劉金修， 童申家， 王　乾， 赫　鑫

(1.新疆交通科學(xué)研究院, 新疆 烏魯木齊　830000;　2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安　710055)

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基于分形理論的礦料級(jí)配對(duì)紫外光老化瀝青混合料性能研究

劉金修1， 童申家2， 王乾2， 赫鑫2

(1.新疆交通科學(xué)研究院, 新疆 烏魯木齊830000;2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安710055)

為了研究不同級(jí)配對(duì)紫外光老化瀝青混合料高低溫性能的影響，采用分型級(jí)配理論，分別選取AC — 13和AC — 16各5種級(jí)配進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，分析不同級(jí)配對(duì)紫外光老化瀝青混合料高低溫性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：紫外光老化瀝青混合料高低溫性能與粒徑分布分形維數(shù)D具有較好的相關(guān)性，粒徑分布分形維數(shù)D越大，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度降幅越顯著；粒徑分布分形維數(shù)D越小，瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度降幅越小；其中AC — 13S5型、AC — 16S4型級(jí)配具有較好的高溫抗紫外光老化性能，AC — 13S1型、AC — 16S2型級(jí)配具有較好的低溫抗紫外光老化性能。

瀝青混合料； 礦料級(jí)配； 紫外光老化； 分形理論； 路用性能

0　引言

瀝青混凝土路面由于其優(yōu)異的路用性能而被廣泛應(yīng)用，然而瀝青混合料作為瀝青路面的面層材料直接承受交通、環(huán)境等因素的綜合作用，在使用過(guò)程中其性能會(huì)發(fā)生老化降低的現(xiàn)象，在強(qiáng)紫外光輻射地區(qū)，瀝青混合料路用性能受其老化影響現(xiàn)象尤為突出[1，2]。

對(duì)于強(qiáng)紫外光輻射地區(qū)影響瀝青混合料路用性能的影響因素有很多，其中包括瀝青含量、瀝青種類、輻射強(qiáng)度和礦料級(jí)配等，對(duì)于前3個(gè)影響因素國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量試驗(yàn)與理論研究[3-5]。而針對(duì)礦料級(jí)配對(duì)紫外光老化瀝青混合料路用性能影響研究相對(duì)較少。程培峰、張爭(zhēng)奇等[6，7]做了礦料級(jí)配對(duì)瀝青混合料路用性能的研究，但是沒(méi)有考慮紫外光輻射影響；李惠霞等[8]人做了紫外光老化前后瀝青混合料路用性能的對(duì)比而沒(méi)有研究礦料級(jí)配對(duì)紫外光老化瀝青混合料路用性能影響。

鑒于此，研究從礦料級(jí)配設(shè)計(jì)入手，分別選取AC — 13和AC — 16各5種S型級(jí)配進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)比分析紫外光老化瀝青混合料高低溫性能與粒徑分布分形維數(shù)D之間的相關(guān)性，系統(tǒng)闡述礦料級(jí)配對(duì)紫外光老化瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律，并提出適用于強(qiáng)紫外光輻射地區(qū)的礦料級(jí)配，以期為強(qiáng)紫外光輻射地區(qū)瀝青路面的級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1　原材料及性能試驗(yàn)

1.1瀝青

考慮到現(xiàn)有高等級(jí)瀝青路面實(shí)際工程中的應(yīng)用情況，本文試驗(yàn)中采用的瀝青為陜西國(guó)創(chuàng)瀝青材料有限公司生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)SBS I — C改性道路石油瀝青。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20 — 2011)中相關(guān)規(guī)定，對(duì)所用瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，其基本性能和技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

1.2集料

本文試驗(yàn)所用的粗集料、細(xì)集料均為取自內(nèi)蒙古蘇宏圖公路料場(chǎng)的優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r，包括20～40、10～20、5～10、3～5 mm、石屑五檔集料，礦粉為碳酸鈣粉末。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42 — 2005)的規(guī)定，對(duì)集料進(jìn)行性能試驗(yàn)，各指標(biāo)結(jié)果表明所采用礦料各性能均滿足規(guī)范要求。

