基于瀝青損傷等效的瀝青混合料火燒評(píng)價(jià)方法研究

范倩, 李浩,3, 馬健萍, 何偉杰

(1.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420；2.廣東交科檢測(cè)有限公司；3.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院)

伴隨高速公路路網(wǎng)的日趨完善、交通量的快速增長(zhǎng)，廣東省每年都會(huì)出現(xiàn)十幾起因油品泄漏而引發(fā)的瀝青路面火燒次生災(zāi)害。事故發(fā)生后，社會(huì)關(guān)注度高、交通影響大。然而，現(xiàn)行規(guī)范暫無火燒對(duì)瀝青路面使用性能影響的評(píng)定方法，瀝青路面火燒后的處置是困擾道路管理者的一大難題。

在此背景下，李浩提出以油蝕度研究瀝青路面油蝕機(jī)理，并建立了瀝青混合料油蝕試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)體系；李善強(qiáng)研究了不同溫度下柴油對(duì)瀝青路面的影響；曹曉峰開展了柴油對(duì)瀝青路面的長(zhǎng)期性能影響研究；黃克旺開展了煤焦油對(duì)瀝青混凝土路面的影響研究，并對(duì)處治效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)；譚振宇開展了柴油泄漏對(duì)瀝青路面使用性能的影響研究；何偉杰依托廣東省某高速公路火燒案例，開展了火燒對(duì)瀝青路面使用性能的影響研究，研究結(jié)論表明：火燒對(duì)瀝青路面的影響機(jī)理主要在于老化，但室內(nèi)試驗(yàn)考慮因素少、試驗(yàn)方法不成體系、火燒機(jī)理闡述不充分。綜上所述，現(xiàn)有研究主要集中于油品泄漏對(duì)瀝青路面的影響研究，火燒雖有涉及，但研究不夠深入，理論依據(jù)不充分，評(píng)價(jià)方法未形成體系，不能指導(dǎo)工程應(yīng)用。

該文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，參照瀝青常規(guī)老化后指標(biāo)的變化規(guī)律及合格性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，開展不同燃燒機(jī)制下試驗(yàn)方法的合理性對(duì)比分析，以確定標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)火燒試驗(yàn)方法；并基于瀝青損傷等效原理建立瀝青老化數(shù)據(jù)庫，通過對(duì)比火燒后瀝青指標(biāo)與瀝青老化數(shù)據(jù)庫的映射關(guān)系，定量分析火燒對(duì)瀝青混合料的影響。

1 火燒試驗(yàn)方法的建立

基于現(xiàn)有研究成果，結(jié)合筆者近幾年處理火燒事故的工程案例經(jīng)驗(yàn)可知，火燒對(duì)瀝青路面的影響主要在于老化。因此，火燒試驗(yàn)方法的確定參照瀝青常規(guī)老化后指標(biāo)的變化規(guī)律及合格性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，開展不同燃燒機(jī)制下試驗(yàn)方法的合理性對(duì)比分析，以確定標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)火燒試驗(yàn)方法。

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

遵循室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M應(yīng)盡量接近瀝青路面真實(shí)火燒的原則，設(shè)計(jì)了3種不同的室內(nèi)試驗(yàn)方案，3種方案均以汽油引燃瀝青，但其主要區(qū)別在于瀝青燃燒機(jī)制的差異：方案1為汽油包裹瀝青燃燒；方案2為汽油包裹部分瀝青混合料燃燒；方案3為汽油、瀝青混合料分離，汽油僅作為燃燒源?；馃囼?yàn)方案設(shè)計(jì)的合理與否參照瀝青老化后指標(biāo)的變化規(guī)律及合格的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)判，將3種方案火燒后瀝青的性能指標(biāo)(軟化點(diǎn)、針入度、延度)與其老化后的性能進(jìn)行對(duì)比，以確定最優(yōu)的室內(nèi)火燒試驗(yàn)方法。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

方案1：常溫下將固態(tài)瀝青和汽油直接混合予以燃燒，再測(cè)試火燒后瀝青的三大指標(biāo)，并與原樣瀝青常規(guī)老化后的指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。其中，瀝青選用SBS改性瀝青和70#基質(zhì)瀝青，瀝青(按質(zhì)量計(jì))與汽油(按體積計(jì))的比例為1∶1(100 g∶100 mL)和1∶3(100 g∶300 mL)；燃燒以自然熄滅為終止條件。

原樣瀝青老化前后三大指標(biāo)及合格標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，其中，老化后合格標(biāo)準(zhǔn)參照J(rèn)TG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》制定，對(duì)于70#基質(zhì)瀝青，根據(jù)殘留針入度比不小于61%計(jì)算得到老化后針入度為不小于38.4(0.01 mm)，對(duì)于SBS改性瀝青，根據(jù)殘留針入度比不小于65%計(jì)算得到老化后針入度為不小于28.6(0.01 mm)；同時(shí)，規(guī)范分別給出了70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青老化后的延度為不小于6 cm(10 ℃)、不小于15 cm(5 ℃)。

