陳忠華 桑 帆 于曉賀 羅 蓉

(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063) (中南勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司3) 武漢 430073)

0 引 言

停機(jī)坪的飛機(jī)加航空燃油、車輛的檢修、拋錨等都可能造成停機(jī)坪的污染,這些污染會造成瀝青集料相互分離,進(jìn)而出現(xiàn)道路損害,影響路面使用壽命[1-2].研究抗燃油瀝青混合料的無損線性黏彈性性質(zhì)可以為后續(xù)研究疲勞開裂和永久變形提供參考力學(xué)狀態(tài)[3].

薛羽等[4]進(jìn)行四種溫度下動態(tài)模量試驗,采用WLF法和二次多項式法建立動態(tài)模量主曲線模型,得出動態(tài)模量和相位角變化趨勢,并表明二次多項式法的預(yù)測精度較高.張飛等[5]進(jìn)行復(fù)數(shù)模量試驗,通過Kramers-Kronig關(guān)系構(gòu)建動態(tài)模量和相位角主曲線兩種模型,以此分析瀝青混合料性質(zhì).李惠霞等[6]對AS-16瀝青砂進(jìn)行模擬自然老化過程試驗,分為0,97,194,292,388,583 h紫外光照時長,并進(jìn)行單軸壓縮蠕變試驗,結(jié)果表明:瀝青砂黏性比例會隨紫外老化時間的增加而變小,材料特性也表現(xiàn)為彈性.雖然國內(nèi)在瀝青混凝土無損粘彈性的研究方面已經(jīng)取得了很多成果,但對機(jī)場道面的瀝青混凝土的無損粘彈性研究仍然存在不足.同時在機(jī)場瀝青混凝土抗紫外老化性能研究方面,也大多未考慮加入抗燃油劑后瀝青混凝土的抗紫外老化性能.

文中針對埃塞俄比亞亞的斯亞貝巴BOLE機(jī)場改擴(kuò)建項目中機(jī)場瀝青道面鋪裝項目進(jìn)行配合比設(shè)計,確定最佳抗燃油劑摻量,通過馬歇爾體積指標(biāo)確定最佳瀝青含量.制作旋轉(zhuǎn)壓實試件,進(jìn)行紫外老化前后的動態(tài)模量試驗.分析紫外老化前后不同溫度、頻率下混合料的模量與相位角變化規(guī)律,并繪制兩者主曲線,分析紫外老化對抗燃油瀝青混合料的的無損黏彈性能的影響.

1 試件制備

1.1 礦料級配設(shè)計

采用的AC-13型瀝青混合料主要用于鋪筑機(jī)場道面上面層.AC-13混合料合成級配見圖1.

圖1 AC-13混合料級配合成曲線

1.2 抗燃油劑摻量的確定

計算質(zhì)量損失比I,并以此評價混合料的抗燃油損失性能.

I=(M0-M1)/M0×100%

(1)

AC-13抗燃油瀝青混凝土按照1.1所述的礦料配合比,變換不同含油量與不同PR AK抗燃油劑含量,并按照馬歇爾擊實75次制作馬歇爾試件,試件浸泡在燃油中24 h的重量損失見表1.

表1 AC-13混合料馬歇爾試件的抗燃油試驗結(jié)果

規(guī)范要求抗燃油劑摻量需≤2.5%.法國的PR AK抗燃油改性劑占瀝青混凝土0.6%時滿足抗燃油的規(guī)范要求.因此,本文最終選定PR AK抗燃油改性劑摻量占瀝青混凝土0.6%.根據(jù)AC-13混合料馬歇爾擊實75次的各項試驗結(jié)果可以確定最佳瀝青含量為5.0%.

1.3 試件制備步驟

將自動拌合儀溫度調(diào)為170 ℃,將瀝青和集料放在拌合儀中,開啟拌和儀拌和.結(jié)束后放置在烘箱中養(yǎng)生2 h,溫度為150 ℃,模擬運輸老化;養(yǎng)生結(jié)束后利用旋轉(zhuǎn)壓實儀,成型高170 mm、直徑150 mm的瀝青混合料試件;再使用鉆芯機(jī)鉆芯,得到的試件直徑為100 mm;鉆芯后使用切割鋸將試件進(jìn)行切割,最終得到的試件高度為150 mm、直徑為100 mm.最后空隙率還要滿足3.9%±0.5%的要求.

2 試驗方案

2.1 抗燃油瀝青混凝土動態(tài)模量試驗

使用DTS進(jìn)行動態(tài)模量試驗,使用相位角動態(tài)模量主曲線分析混合料的無損黏彈性質(zhì)[7].瀝青混合料試件都在4種溫度5、20、35、55 ℃,6個頻率0.1、0.5、1、5、10、25 Hz下進(jìn)行試驗,溫度不同時由低向高進(jìn)行試驗,頻率不同時由高向低進(jìn)行.試件上下各有一個壓頭,并在壓頭和試件間放置涂有潤滑脂的紙,減小摩擦,保證徑向變形自由.每個試件的側(cè)面裝有三個軸向位移傳感器,使用軸向LVDT來測側(cè)面軸向變形并記錄,取平均值作為軸向變形.軸向變形幅度應(yīng)滿足(70～120)×10-6的要求[8-9].

