不同紫外分區(qū)下的瀝青路面全壽命模擬方法研究*

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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)在設(shè)計(jì)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(huì)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(yàn)儀，但因設(shè)備使用條件復(fù)雜，很少用于試驗(yàn)。日本開展了模擬氣候條件下的瀝青加速老化試驗(yàn)，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(yàn)，但室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)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(yàn)最大限度地模擬實(shí)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(shí)服役環(huán)境。

本文按照不同的太陽能輻照分區(qū)，搜集每個(gè)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(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

模擬每個(gè)分區(qū)時(shí)，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(shí)，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(shí)，上、中、下面層均采用90號瀝青；模擬第三分區(qū)時(shí)，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(shí)，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(yàn)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(shí)間為6 h，將瀝青放入確定溫度的烘箱中加熱，加熱時(shí)間為3 h。

2) 拌和。將瀝青混合料拌和機(jī)調(diào)到試驗(yàn)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(shí)。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(shí)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(yàn)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(yàn)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(yàn)的等效溫度計(jì)算方法，即在該溫度下，實(shí)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(jì)算方法為[6]

Teff(PD)=30.8-0.12Zcr+0.92MAAT設(shè)計(jì)

(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(jì)=MAAT平均+Kα·σMAAT，其中MAAT平均為根據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)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(jì)算，取路面下2 cm處溫度為瀝青面層的代表溫度。由統(tǒng)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(shí)，模擬1年交通量作用所需的碾壓時(shí)間。由采集的交通量數(shù)據(jù)換算到實(shí)際路面車轍有效交通量的計(jì)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(jì)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(shí)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(shí)間分布系數(shù)計(jì)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(jì)算，模擬時(shí)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(shí)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(shí)接地面積與軸重經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算得到，計(jì)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(tái)提供的我國56種常用汽車型號計(jì)算后得知，當(dāng)汽車從滿載至超載5倍時(shí)，計(jì)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(dòng)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(jì)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(shí)間,h。

由《2014年中國統(tǒng)計(jì)年鑒》可知，我國各地區(qū)年平均相對濕度在43%～82%，模擬時(shí)，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(shí)，會(huì)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(gè)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(shí)，其氧氣體積分?jǐn)?shù)也可知，模擬時(shí)氧氣體積分?jǐn)?shù)采用所模擬地區(qū)的氧氣體積分?jǐn)?shù)，計(jì)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(jì)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(jì)算方法為

Ea1=1 000W/(3.6×365×12)

(7)

式中：Ea1為模擬時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)；達(dá)到相應(yīng)時(shí)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(shí)間計(jì)算方法為

t總=t+t′

(8)

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

t′=(1 000W-3.6×t×Ea1)/(3.6×10Ea1)

紫外輻照參數(shù)范圍計(jì)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(shí)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(dú)紫外老化時(shí)強(qiáng)度為210～270 W/m2，全壽命模擬時(shí)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(shí)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(dú)紫外老化時(shí)強(qiáng)度為186～210 W/m2，全壽命模擬時(shí)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(shí)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(dú)紫外老化時(shí)強(qiáng)度為158～186 W/m2，全壽命模擬時(shí)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(shí)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(dú)紫外老化時(shí)強(qiáng)度為105～158 W/m2，全壽命模擬時(shí)強(qiáng)度為10.5～15.8 W/m2。

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