礦料級配對紫外光老化瀝青混合料高低溫性能影響研究

童申家，劉金修，王 乾，高遠(yuǎn)東

（西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

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，在使用過程中其性能會發(fā)生老化降低的現(xiàn)象，在強(qiáng)紫外光輻射地區(qū)，瀝青混合料高低溫性能受其老化影響現(xiàn)象尤為突出[1-2].而礦料級配與瀝青混合料高低溫性能密切相關(guān)，因此為了保證瀝青路面具有良好的高低溫性能和較長的使用壽命，瀝青混合料應(yīng)具有良好的抗紫外光老化、抗高溫變形、抗低溫開裂等路用性能.

對于強(qiáng)紫外光輻射地區(qū)影響瀝青混合料高低溫性能的影響因素有很多，其中包括瀝青種類、油石比、輻射強(qiáng)度、集料種類和礦料級配等，對于前4個影響因素國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量試驗(yàn)與理論研究[3-7].而針對礦料級配對紫外光老化瀝青混合料高低溫性能影響研究相對較少.張爭奇、陳國明等[8-10]做了礦料級配對瀝青混合料路用性能的研究，但是沒有考慮紫外光輻射影響；李惠霞等[11-12]人做了紫外光老化前后瀝青混合料路用性能的對比而沒有研究礦料級配對紫外光老化瀝青混合料高低溫性能影響.

鑒于此，研究從礦料級配設(shè)計入手，分別選取AC-13和AC-16各5種S型級配進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，對比分析礦料級配與紫外光老化瀝青混合料高低溫性能的相關(guān)性，闡述礦料級配對紫外光老化瀝青混合料高低溫性能的影響規(guī)律，并提出適用于強(qiáng)紫外光輻射地區(qū)的礦料級配，以期為強(qiáng)紫外光輻射地區(qū)瀝青路面的級配優(yōu)化設(shè)計提供參考.

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)[13]相關(guān)規(guī)定，對瀝青的各項性能指標(biāo)進(jìn)行測試，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)所用的粗細(xì)集料均為內(nèi)蒙古蘇宏圖公路料場的優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r，包括20～40 mm、10～20mm、5～10 mm、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)[14]的規(guī)定，對集料進(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 礦料級配及最佳瀝青用量的確定

2.1 礦料級配類型

由于紫外光對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密級配瀝青混合料進(jìn)行研究.在規(guī)范規(guī)定的級配范圍內(nèi)通過控制關(guān)鍵篩孔9.5、4.75、2.36 mm的通過率，適當(dāng)減少公稱最大粒徑附近的粗集料用量同時減少細(xì)集料用量，形成具有較多中等粒徑集料的S型級配曲線，使通過調(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，也兼顧低溫抗裂性的要求.鑒于此，本文針對AC-13和AC-16瀝青混合料分別擬定了5種級配進(jìn)行研究，分別記為AC-13S1、S2、S3、S4、S5和AC-16S1、S2、S3、S4、S5.各級配組成分別匯總于下表1～2.

表1 AC-13各級配的礦料組成Tab.1 The aggregate composition of AC-13

表2 AC-16各級配的礦料級配組成Tab.2 The aggregate composition of AC-16

2.2 最佳瀝青用量的確定

本文通過采用馬歇爾試驗(yàn)確定瀝青混合料各級配的最佳瀝青用量，對于以上確定的AC-13與AC-16的各個級配，分別與SBS I-C改性瀝青制作成瀝青混合料試驗(yàn)試件，瀝青用量的選用原則為根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)以0.5%的間隔選取油石比.對以上瀝青混合料按照瀝青混合料試件制作方法(擊實(shí)法，T0702-2011)[15]制作成標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，通過毛體積密度、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)確定各個級配最佳油石比.在試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，綜合路用性能試驗(yàn)結(jié)果確定其最佳油石比.如下表3所示.

表3 瀝青混合料最佳油石比Tab.3 The optimum asphalt aggregate ratio of asphalt mix

3 室內(nèi)模擬紫外光老化試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用室內(nèi)紫外光老化環(huán)境箱對不同級配的瀝青混合料按照室內(nèi)、室外紫外光輻射總量相等的原則進(jìn)行老化試驗(yàn).紫外光環(huán)境箱采用1 500 W的高壓汞燈，試件所受輻射強(qiáng)度為250 W·m-2，老化時長取為81小時，即相當(dāng)于拉薩地區(qū)自然老化2個月.