2　礦料級(jí)配及最佳瀝青用量的確定

2.1礦料級(jí)配類型

由于紫外光對(duì)瀝青混合料的老化作用主要發(fā)生在表層較淺范圍內(nèi)，因此本文采用瀝青路面上面層廣泛使用的AC — 13和AC — 16密級(jí)配瀝青混合料進(jìn)行研究。在規(guī)范規(guī)定的級(jí)配范圍內(nèi)通過(guò)控制關(guān)鍵篩孔9.5、4.75、2.36 mm的通過(guò)率，適當(dāng)減少公稱最大粒徑附近的粗集料用量和細(xì)集料用量，形成具有較多中等粒徑集料的S型級(jí)配曲線，使通過(guò)調(diào)整所得的AC — 13和AC — 16瀝青混合料在確保高溫穩(wěn)定性的同時(shí)也兼顧低溫抗裂性的要求。根據(jù)上述原則分別擬定了5種AC — 13和5種AC — 16瀝青混合料級(jí)配進(jìn)行研究，分別記為AC — 13S1、S2、S3、S4、S5和AC — 16S1、S2、S3、S4、S5。各級(jí)配組成分別匯總見表1、表2。

表1 AC—13各級(jí)配的礦料組成Table1 TheaggregatecompositionofAC—13級(jí)配類型通過(guò)下列篩孔(方孔篩,mm)的質(zhì)量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075S110094765435251915128S21009882603218121075S31009882533018121075S41009570483624181284S5100906838241510754

表2 AC—16各級(jí)配的礦料級(jí)配組成Table2 TheaggregatecompositionofAC—16級(jí)配類型通過(guò)下列篩孔(方孔篩,mm)的質(zhì)量百分率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075S110010091644428201512107S21009685704833251812107S3100988977542716111087S41009076603420139754S5100928170513724181396

2.2最佳瀝青用量的確定

本文通過(guò)歇爾試驗(yàn)確定瀝青混合料各級(jí)配的最佳瀝青用量，對(duì)于以上確定的AC — 13與AC — 16的各級(jí)配，分別與SBS I — C改性瀝青制作成標(biāo)準(zhǔn)試件，瀝青用量的選用原則為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以0.5%的間隔選取油石比。對(duì)以上瀝青混合料按照擊實(shí)法制作成標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)毛體積密度、礦料間隙率、孔隙率、穩(wěn)定度、瀝青飽和度和流值6大指標(biāo)確定各級(jí)配的最佳油石比。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，綜合試驗(yàn)結(jié)果確定瀝青混合料的最佳油石比，結(jié)果如表3所示。

表3 瀝青混合料最佳油石比Table3 Theoptimumasphaltaggregateratioofasphaltmixture級(jí)配瀝青最佳油石比/%S1S2S3S4S5AC—13SBSI—C5.15.35.45.25.1AC—16SBSI—C5.05.55.45.35.4

3　室內(nèi)模擬紫外光老化方案

采用室內(nèi)紫外光老化環(huán)境箱對(duì)試驗(yàn)試件按照室內(nèi)、室外紫外光輻射總量相等的原則進(jìn)行老化試驗(yàn)。環(huán)境箱采用1500 W的高壓汞燈，保證試件所受輻射強(qiáng)度為250 W·m-2，老化時(shí)長(zhǎng)取為81 h，即相當(dāng)于拉薩地區(qū)自然老化2個(gè)月。將不同級(jí)配的瀝青混合料按照試驗(yàn)規(guī)程分別制成馬歇爾試件和車轍板試件，將試件分為兩組: 一組進(jìn)行室內(nèi)紫外光老化試驗(yàn)，一組作為對(duì)照組不進(jìn)行老化。

4　試驗(yàn)結(jié)果及分析

為系統(tǒng)分析不同級(jí)配對(duì)瀝青混合料紫外光老化前后動(dòng)穩(wěn)定度和低溫劈裂強(qiáng)度的影響規(guī)律，將紫外光老化前后試件的動(dòng)穩(wěn)定度和低溫劈裂強(qiáng)度結(jié)果匯總?cè)缫姳?、表5。

表4 AC—13與AC—16級(jí)配車轍試驗(yàn)結(jié)果Table4 TheresultofruttingtestofAC—13,AC—16級(jí)配級(jí)配類型動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)紫外光老化前紫外光老化后動(dòng)穩(wěn)定度變化/%AC—13S18850.494615.24-47.85AC—13S29254.686509.74-29.66AC—13AC—13S39254.685912.61-36.25AC—13S49041.725694.48-37.02AC—13S59770.297440.08-23.85AC—16S18295.744707.83-43.25AC—16S28083.053850.77-52.36AC—16AC—16S39595.585784.22-39.72AC—16S411852.678970.10-24.32AC—16S59934.295880.11-40.81

