基于分形理論的礦料級配對紫外光老化瀝青混合料性能研究

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)

?

基于分形理論的礦料級配對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)

為了研究不同級配對紫外光老化瀝青混合料高低溫性能的影響，采用分型級配理論，分別選取AC — 13和AC — 16各5種級配進(jìn)行室內(nèi)試驗，分析不同級配對紫外光老化瀝青混合料高低溫性能的影響規(guī)律。試驗結(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??；其中AC — 13S5型、AC — 16S4型級配具有較好的高溫抗紫外光老化性能，AC — 13S1型、AC — 16S2型級配具有較好的低溫抗紫外光老化性能。

瀝青混合料； 礦料級配； 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)，瀝青混合料路用性能受其老化影響現(xiàn)象尤為突出[1，2]。

對于強(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)度和礦料級配等，對于前3個影響因素國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量試驗與理論研究[3-5]。而針對礦料級配對紫外光老化瀝青混合料路用性能影響研究相對較少。程培峰、張爭奇等[6，7]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[8]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路用性能影響。

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，對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)闡述礦料級配對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

1.1瀝青

考慮到現(xiàn)有高等級瀝青路面實際工程中的應(yīng)用情況，本文試驗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規(guī)程》(JTG E20 — 2011)中相關(guān)規(guī)定，對所用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)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42 — 2005)的規(guī)定，對集料進(jìn)行性能試驗，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和細(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。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見表1、表2。

表1 AC—13各級配的礦料組成Table1 TheaggregatecompositionofAC—13級配類型通過下列篩孔(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各級配的礦料級配組成Table2 TheaggregatecompositionofAC—16級配類型通過下列篩孔(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

本文通過歇爾試驗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的各級配，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)驗以0.5%的間隔選取油石比。對以上瀝青混合料按照擊實法制作成標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件進(jìn)行試驗，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)確定各級配的最佳油石比。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行路用性能試驗，綜合試驗結(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)境箱對試驗試件按照室內(nèi)、室外紫外光輻射總量相等的原則進(jìn)行老化試驗。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，老化時長取為81 h，即相當(dāng)于拉薩地區(qū)自然老化2個月。將不同級配的瀝青混合料按照試驗規(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，一組作為對照組不進(jìn)行老化。

4　試驗結(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，將紫外光老化前后試件的動穩(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級配車轍試驗結(jié)果Table4 TheresultofruttingtestofAC—13,AC—16級配級配類型動穩(wěn)定度/(次·mm-1)紫外光老化前紫外光老化后動穩(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各級配低溫劈裂試驗結(jié)果Table5 TheresultofLowcleavagestrengthtestofAC—13,AC—16級配級配類型劈裂強(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)用分形級配理論[9-11]，將級配分布分形維數(shù)D與老化前后瀝青混合料動穩(wěn)定度及劈裂強(qiáng)度的變化建立聯(lián)系，來研究礦料級配對瀝青混合料抗紫外光老化性能的影響規(guī)律。根據(jù)分型級配理論將表3、表4中的級配數(shù)據(jù)按照下式進(jìn)行計算。

(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。

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

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

(2)

對式(2)兩邊同取對數(shù)可得：

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

(3)

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

圖1　級配雙對數(shù)圖Figure 1　Graded double logarithmic plot

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

表6 不同級配瀝青混合料的粒徑分布分形維數(shù)Table6 Differentgradedasphaltmixtureoftheparticlesizedistributionfractaldimension級配類型斜率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)直觀的描述不同級配對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中的試驗結(jié)果與表6中粒徑分布分維數(shù)建立聯(lián)系，對動穩(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，動穩(wěn)定度的降幅呈增大的趨勢。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。原因在于粒徑分布分形維數(shù)D越小，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結(jié)構(gòu)相比，其動穩(wěn)定度降幅較小。其中AC — 13S5型、AC — 16S4型級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，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。原因在于粒徑分布分形維數(shù)D越大，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。其中AC — 13S1型、AC — 16S2型級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，通過粒徑分布分形維數(shù)D來研究礦料級配對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，瀝青混合料動穩(wěn)定度受紫外光老化作用的影響越強(qiáng)烈，動穩(wěn)定度降幅越大。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，應(yīng)優(yōu)先選用粒徑分布分形維數(shù)D較小的級配組成。

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較大的級配組成。

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

[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分析[J].公路工程,2013,38(2):36-40.

[2]徐秀維.BRA改性瀝青及混合料路用性能評價[J].中外公路,2013,33(3):273-275.

[3]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.

[4]趙麗華,徐剛.礦物纖維對瀝青混合料路用性能影響及機(jī)理分析[J].公路工程,2013，38(1):203-207.

[5]黃寶濤,李家春,催娥,等.基于路用性能的瀝青混合料的最佳瀝青用量[J].長安大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,29(2):28-32.

[6]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.

[7]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.

[8]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.

[9]李俊,謝軍.基于分型級配理論的瀝青混合料剪切性能試驗研究[J].公路工程，2013，38(1):75-81.

[10]楊瑞華,許志鴻,張 超.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.

[11]李虎,陳永云,張誠.基于級配分型理論的AC-13型混合料路用性能研究[J].公路工程，2013，38(1):124-128.

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