按照規(guī)范規(guī)定，將不同級配的瀝青混合料分別制成馬歇爾試件和車轍板試件，其中馬歇爾試件以4個為一組，車轍板試件以3個為一組，將成型好的馬歇爾試件和車轍板試件分為兩組，一組進(jìn)行室內(nèi)紫外光老化試驗(yàn)，一組作為對照組不進(jìn)行老化；對老化后的馬歇爾試件進(jìn)行低溫劈裂試驗(yàn)，以劈裂強(qiáng)度來評價瀝青混合料的低溫性能，對老化后的車轍板試件進(jìn)行車轍試驗(yàn)，以動穩(wěn)定度來評價瀝青混合料的高溫性能.

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為系統(tǒng)分析不同級配對瀝青混合料紫外光老化前后動穩(wěn)定度和低溫劈裂強(qiáng)度的影響規(guī)律，將試驗(yàn)結(jié)果分別繪制成不同級配瀝青混合料紫外光老化前后動穩(wěn)定度與低溫劈裂強(qiáng)度結(jié)果的柱狀圖，如下圖1、圖2所示.

圖1 不同級配瀝青混合料紫外光老化前后動穩(wěn)定度的變化Fig1 Different gradations of asphalt mixtures before and after UV aging change of dynamic stability

圖2 不同級配瀝青混合料紫外光老化前后低溫劈裂強(qiáng)度的變化Fig2 Different gradations of asphalt mixtures before and after UV aging change of low cleavage strength

通過分析圖1和圖2 可以得出以下結(jié)論：

(1) 各級配瀝青混合料的動穩(wěn)定度與低溫劈裂強(qiáng)度在紫外光老化后均呈降低的趨勢，但級配不同其降低幅度有所不同.在動穩(wěn)定度方面，所選AC-13級配降幅由大到小為S1＞S4＞S3＞S2＞S5，AC-16級配降幅由大到小為S2＞S1＞S5＞S3＞S4；在低溫劈裂強(qiáng)度方面，所選AC-13級配降幅由大到小為S5＞S2＞S3＞S4＞S1，AC-16級配降幅由大到小為S4＞S5＞S3＞S1＞S2.

(2) AC-13S5型級配與AC-16S4型級配紫外光老化后瀝青混合料的動穩(wěn)定度降低最少，分別只降低了23.85%與24.32%.AC-13S1型級配與AC-16S2型級配紫外光老化后瀝青混合料的動穩(wěn)定度降低最多，分別降低了47.85%與52.36%.表明在S型級配礦料組成中，粗集料含量越多，紫外光老化后瀝青混合料的動穩(wěn)定度下降越少.原因在于級配所含粗骨料越多，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較小，因此與細(xì)集料含量較多時的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)相比，其動穩(wěn)定度降幅較小.因此AC-13S5型、AC-16S4型級配具有較好的高溫抗紫外光老化性能.

(3) AC-13S1型級配與AC-16S2型級配紫外光老化后瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度降低最少，分別只降低了21.1%與21.86%.AC-13S5型級配與AC-16S4型級配紫外光老化后瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度降低最少，分別降低了42.02%與39.07%.表明在S型級配礦料組成中，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.原因在于級配所含細(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較小，因此與粗骨料含量較多時的骨架空隙結(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較小.因此AC-13S1型、AC-16S2型級配具有較好的低溫抗紫外光老化性能.

(4) AC-13S1型級配與AC-16S2型級配紫外光老化后瀝青混合料的動穩(wěn)定度降低最多，分別降低了47.85%與52.36%.而其對應(yīng)的紫外光老化后瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度降低卻是最少，分別只降低了21.1%與21.86%.因此，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出瀝青混合料的某些性能是相互制約或者是相互矛盾的，單純?yōu)榱俗非竽骋宦酚眯阅?，可能會?dǎo)致其他路用性能的降低.鑒于此，對于瀝青混合料級配的選擇，實(shí)際是在平衡各種路用性能之間的關(guān)系，尤其對于高等級瀝青混凝土路面而言，級配的優(yōu)化設(shè)計還應(yīng)該根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和交通狀況做具體的分析.

5 結(jié)論

(1) 在S型級配礦料組成中，粗集料含量越多，紫外光老化后瀝青混合料的動穩(wěn)定度下降越少，抗紫外光老化性能與高溫穩(wěn)定性越好.在強(qiáng)紫外線輻射地區(qū)，對高溫穩(wěn)定性要求較高的路段，推薦選用AC-13S5型、AC-16S4型級配.

(2) 在S型級配礦料組成中，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，抗紫外光老化性能與低溫抗裂性越好.在強(qiáng)紫外線輻射地區(qū)，對低溫抗裂性要求較高的路段，推薦選用AC-13S1型、AC-16S2型級配.

References

[1] 彭浩, 王福成, 楊濤, 等. 礦料級配對瀝青混合料路用性能影響的試驗(yàn)分析[J]. 公路工程, 2013, 38(2): 36-40.PENG Hao, WANG Fucheng, Yang Tao, et al. Experimental Analysis on Effect of Aggregate Gradation on Pavement Performance of Asphalt Mixtures[J]. Highway Engineering, 2013, 38(2): 36-40.

