倉儲(chǔ)時(shí)間對SMA-13溫度散失及老化性能的影響

程德金，楊凱，王建黨，戴征，白旭耀

（西北民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075）

0 引言

機(jī)場瀝青道面較公路路面承受更大的機(jī)輪荷載、著陸沖擊和轉(zhuǎn)彎扭剪作用[1-2]，這對瀝青道面的品質(zhì)提出了更高的要求，因此機(jī)場道面主要使用性能較為優(yōu)異的SBS改性瀝青混合料，并摻加抗車轍劑、高模量劑等外加劑。通常機(jī)場瀝青道面多為不停航施工[3-4]，為了不影響清晨機(jī)場正常通航，需將跑道全幅攤鋪，4E及以上等級機(jī)場跑道寬度至少45 m，每日混合料用量至少1800 t，如此大的量現(xiàn)拌現(xiàn)鋪來不及，需要將混合料提前拌好儲(chǔ)存于成品倉中，儲(chǔ)存時(shí)間一般短則5～6 h，長至8～10 h，而長時(shí)間高溫儲(chǔ)存會(huì)造成混合料溫度散失和性能老化，影響其使用性能。

國內(nèi)外學(xué)者對瀝青混合料攤鋪、碾壓溫度的影響因素及降溫規(guī)律進(jìn)行了一些研究[5-7]，而從成品倉角度出發(fā)研究混合料儲(chǔ)存過程中溫度散失情況鮮有報(bào)道。目前對于混合料老化的研究大多集中在老化方式的選擇、混合料老化前后性能對比、老化對混合料某一性能的影響等[8-10]，以上研究并未涉及混合料在倉儲(chǔ)過程中的老化。本文依托華北某機(jī)場瀝青跑道“蓋被”工程，以加蓋常用的SMA-13為例，探究倉儲(chǔ)時(shí)間對混合料溫度散失及老化性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

溫度記錄器材為熱電偶溫度傳感器、補(bǔ)償導(dǎo)線、溫度顯示器；瀝青混合料原材為SBS改性瀝青、玄武巖集料、機(jī)制砂、礦粉、抗車轍劑、高黏劑及聚酯纖維。其中集料采用篩分的熱料4號倉（11～16 mm）、3號倉（6～11 mm）、2號倉（3～6 mm）、1號倉（0～3 mm）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 安裝傳感器

在40 t成品倉3個(gè)面上分別安裝溫度傳感器，2個(gè)側(cè)面各安裝4個(gè)，正視面上安裝2個(gè)，如圖1所示，傳感器的編號為1號—10號，其中1號、4號、5號、8號、9號傳感器長度為2 m，2號、3號、6號、7號、10號傳感器長度為1 m，用補(bǔ)償導(dǎo)線將10個(gè)傳感器連接在溫度顯示器上。

圖1 成品倉傳感器安裝三視圖Fig.1 The three views of sensor installation in finished product bin

1.2.2 生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)

以目標(biāo)配合比為基準(zhǔn)，進(jìn)行生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)，得到SMA-13的熱料級配組成質(zhì)量比為4號倉∶3號倉∶2號倉∶1號倉∶礦粉=44.0%∶27.0%∶8.0%∶11.0%∶10%（外摻聚酯纖維為混合料質(zhì)量的0.4%，抗車轍劑和高黏劑均為混合料質(zhì)量的0.5%），最佳油石比為6.1%。

1.2.3 溫度記錄與測試方法

將不同拌和溫度（180℃、190℃、200℃）的SMA-13混合料置于成品倉中儲(chǔ)存至12 h，每隔0.5 h記錄1次溫度，每隔4 h取料成型馬歇爾試件與車轍板，通過混合料車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾和凍融劈裂試驗(yàn)評價(jià)混合料老化性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 混合料溫度衰減分析

以10個(gè)溫度傳感器采集的溫度平均值為縱坐標(biāo)，以時(shí)間為橫坐標(biāo)作圖，通過多項(xiàng)式擬合，得到混合料溫度隨時(shí)間衰減關(guān)系，如圖2和表1所示。

圖2 混合料溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.2 Temperature variation curve of mixture with time

表1 混合料溫度衰減曲線Table 1 Temperature attenuation curve of mixture

從圖2和表1看出，隨著倉儲(chǔ)時(shí)間延長，瀝青混合料的溫度基本呈二次多項(xiàng)式衰減，且拌和溫度升高，混合料的溫衰系數(shù)下降，即溫度衰減速率下降。因?yàn)樵诔善穫}密封環(huán)境里，溫度越高，混合料和易性越好，即流動(dòng)度越好，SMA-13集料易于流動(dòng)堆積形成致密的保護(hù)層，層層包裹降低混合料內(nèi)部溫度散失，利于混合料保溫。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)倉儲(chǔ)12 h后，不同拌和溫度下混合料溫度衰減幅度排序?yàn)?0.9℃（180℃）>9.4℃（190℃）>8.4℃（200℃），說明混合料在180℃條件下倉儲(chǔ)，溫度衰減最為嚴(yán)重。