表5 AC—13與AC—16各級(jí)配低溫劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table5 TheresultofLowcleavagestrengthtestofAC—13,AC—16級(jí)配級(jí)配類型劈裂強(qiáng)度/MPa紫外光老化前紫外光老化后劈裂強(qiáng)度變化/%AC—13S14.07183.2125-21.1AC—13S22.78711.7124-38.56AC—13AC—13S32.95292.0157-31.74AC—13S43.00842.0923-30.45AC—13S52.04641.1865-42.02AC—16S13.50712.7404-21.86AC—16S23.69033.0419-17.57AC—16AC—16S32.69372.0334-24.51AC—16S42.40241.4638-39.07AC—16S52.95682.1747-26.45

運(yùn)用分形級(jí)配理論[9-11]，將級(jí)配分布分形維數(shù)D與老化前后瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度及劈裂強(qiáng)度的變化建立聯(lián)系，來(lái)研究礦料級(jí)配對(duì)瀝青混合料抗紫外光老化性能的影響規(guī)律。根據(jù)分型級(jí)配理論將表3、表4中的級(jí)配數(shù)據(jù)按照下式進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中：m(r)為粒徑不大于r的集料質(zhì)量；m0為集料總質(zhì)量；P(r)為粒徑為r的集料質(zhì)量通過(guò)率；D為集料粒徑分布分形維數(shù)；rmin為集料最小粒徑尺寸；rmax為集料最大粒徑尺寸。

在密級(jí)配中，因rmin遠(yuǎn)小于rmax，故rmin可以忽略，從而式(1)可簡(jiǎn)寫為：

P(r)=(r/rmax)3-D

(2)

對(duì)式(2)兩邊同取對(duì)數(shù)可得：

lgP(r)=(3-D)lg(r/rmax)

(3)

將計(jì)算結(jié)果作對(duì)數(shù)化處理并繪于lgP(r)-lg(r/rmax)雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中(見圖1)。

圖1　級(jí)配雙對(duì)數(shù)圖Figure 1　Graded double logarithmic plot

在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中，按最小二乘法對(duì)級(jí)配曲線進(jìn)行線性擬合，根據(jù)擬合直線斜率k，即可算得D值。按相同方法計(jì)算其余各級(jí)配的粒徑分布分形維數(shù)D，結(jié)果見表6。

表6 不同級(jí)配瀝青混合料的粒徑分布分形維數(shù)Table6 Differentgradedasphaltmixtureoftheparticlesizedistributionfractaldimension級(jí)配類型斜率k相關(guān)系數(shù)R2分布分形維數(shù)DS10.47130.99222.5287S20.59160.98682.4084AC—13S30.58640.98832.4136S40.56340.99122.4366S50.62260.98742.3774S10.49890.98292.5011S20.48680.9972.5132AC—16S30.53870.9642.4613S40.60490.98212.3951S50.50050.99912.4995

為了更加系統(tǒng)直觀的描述不同級(jí)配對(duì)紫外光老化瀝青混合料高低溫性能的影響，分別利用表4、表5中的試驗(yàn)結(jié)果與表6中粒徑分布分維數(shù)建立聯(lián)系，對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度降幅、低溫劈裂強(qiáng)度降幅與粒徑分布分形維數(shù)D的相關(guān)性分析，結(jié)果見圖2、圖3。

圖2　動(dòng)穩(wěn)定度降幅與D值關(guān)系Figure 2　Dynamic stability decline and the D value relationship

圖3　低溫劈裂強(qiáng)度降幅與D值關(guān)系Figure 3　　　　Low cleavage strength decline and the D value relationship

