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        倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間對(duì)SMA-13溫度散失及老化性能的影響

        2022-09-20 00:49:00程德金楊凱王建黨戴征白旭耀
        中國(guó)港灣建設(shè) 2022年8期

        程德金,楊凱,王建黨,戴征,白旭耀

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

        0 引言

        機(jī)場(chǎng)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(duì)瀝青道面的品質(zhì)提出了更高的要求,因此機(jī)場(chǎng)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(chǎng)瀝青道面多為不停航施工[3-4],為了不影響清晨機(jī)場(chǎng)正常通航,需將跑道全幅攤鋪,4E及以上等級(jí)機(jī)場(chǎng)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(lái)不及,需要將混合料提前拌好儲(chǔ)存于成品倉(cāng)中,儲(chǔ)存時(shí)間一般短則5~6 h,長(zhǎng)至8~10 h,而長(zhǎng)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(cāng)角度出發(fā)研究混合料儲(chǔ)存過(guò)程中溫度散失情況鮮有報(bào)道。目前對(duì)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(duì)比、老化對(duì)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(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中的老化。本文依托華北某機(jī)場(chǎng)瀝青跑道“蓋被”工程,以加蓋常用的SMA-13為例,探究倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間對(duì)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(hào)倉(cāng)(11~16 mm)、3號(hào)倉(cāng)(6~11 mm)、2號(hào)倉(cāng)(3~6 mm)、1號(hào)倉(cāng)(0~3 mm)。

        1.2 試驗(yàn)方法

        1.2.1 安裝傳感器

        在40 t成品倉(cāng)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(hào)為1號(hào)—10號(hào),其中1號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、8號(hào)、9號(hào)傳感器長(zhǎng)度為2 m,2號(hào)、3號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、10號(hào)傳感器長(zhǎng)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(cāng)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(jí)配組成質(zhì)量比為4號(hào)倉(cāng)∶3號(hào)倉(cāng)∶2號(hào)倉(cāng)∶1號(hào)倉(cāng)∶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(cè)試方法

        將不同拌和溫度(180℃、190℃、200℃)的SMA-13混合料置于成品倉(cāng)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(guò)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(píng)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(guò)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(cāng)儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng),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}(cāng)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(cāng)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(shuō)明混合料在180℃條件下倉(cāng)儲(chǔ),溫度衰減最為嚴(yán)重。

        根據(jù)倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中的溫度衰減曲線可以預(yù)估混合料儲(chǔ)存過(guò)程中溫度變化規(guī)律,預(yù)測(cè)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(chǎng)攤鋪溫度綜合選擇適宜的儲(chǔ)存時(shí)間,確?;旌狭系氖褂眯阅?。

        2.2 高溫穩(wěn)定性

        不同倉(cāng)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(cāng)儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)而增大,前8 h內(nèi),動(dòng)穩(wěn)定度增長(zhǎng)率變化幅度不大,但8 h后增長(zhǎng)率顯著提升,12 h增長(zhǎng)率是8 h的2倍以上;長(zhǎng)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(chǎng)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(cāng)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(zhǎng)率均增大。

        根據(jù)MH/T 5011—2019《民用機(jī)場(chǎng)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(cāng)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(duì)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(píng)價(jià)。

        2.3 低溫抗裂性

        不同倉(cāng)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(cāng)儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)而減小;倉(cāng)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(cāng)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??;當(dāng)拌和溫度從180℃升到200℃時(shí),倉(cāng)儲(chǔ)12 h的混合料最大彎拉應(yīng)變分別降低24.5%(-10℃測(cè)試)和31.0%(-20℃測(cè)試)。-10℃和-20℃的試驗(yàn)結(jié)果表明老化對(duì)混合料低溫性能影響顯著,瀝青混合料長(zhǎng)時(shí)間處于高溫環(huán)境中,隨著倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng),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(chǎng)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(cāng)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(cāng)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(cāng)儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)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(shuō)明混合料在倉(cāng)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(chǎng)倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)要注意控制時(shí)間,尤其是高溫儲(chǔ)存時(shí)間。倉(cāng)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(shì)。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(duì)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(duì)混合料的破壞更大。

        根據(jù)《民用機(jī)場(chǎng)瀝青道面施工技術(shù)規(guī)范》要求,以殘留穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),建議SMA-13的倉(cāng)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(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),建議倉(cāng)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(cāng)儲(chǔ)過(guò)程中混合料溫度衰減曲線和路用性能測(cè)試結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)攤鋪溫度和混合料老化性能選擇合理的倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間。通過(guò)試驗(yàn)段得出SMA-13現(xiàn)場(chǎng)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(cāng)儲(chǔ)時(shí)間,以SMA-13的攤鋪溫度、低溫和水穩(wěn)定性作為倉(cāng)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(cāng)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(cāng)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(cāng)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(chǎng)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(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn),混合料出廠溫度要略高于《民用機(jī)場(chǎng)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(cāng)儲(chǔ)時(shí)間為6.3~7.6 h;對(duì)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(lái)控制倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間。

        3 結(jié)語(yǔ)

        依托實(shí)體工程,通過(guò)分析混合料倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)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(cāng)儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng),SMA-13溫度基本呈二次多項(xiàng)式衰減,倉(cāng)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(cè)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(cāng)儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)而增大,動(dòng)穩(wěn)定度增長(zhǎng)率隨拌和溫度升高而增加,倉(cāng)儲(chǔ)12 h后的動(dòng)穩(wěn)定度均在10000次/mm以上。混合料低溫性能隨倉(cāng)儲(chǔ)時(shí)間延長(zhǎng)而降低,隨拌和溫度升高而降低,倉(cāng)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(zhǎng)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(chǎng)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(cāng)儲(chǔ)時(shí)間為6.3~7.6 h;對(duì)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(cāng)儲(chǔ)時(shí)間。

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