根據(jù)倉儲(chǔ)過程中的溫度衰減曲線可以預(yù)估混合料儲(chǔ)存過程中溫度變化規(guī)律，預(yù)測某一時(shí)刻溫度值或衰減到某一溫度值所需時(shí)間，結(jié)合混合料老化性能、現(xiàn)場攤鋪溫度綜合選擇適宜的儲(chǔ)存時(shí)間，確保混合料的使用性能。

2.2 高溫穩(wěn)定性

不同倉儲(chǔ)時(shí)間下SMA-13的車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 動(dòng)穩(wěn)定度與時(shí)間關(guān)系Fig.3 Relationship between dynamic stability and time

根據(jù)圖3可知，拌和溫度相同時(shí)，混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨倉儲(chǔ)時(shí)間延長而增大，前8 h內(nèi)，動(dòng)穩(wěn)定度增長率變化幅度不大，但8 h后增長率顯著提升，12 h增長率是8 h的2倍以上；長時(shí)間高溫儲(chǔ)存會(huì)加速瀝青輕質(zhì)組分揮發(fā)、變質(zhì)及發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使瀝青變得黏稠，混合料勁度增大，車轍板變硬變脆，推斷在8～12 h之間某一時(shí)刻瀝青混合料老化程度已較為明顯，現(xiàn)場觀察車轍板表面還未老化到松散的程度，但其他路用性能可能已受到較大損害。倉儲(chǔ)時(shí)間相同時(shí)，拌和溫度升高，混合料動(dòng)穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度增長率均增大。

根據(jù)MH/T 5011—2019《民用機(jī)場瀝青道面施工技術(shù)規(guī)范》[11]及技術(shù)要求，SMA-13動(dòng)穩(wěn)定度需不小于10000次/mm，只考慮混合料高溫性能，倉儲(chǔ)12 h后的動(dòng)穩(wěn)定度均能滿足使用要求。老化在一定程度上會(huì)增強(qiáng)混合料抗車轍能力，但對其他路用性能的影響還需結(jié)合低溫和水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總體評價(jià)。

2.3 低溫抗裂性

不同倉儲(chǔ)時(shí)間下SMA-13小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)溫度分別為-10℃和-20℃。

表2 小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Low temperature bending test results of trabecula

由表2可知，拌和溫度相同時(shí)，瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變隨倉儲(chǔ)時(shí)間延長而減?。粋}儲(chǔ)12 h后SMA-13低溫性能衰減幅度達(dá)40%以上，且拌和溫度越高低溫性能衰減幅度越大。倉儲(chǔ)時(shí)間相同時(shí)，瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變隨溫度升高而減?。划?dāng)拌和溫度從180℃升到200℃時(shí)，倉儲(chǔ)12 h的混合料最大彎拉應(yīng)變分別降低24.5%（-10℃測試）和31.0%（-20℃測試）。-10℃和-20℃的試驗(yàn)結(jié)果表明老化對混合料低溫性能影響顯著，瀝青混合料長時(shí)間處于高溫環(huán)境中，隨著倉儲(chǔ)時(shí)間延長，瀝青中輕質(zhì)組分逐漸揮發(fā)、氧化及發(fā)生聚合反應(yīng)等物理和化學(xué)作用，使輕質(zhì)組分迅速減少，瀝青質(zhì)含量增加，瀝青黏度增大，導(dǎo)致瀝青勁度增大，瀝青變硬、脆性增強(qiáng)、彈性變形能力減弱，從而降低混合料的低溫抗裂能力，而且拌和溫度升高會(huì)加劇瀝青輕質(zhì)組分的揮發(fā)速率和反應(yīng)速率，從而加快、加重混合料的老化。

根據(jù)《民用機(jī)場瀝青道面施工技術(shù)規(guī)范》要求，按最高標(biāo)準(zhǔn)不小于3000 με控制，采用線性內(nèi)插法預(yù)估SMA-13的倉儲(chǔ)時(shí)間為不大于10.7h（180℃）、不大于8.6 h（190℃）、不大于4.3 h（200℃）。

2.4 水穩(wěn)定性

不同倉儲(chǔ)時(shí)間下SMA-13浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 殘留穩(wěn)定度與時(shí)間關(guān)系圖Fig.4 Relationship between residual stability and time

圖5 TSR與時(shí)間關(guān)系圖Fig.5 Relationship between TSR and time

由圖4和圖5可知，拌和溫度相同時(shí)，混合料的殘留穩(wěn)定度和TSR均隨倉儲(chǔ)時(shí)間延長而下降，在前8 h內(nèi)，混合料的殘留穩(wěn)定度和TSR變化不大，但8 h后，混合料的殘留穩(wěn)定度和TSR降幅明顯增大；說明混合料在倉儲(chǔ)8 h后，水穩(wěn)定性衰減出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，混合料的老化速率加快，現(xiàn)場倉儲(chǔ)時(shí)要注意控制時(shí)間，尤其是高溫儲(chǔ)存時(shí)間。倉儲(chǔ)時(shí)間相同時(shí)，隨拌和溫度升高混合料殘留穩(wěn)定度和TSR總體呈下降趨勢。比較SMA-13的水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果可知，混合料TSR的衰減程度大于殘留穩(wěn)定度，因?yàn)閮鋈谠囼?yàn)條件相比浸水試驗(yàn)條件更加嚴(yán)苛，先凍后融對馬歇爾試件的損傷更大，水分子更易進(jìn)入混合料內(nèi)部，侵蝕瀝青與集料的界面，使集料與瀝青發(fā)生剝離，故對混合料的破壞更大。