2.2 模擬瀝青混凝土自然紫外老化試驗方案

項目地區(qū)月平均紫外線指數(shù)為12,通過換算關(guān)系可以得到項目地區(qū)的紫外線輻射強度為300 mW/m2.室內(nèi)紫外線環(huán)境箱的紫外線強度設(shè)定為50 W/m2,模擬室外一年的紫外線輻射量時(設(shè)定平均日照時間為8 h)室內(nèi)模擬需要的時間為0.73 d,即17.52 h.表2為相應(yīng)的計算參數(shù).

表2 室內(nèi)紫外線老化方案計算參數(shù)

采用1.3的方法成型試件.試件制備完成后,室內(nèi)紫外老化試驗采用紫外老化箱進(jìn)行.該環(huán)境箱由四個紫外汞燈構(gòu)成,箱內(nèi)的抽風(fēng)系統(tǒng)可以控制環(huán)境箱內(nèi)的溫度維持穩(wěn)定.本次設(shè)定的溫度在50 ℃以下,紫外老化試驗時試件放在旋轉(zhuǎn)盤上,通過轉(zhuǎn)速參數(shù)按鈕可以控制旋轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速,為了達(dá)到穩(wěn)定均一的老化效果,轉(zhuǎn)速設(shè)定為6圈/min.在試驗開始前,采用紫外輻射計進(jìn)行測試紫外老化燈輻射到試件表面的輻射強度.根據(jù)試驗方案,調(diào)整紫外汞燈與試件的距離,最終試件表面的輻射強度達(dá)到50 W/m2.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 動態(tài)模量試驗結(jié)果分析

瀝青混合料復(fù)數(shù)模量的模定義為動態(tài)模量以此反應(yīng)強度特性,為

(2)

式中:|E*(ω)|為動態(tài)模量,MPa.

復(fù)數(shù)模量中損失模量E″(ω)與儲存模量E′(ω)的比值定義為相位角的正切值.相位角反映,在受到正弦波荷載時,瀝青混合料一個周期內(nèi)應(yīng)變滯后于應(yīng)力的程度.

tanφ=E″(ω)/E′(ω)

(3)

式中:φ為相位角,(°).

通過測試可以得到AC-13抗燃油瀝青混合料在4種溫度、6個頻率下試驗數(shù)據(jù)匯總見表3.

表3 AC-13混合料動態(tài)模量和相位角測量平均值

由表3可知:在溫度和頻率不同的情況下,混合料的動態(tài)模量處于300～16 000 MPa的范圍內(nèi),相位角處于10°～30°的范圍內(nèi).規(guī)范中規(guī)定,在溫度為32℃下面層混合料的模量在1 380 MPa左右.通過試驗結(jié)果可以得到,在35 ℃下,動態(tài)模量都在在900～4 500 MPa,由此可以估計,在32 ℃低頻狀態(tài)下時AC-13抗燃油瀝青混合料的模量在1 380 MPa左右.

為預(yù)測瀝青混合料在更廣的頻率域和溫度域動態(tài)模量和相位角的變化規(guī)律,利用Kramers-Kronig關(guān)系繪制抗燃油瀝青混合料動態(tài)模量與相位角主曲線.動態(tài)模量主曲線采用廣義西格摩德模型進(jìn)行擬合,為

(4)

式中:δ為動態(tài)模量最小值,MPa;α為動態(tài)模量最大值與最小值之差,MPa;λ、β和γ為動態(tài)模量主曲線形狀參數(shù);αT動態(tài)模量和相位角主曲線移位因子方程.

利用近似Kramers-Kronig關(guān)系建立相位角的主曲線模型,即

(5)

(6)

采用WLF方程作為移位因子方程,選取參考溫度T0為20 ℃.

lgαT=-C1(t-t0)/[C2+(t-t0)]

(7)

根據(jù)動態(tài)模量與相位角兩者擬合誤差之和作為總誤差方程,并用Excel求解最小總誤差即可獲得擬合參數(shù),為

誤差=誤差∣E*∣+誤差=

(8)

得到瀝青混合料動態(tài)模量主曲線和相位角主曲線見圖2.主曲線擬合參數(shù)匯總以及擬合優(yōu)度和誤差匯總分別見表4～5.

表4 主曲線擬合參數(shù)

表5 主曲線擬合優(yōu)度及誤差

圖2 動態(tài)模量和相位角主曲線

由圖2可知:抗燃油瀝青混合料動態(tài)模量主曲線與相位角主曲線分別為“S”型曲線形狀和拋物線形狀.通過分析動態(tài)模量主曲線能預(yù)測在32 ℃下,頻率介于0.1～25 Hz范圍內(nèi)時,動態(tài)模量在1 191～5 203 MPa范圍內(nèi)變化,與FAA規(guī)范中規(guī)定的動態(tài)模量為1 380 MPa相符合.