[2] 程培峰, 范平. 礦料級配對溫拌橡膠瀝青混合料性能的影響[J]. 公路交通科技, 2014, 31(3): 32-37.CHENG Peifeng, FAN Ping. Effect of Aggregate Gradation on Performance of Rubberized WMA[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development,2014, 31(3): 32-37.

[3] 楊瑞華, 許志鴻, 張 超, 等. 瀝青混合料分形級配理論[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2008, 36(12):1642-1646.YANG Ruihua, XU Zhihong, ZHANG Chao, et al. Fractal Gradation Theory of Asphalt Mixture[J]. Journal of Tongji University: Natural Science Edition, 2008, 36(12):1642-1646.

[4] 彭 勇, 孫立軍, 石永久, 等. 瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的影響因素[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報: 工學(xué)版, 2007, 37(6):1304-1307.PENG Yong, SUN Lijun, SHI Yongjiu, et al. Factors Affecting Splitting Strength of Asphalt Mixture[J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition,2007, 37(6): 1304-1307.

[5] 朱洪洲, 黃曉明. 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素分析[J]. 公路交通科技, 2004, 21(4): 1-3, 8.ZHU Hongzhou. HUANG xiaoming. Analysis of Affecting Factors on Thermal Stability of Asphalt Mixtures[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2004, 21(4): 1-3, 8.

[6] 裴建中, 張嘉林, 常明豐. 礦料級配對多空瀝青混合料空隙分布特性的影響[J]. 中國公路學(xué)報, 2010, 23(1): 1-6.PEI Jianzhong, ZHANG Jialin, CHANG Mingfeng. Influence of Mineral Aggregate Gradation on Air Void Distribution Characteristic of Porous Asphalt Mixture[J]. China Journal of Highway and Transport, 2010. 23(1): 1-6.

[7] ARAMBULA E, MASAD E, MARTIN A E. Influence of Air Void Distribution on the Moisture Susceptibility of Asphalt Mixes[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2007. 19(8): 655-644.

[8] 張爭奇, 趙戰(zhàn)利, 張衛(wèi)平. 礦料級配對瀝青混合料低溫性能的影響[J]. 長安大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2005,25(2): 1-5.ZHANG Zhengqi, ZHAO Zhanli, ZHANG Weiping. Effect of Aggregate Gradation on Performance of Asphalt Mix at Low Temperature[J]. Journal of Chang’an University: Natural Science Edition, 2005, 25(2): 1-5.

[9] 陳國明. 礦料級配對瀝青混合料性能的影響[J]. 公路,2009, 3(3): 135-138.CHEN Guoming. Influence of Mineral Aggregate Gradation Trend on Performance of Asphalt[J]. Highway, 2009,3(3): 135-138.

[10] 申愛琴, 蔣慶華, 祁秀林. 礦料級配對瀝青混合料路用性能的影響[J]. 長安大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2002,22(6): 1-4.SHEN Aiqin, JIANG Qinghua, QI Xiulin. Influence of Aggregate Grading on Performance of Asphalt[J]. Journal of Chang’an University: Natural Science Edition, 2002,22(6): 1-4.

[11] 李惠霞, 郭金敏, 童申家. 紫外光老化瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素研究[J]. 公路工程, 2014, 39(2): 72-75.LI Huixia, GUO Jinmin, TONG Shenjia. Research on Influence Factors High Temperature Stability of Ultraviolet Aging Asphalt Mixture[J]. Highway Engineering, 2014,39(2): 72-75.

[12] 李惠霞, 王宏艷. 紫外光老化瀝青混合料路用性能影響[J]. 中外公路. 2015. 35(1): 233-236.LI Hui-xia, WANG Hong-yan. Effect of Ultraviolet Aging As-phalt Mixture Road Performance[J]. Journal of China and Foreign Highway, 2015. 35(1): 233-236.

[13] JTG E20-2011 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S]. 北京: 人民交通出版社, 2011.JTG E20-2011 Highway Engineering Asphalt and Asphalt Test Procedures[S]. Beijing: People's Traffic Press,2011.

[14] JTG E42-2005 公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程[S]. 北京: 人民交通出版社, 2005.JTG E42-2005 Highway Engineering Aggregate Test Procedures[S]. Beijing: People's Traffic Press, 2005.

[15] T0702-2011 瀝青混合料試件制作方法(擊實(shí)法)[S]. 北京: 人民交通出版社, 2011.T0702-2011 Asphalt Mixture Specimen Method (Compaction Method)[S]. Beijing: People's Traffic Press, 2011.