根據(jù)《民用機(jī)場瀝青道面施工技術(shù)規(guī)范》要求，以殘留穩(wěn)定度作為評價(jià)指標(biāo)時(shí)，建議SMA-13的倉儲(chǔ)時(shí)間為不大于8.4 h（180℃）、不大于8.3 h（190℃）、不大于5.2 h（200℃）；以TSR作為評價(jià)指標(biāo)時(shí)，建議倉儲(chǔ)時(shí)間為不大于7.6 h（180℃）、不大于6.3 h（190℃）、不大于4.7 h（200℃）。

綜合倉儲(chǔ)過程中混合料溫度衰減曲線和路用性能測試結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場攤鋪溫度和混合料老化性能選擇合理的倉儲(chǔ)時(shí)間。通過試驗(yàn)段得出SMA-13現(xiàn)場最佳攤鋪溫度不低于175℃，將175℃代入混合料溫度衰減方程可得出不同溫度下的極限倉儲(chǔ)時(shí)間，以SMA-13的攤鋪溫度、低溫和水穩(wěn)定性作為倉儲(chǔ)的控制指標(biāo)，采用線性內(nèi)插法可知180℃時(shí)建議SMA-13倉儲(chǔ)時(shí)間為不大于10.7 h（最大彎拉應(yīng)變）、不大于9.1 h（攤鋪溫度）、不大于8.4 h（殘留穩(wěn)定度）、不大于7.6 h（TSR）；同理，190℃時(shí)建議倉儲(chǔ)時(shí)間為不大于20.6 h（攤鋪溫度）、不大于8.6 h（最大彎拉應(yīng)變）、不大于8.3 h（殘留穩(wěn)定度）、不大于6.3 h（TSR）；200℃時(shí)建議倉儲(chǔ)時(shí)間為不大于35.9 h（攤鋪溫度）、不大于5.2 h（殘留穩(wěn)定度）、不大于4.7 h（TSR）、不大于4.3 h（最大彎拉應(yīng)變）。

通常情況下，機(jī)場SMA-13混合料中要添加高模量劑、高黏劑等外加劑，根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)，混合料出廠溫度要略高于《民用機(jī)場瀝青道面施工技術(shù)規(guī)范》要求，故推薦SMA-13的拌和溫度為180～190℃，以混合料的TSR作為老化性能關(guān)鍵控制指標(biāo)，建議倉儲(chǔ)時(shí)間為6.3～7.6 h；對于高寒高海拔的極端環(huán)境下，可選擇拌和溫度大于190℃，此時(shí)推薦以混合料TSR和最大彎拉應(yīng)變雙指標(biāo)來控制倉儲(chǔ)時(shí)間。

3 結(jié)語

依托實(shí)體工程，通過分析混合料倉儲(chǔ)過程中溫度散失規(guī)律和老化性能指標(biāo)，得到結(jié)論如下：

1）隨著倉儲(chǔ)時(shí)間延長，SMA-13溫度基本呈二次多項(xiàng)式衰減，倉儲(chǔ)12 h后，混合料溫度衰減范圍為8.4～10.9℃，根據(jù)溫度衰減曲線可預(yù)測混合料某一時(shí)刻溫度值或衰減到某一溫度值所需的時(shí)間。

2）SMA-13動(dòng)穩(wěn)定度隨倉儲(chǔ)時(shí)間延長而增大，動(dòng)穩(wěn)定度增長率隨拌和溫度升高而增加，倉儲(chǔ)12 h后的動(dòng)穩(wěn)定度均在10000次/mm以上?；旌狭系蜏匦阅茈S倉儲(chǔ)時(shí)間延長而降低，隨拌和溫度升高而降低，倉儲(chǔ)12 h后SMA-13低溫性能衰減幅度達(dá)40%以上?；旌狭系臍埩舴€(wěn)定度和TSR均隨時(shí)間延長而降低，且TSR的衰減程度大于殘留穩(wěn)定度。

3）綜合施工現(xiàn)場攤鋪溫度和混合料老化性能，當(dāng)SMA-13的拌和溫度為180～190℃，推薦以混合料的TSR作為老化性能關(guān)鍵控制指標(biāo)，其倉儲(chǔ)時(shí)間為6.3～7.6 h；對高寒高海拔的極端環(huán)境下，建議以混合料TSR和最大彎拉應(yīng)變雙指標(biāo)控制倉儲(chǔ)時(shí)間。