氧氣體積分?jǐn)?shù)采用所模擬地區(qū)的氧氣體積分?jǐn)?shù),計(jì)算方法為
Y=(-0.022 25X+290.58)/289.3
(6)
式中:X為海拔高度,m;Y為氧氣體積分?jǐn)?shù),%。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,一區(qū)中較低區(qū)域如海西,海拔高度為2 994 m,而較高區(qū)域如玉樹,海拔高度為3 681 m。因此,一區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)參數(shù)范圍為14.4%~15.5%;二區(qū)海拔高度為178.5~4 507 m,氧氣體積分?jǐn)?shù)參數(shù)范圍為13.7%~20.6%;三區(qū)海拔高度為2~1 381 m,氧氣體積分?jǐn)?shù)參數(shù)范圍為18.1%~20.3%;四區(qū)海拔高度為2.8~1 797 m,氧氣體積分?jǐn)?shù)參數(shù)范圍為18.1%~21.1%。
紫外分區(qū)的平均輻照強(qiáng)度計(jì)算方法為
Ea1=1 000W/(3.6×365×12)
(7)
式中:Ea1為模擬時(shí)采用的紫外輻照強(qiáng)度,W/m2;W為模擬地區(qū)的年紫外輻照總量,MJ/m2。
為使模擬時(shí)間內(nèi)的紫外輻照總量達(dá)到所模擬地區(qū)的年紫外輻照總量,先按照僅以10倍紫外輻照強(qiáng)度進(jìn)行紫外老化模擬實(shí)驗(yàn);達(dá)到相應(yīng)時(shí)間后,再按照平均紫外輻照強(qiáng)度與其他技術(shù)參數(shù)一起以全壽命模擬的方式加載,模擬步驟示意見圖1。
圖1 紫外老化模擬步驟
紫外輻照模擬總時(shí)間計(jì)算方法為
t總=t+t′
(8)
式中:t總為紫外輻照模擬總時(shí)間,h;t為模擬1年交通量所需荷載作用時(shí)間,h;t′為以平均紫外輻照強(qiáng)度的10倍來單獨(dú)模擬時(shí)所需時(shí)間,h。
t′=(1 000W-3.6×t×Ea1)/(3.6×10Ea1)
紫外輻照參數(shù)范圍計(jì)算后見表4。
表4 紫外光參數(shù)范圍
1) 對于第一紫外分區(qū),模擬技術(shù)參數(shù)為:模擬時(shí)間6 h,溫度范圍32.4~37.4 ℃,荷載強(qiáng)度為0.5~1.1 MPa,噴淋速率為21~94 mm/h,氧氣體積分?jǐn)?shù)為14.4%~15.5%,紫外輻照強(qiáng)度在單獨(dú)紫外老化時(shí)強(qiáng)度為210~270 W/m2,全壽命模擬時(shí)強(qiáng)度為21~27 W/m2。
2) 對于第二紫外分區(qū),模擬技術(shù)參數(shù)為:模擬實(shí)際61 h,溫度為30~48.9 ℃,荷載強(qiáng)度為0.5~1.1 MPa,噴淋速率為0.57~15.9 mm/h,氧氣體積分?jǐn)?shù)為13.7%~20.6%,紫外輻照強(qiáng)度在單獨(dú)紫外老化時(shí)強(qiáng)度為186~210 W/m2,全壽命模擬時(shí)強(qiáng)度為18.6~21 W/m2。
3) 對于第三紫外分區(qū),模擬技術(shù)參數(shù)為:模擬實(shí)際109 h,溫度范圍為27.5~49.8 ℃,荷載強(qiáng)度為0.5~1.1 MPa,噴淋速率為1.85~20.7 mm/h,氧氣體積分?jǐn)?shù)為18.1%~20.3%,紫外輻照強(qiáng)度在單獨(dú)紫外老化時(shí)強(qiáng)度為158~186 W/m2,全壽命模擬時(shí)強(qiáng)度為15.8~18.6 W/m2。
4) 對于第四紫外分區(qū),模擬技術(shù)參數(shù)為:模擬實(shí)際84 h,溫度為43.1~52.3 ℃,荷載強(qiáng)度為0.5~1.1 MPa,噴淋速率為6~32mm/h,氧氣體積分?jǐn)?shù)為18.1%~21.1%,紫外輻照強(qiáng)度在單獨(dú)紫外老化時(shí)強(qiáng)度為105~158 W/m2,全壽命模擬時(shí)強(qiáng)度為10.5~15.8 W/m2。
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