由圖2可知: 紫外光老化后瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的降幅與粒徑分布分形維數(shù)D有較好的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8746，隨著粒徑分布分形維數(shù)D的增大，動(dòng)穩(wěn)定度的降幅呈增大的趨勢(shì)。表明在S型級(jí)配礦料組成中，粗集料含量越多，紫外光老化后瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度下降越少。原因在于粒徑分布分形維數(shù)D越小，級(jí)配所含粗骨料越多，所形成的瀝青混合料更趨向于骨架空隙結(jié)構(gòu)，而構(gòu)成混合料抗車轍能力主要部分的粗骨料間嵌擠作用受紫外光老化的影響相對(duì)較小，因此與細(xì)集料含量較多時(shí)的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)相比，其動(dòng)穩(wěn)定度降幅較小。其中AC — 13S5型、AC — 16S4型級(jí)配具有較好的高溫抗紫外光老化性能。

由圖3可知: 紫外光老化后瀝青混合料低溫劈裂強(qiáng)度的降幅與粒徑分布分形維數(shù)D有較好的相關(guān)性，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8912，隨著粒徑分布分形維數(shù)D的增大，低溫劈裂強(qiáng)度的降幅呈減小的趨勢(shì)，表明在S型級(jí)配礦料組成中，細(xì)集料含量越多，紫外光老化后瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度下降越少。原因在于粒徑分布分形維數(shù)D越大，級(jí)配所含細(xì)集料越多，所形成的瀝青混合料更趨向于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，而構(gòu)成混合料低溫抗劈裂能力主要部分的細(xì)集料間粘結(jié)作用受紫外光老化的影響相對(duì)較小，因此與粗骨料含量較多時(shí)的骨架空隙結(jié)構(gòu)相比，細(xì)集料含量較多的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度受紫外光老化的影響相對(duì)較小。其中AC — 13S1型、AC — 16S2型級(jí)配具有較好的低溫抗紫外光老化性能。

5　結(jié)論

① 紫外光老化后瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度及低溫劈裂強(qiáng)度的降幅與粒徑分布分形維數(shù)D具有較好的相關(guān)性，通過(guò)粒徑分布分形維數(shù)D來(lái)研究礦料級(jí)配對(duì)瀝青混合料高低溫性能紫外光老化的影響規(guī)律是可行的。

② 粒徑分布分形維數(shù)D越大，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度受紫外光老化作用的影響越強(qiáng)烈，動(dòng)穩(wěn)定度降幅越大。在強(qiáng)紫外線輻射地區(qū)，對(duì)高溫穩(wěn)定性要求較高的路段，應(yīng)優(yōu)先選用粒徑分布分形維數(shù)D較小的級(jí)配組成。

③ 粒徑分布分形維數(shù)D越小，瀝青混合料低溫劈裂強(qiáng)度受紫外光老化作用的影響越強(qiáng)烈，低溫劈裂強(qiáng)度降幅越大。在強(qiáng)紫外光輻射地區(qū)，對(duì)低溫抗裂性要求較高的路段，應(yīng)優(yōu)先選用粒徑分布分形維數(shù)D較大的級(jí)配組成。

④ AC — 13S5型、AC — 16S4型級(jí)配具有較好的高溫抗紫外光老化性能，AC — 13S1型、AC — 16S2型級(jí)配具有較好的低溫抗紫外光老化性能。

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Research on Effect of Aggregate Gradation on Performance of UV Aging Asphalt Mixture Based on Fractal Theory

LIU Jinxiu1, TONG Shenjia2, WANG Qian2, HE Xin2

(1.Xinjiang Academy of Transportation Sciences, Urumchi, Xinjiang 830000, China;2.School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology ,Xi’an， Shanxi 710055, China)

In order to investigate the effect of different gradation on high and low temperature performance of UV aging asphalt mixture ,using the classification theory,AC — 13 and AC — 16 were selected for each of 5 graded indoor test, analysis of different gradation of UV aging asphalt Mixture influence of high and low temperature performance.The results show that:UV aging asphalt mixture high temperature performance and size distribution of the fractal dimension D has a good correlation, the larger the particle size distribution of the fractal dimension D, asphalt mixture dynamic stability more significant decline; the distribution fractal dimension D is smaller, low-temperature asphalt mixture splitting strength decline is smaller; where AC — 13S5 type, AC — 16S4 type gradation has good high temperature anti-aging properties of ultraviolet light, AC — 13S1 type, AC-16S2 type gradation has good low-temperature UV anti-aging properties.

asphalt mixture; aggregate gradation; UV aging; fractal theory; road performance

2015 — 04 — 10

劉金修(1989 — )，男，山東濱州人，研究生，從事瀝青路面材料研究。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)04 — 0256 — 05