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實驗室 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)，同時在設(shè)計使用年限內(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儀，但因設(shè)備使用條件復(fù)雜，很少用于試驗。日本開展了模擬氣候條件下的瀝青加速老化試驗，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，但室內(nèi)試驗結(jié)果與實際路面老化相關(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)加速試驗最大限度地模擬實際環(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)確模擬各地的真實服役環(huán)境。

本文按照不同的太陽能輻照分區(qū)，搜集每個分區(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。

1 原材料及實驗方法

1.1 原材料

模擬每個分區(qū)時，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，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，上、中、下面層均采用90號瀝青；模擬第三分區(qū)時，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，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。

1.2 試件成型方法

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，加熱時間為6 h，將瀝青放入確定溫度的烘箱中加熱，加熱時間為3 h。

2) 拌和。將瀝青混合料拌和機(jī)調(diào)到試驗設(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。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。

1.3 試驗方法

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。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 溫度參數(shù)

溫度參數(shù)采用美國SHRP中提出的車轍試驗的等效溫度計算方法，即在該溫度下，實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。車轍等效溫度計算方法為[6]

Teff(PD)=30.8-0.12Zcr+0.92MAAT設(shè)計

(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=MAAT平均+Kα·σMAAT，其中MAAT平均為根據(jù)歷史資料統(tǒng)計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年各月份溫度計算，取路面下2 cm處溫度為瀝青面層的代表溫度。由統(tǒng)計局網(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 ℃。

2.2 荷載參數(shù)

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，模擬1年交通量作用所需的碾壓時間。由采集的交通量數(shù)據(jù)換算到實際路面車轍有效交通量的計算方法為[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)

車轍有效時間分布系數(shù)計算方法為

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)最高交通量計算，模擬時采用車轍次數(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)比利時接地面積與軸重經(jīng)驗關(guān)系式計算得到，計算方法見式(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)共享平臺提供的我國56種常用汽車型號計算后得知，當(dāng)汽車從滿載至超載5倍時，計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。

2.3 濕度參數(shù)

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間,h。

由《2014年中國統(tǒng)計年鑒》可知，我國各地區(qū)年平均相對濕度在43%～82%，模擬時，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。

2.4 氧氣濃度參數(shù)

瀝青材料在使用時，會與氧氣發(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，其氧氣體積分?jǐn)?shù)也可知，模擬時氧氣體積分?jǐn)?shù)采用所模擬地區(qū)的氧氣體積分?jǐn)?shù)，計算方法為

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%。

2.5 紫外光參數(shù)

紫外分區(qū)的平均輻照強(qiáng)度計算方法為

Ea1=1 000W/(3.6×365×12)

(7)

式中：Ea1為模擬時采用的紫外輻照強(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)行紫外老化模擬實驗；達(dá)到相應(yīng)時間后，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

紫外輻照模擬總時間計算方法為

t總=t+t′

(8)

式中：t總為紫外輻照模擬總時間，h；t為模擬1年交通量所需荷載作用時間，h；t′為以平均紫外輻照強(qiáng)度的10倍來單獨模擬時所需時間，h。

t′=(1 000W-3.6×t×Ea1)/(3.6×10Ea1)

紫外輻照參數(shù)范圍計算后見表4。

表4 紫外光參數(shù)范圍

3 結(jié)論

1) 對于第一紫外分區(qū)，模擬技術(shù)參數(shù)為：模擬時間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)度在單獨紫外老化時強(qiáng)度為210～270 W/m2，全壽命模擬時強(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)度在單獨紫外老化時強(qiáng)度為186～210 W/m2，全壽命模擬時強(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)度在單獨紫外老化時強(qiáng)度為158～186 W/m2，全壽命模擬時強(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)度在單獨紫外老化時強(qiáng)度為105～158 W/m2，全壽命模擬時強(qiáng)度為10.5～15.8 W/m2。

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