從主曲線擬合參數(shù)看,抗燃油瀝青混合料的λ值小于1,表明繪制的動態(tài)模量主曲線均不關(guān)于曲線拐點對稱.C1和C2均處于10～102數(shù)量級間,滿足文獻(xiàn)要求,表明此次繪圖是準(zhǔn)確的.

從擬合誤差和精確性上看,抗燃油瀝青混合料動態(tài)模量的擬合優(yōu)度均大于0.99,而相位角擬合優(yōu)度均大于0.97,擬合優(yōu)度較高.同時動態(tài)模量與相位角的擬合誤差均小于1.5%,充分反映出繪制的主曲線能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)出抗燃油瀝青混合料的無損黏彈性能.

3.2 試驗結(jié)果分析

按照3.1力學(xué)性能測試方法研究紫外老化后瀝青混合料的無損黏彈性性質(zhì).測試得到紫外老化后AC-13抗燃油瀝青混合料在4種溫度、6個頻率下的的動態(tài)模量和相位角數(shù)據(jù),匯總見表6.

表6 動態(tài)模量和相位角測量平均值

由表6可知:瀝青混合料紫外老化后,在不同溫度和不同頻率下混合料的動態(tài)模量處于200～18 000 MPa范圍內(nèi),相位角處于10°～30°范圍內(nèi).紫外老化后,模量的范圍都在700～4 500 MPa.由此可以預(yù)估,在低頻條件溫度為32 ℃時紫外老化后AC-13抗燃油瀝青混合料的模量符合規(guī)范要求.

預(yù)測動態(tài)模量和相位角的變化趨勢,結(jié)果見圖3,擬合結(jié)果見表7～8.

表7 主曲線擬合參數(shù)

表8 主曲線擬合優(yōu)度及誤差

圖3 動態(tài)模量和相位角主曲線

從主曲線上看,紫外老化后動態(tài)模量主曲線也為“S”型曲線,相位角主曲線為拋物線形狀.抗燃油瀝青混合料的λ值小于1,這表明繪制的動態(tài)模量主曲線均不關(guān)于曲線拐點對稱.從擬合誤差和精確性上看,動態(tài)模量擬合優(yōu)度均大于0.99,而相位角擬合優(yōu)度均大于0.95,均具有較高的擬合優(yōu)度.

3.3 無損黏彈性能對比分析

從表3和表6中老化前后動態(tài)模量試驗數(shù)據(jù)整體上看,兩者差別不大,老化后混合料在低溫下的模量有所增加,所有相位角也有所增加,這反映出紫外老化后混合料黏性性質(zhì)略有增加,而彈性性質(zhì)略有減小.

此外,從繪制的主曲線結(jié)果上看,紫外老化前后主曲線變化不明顯.但從表9兩者的擬合參數(shù)上看,紫外老化后混合料的極值參數(shù)δ和α都有所增大,反映出動態(tài)模量在極端頻率下有所變大,λ、β和γ等動態(tài)模量主曲線形狀參數(shù)變化不大,時溫等效因子αT的擬合參數(shù)C1和C2也幾乎無變化.這些均說明紫外老化對混合料性能影響較為有限,紫外老化后混合料的整體無損黏彈性能差異較小.

表9 主曲線擬合參數(shù)對比

4 結(jié) 論

1) 依據(jù)FAA規(guī)范的要求,得出抗燃油瀝青混凝土最佳配合比,確定了AC-13瀝青混合料的合成級配.并使用規(guī)范中方法對混合料的抗燃油性能進(jìn)行了檢測,最終確定了PR AK抗燃油改性劑摻量占瀝青混凝土0.6%,同時用馬歇爾試驗確定AC-13抗燃油瀝青混合料的最佳瀝青含量為5.0%.

2) 通過動態(tài)模量試驗評價抗燃油瀝青混凝土的無損黏彈性能,動態(tài)模量主曲線為“S”形狀,相位角主曲線為拋物線形狀.通過動態(tài)模量主曲線和相位角主曲線的預(yù)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗燃油瀝青混凝土可以滿足FAA規(guī)范中規(guī)定的路面動態(tài)模量為1 380 MPa的要求.

3) 對紫外老化前后抗燃油瀝青混凝土的無損黏彈性能進(jìn)行對比分析,發(fā)現(xiàn)紫外老化后混合料在低溫下的模量有所增加,所有相位角均有一定幅度的增加,這反映出紫外老化后混合料黏性性質(zhì)略有增加,而彈性性質(zhì)略有減小,但整體變化量較小,說明紫外老化對抗燃油瀝青混凝土的無損黏彈性能的影響較為有限.