表1 原樣瀝青老化前后三大指標(biāo)及合格標(biāo)準(zhǔn)

方案1試驗(yàn)結(jié)果如表2、3所示。

表2 方案1：70#基質(zhì)瀝青試驗(yàn)結(jié)果

表3 方案1：SBS改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果

由表1、2、3可得：對(duì)70#基質(zhì)瀝青而言，常規(guī)老化后的軟化點(diǎn)升高、針入度及延度均下降；對(duì)SBS改性瀝青而言，常規(guī)老化后的軟化點(diǎn)、針入度及延度均下降，而火燒后兩種瀝青的軟化點(diǎn)均下降，針入度及延度均升高。

對(duì)于基質(zhì)瀝青和改性瀝青而言，方案1設(shè)計(jì)的火燒試驗(yàn)結(jié)果與老化的作用截然相反，試驗(yàn)結(jié)論與文獻(xiàn)[7]相差較大，也不符合實(shí)際情況。

出現(xiàn)這種結(jié)論的原因在于：方案1固態(tài)瀝青和汽油直接混合，其燃燒機(jī)制為汽油包裹瀝青燃燒。汽油燃燒后，固體瀝青表面溫度驟然上升，溫度場(chǎng)由表及里逐步傳遞，瀝青逐漸由固態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)；與此同時(shí)，溫度升高，分子活動(dòng)加劇，瀝青和汽油的相似相溶反應(yīng)加劇，大量瀝青會(huì)逐步溶解至汽油中。溫度升高導(dǎo)致瀝青形態(tài)的轉(zhuǎn)變和相似相溶的耦合作用，瀝青與汽油的接觸界面會(huì)積累大量的瀝青-汽油混溶物，待汽油燃燒殆盡，混溶物中的汽油不足以維持燃燒時(shí)，燃燒自動(dòng)終止。

從燃燒過程可見，燃燒后的回收瀝青中混溶有大量的汽油，這部分汽油與瀝青已經(jīng)融合，并形成了一種新的混溶物。測(cè)試延度和針入度所取的樣品中含有大量的混溶物，因汽油液態(tài)的存在，導(dǎo)致軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果偏低、延度和針入度的試驗(yàn)結(jié)果明顯偏大，從而出現(xiàn)與文獻(xiàn)[7]截然相反的結(jié)論。

在方案1的基礎(chǔ)上，優(yōu)化、改進(jìn)試驗(yàn)方案，形成方案2：室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)并定制了圓柱形的火燒桶，火燒桶采用不銹鋼材質(zhì)，耐高溫，內(nèi)徑φ250 mm,外徑φ260 mm,高250 mm，桶底采用凹槽設(shè)計(jì)，便于存有一定量的汽油以維持燃燒；往桶中加入預(yù)先計(jì)算好質(zhì)量的汽油，然后將成型的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件(1組4個(gè)試件)放置于桶底，汽油浸泡試件底部1 cm。燃燒到預(yù)定時(shí)間，通過砂石滅火。將燃燒后的瀝青混合料進(jìn)行抽提、回收，并與原樣瀝青常規(guī)老化后的指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。

瀝青的選用同方案1，混合料選擇70#基質(zhì)瀝青混合料GAC-25和SBS改性瀝青混合料GAC-16。試驗(yàn)結(jié)果如表4、5所示。

表4 方案2：GAC-25基質(zhì)瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果

由表4可得：對(duì)基質(zhì)瀝青混合料GAC-25而言，火燒后回收瀝青的軟化點(diǎn)升高、針入度及延度均下降，三大指標(biāo)變化規(guī)律與表1中的70#基質(zhì)瀝青常規(guī)老化規(guī)律相似；由表5可得：對(duì)SBS改性瀝青混合料GAC-16而言，火燒后瀝青的軟化點(diǎn)、針入度及延度均下降，三大指標(biāo)變化規(guī)律與表2中的SBS改性瀝青常規(guī)老化規(guī)律相似。

表5 方案2:GAC-16 改性瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果

整體上看，改進(jìn)后的方案2較方案1更為合理，規(guī)律與常規(guī)老化基本相似。但進(jìn)一步對(duì)比組間數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：① 兩種瀝青混合料不同火燒時(shí)間后的瀝青指標(biāo)差異不大，體現(xiàn)不出火燒時(shí)間對(duì)瀝青混合料的影響；② 根據(jù)表1評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于兩種瀝青混合料，不同火燒時(shí)間后的瀝青指標(biāo)均為合格，不合常理。

原因在于：在瀝青混合料中，瀝青以薄膜形式包裹集料，采用汽油浸泡瀝青混合料的方式，瀝青形態(tài)的轉(zhuǎn)變和相似相溶的耦合作用雖不如方案1強(qiáng)烈，但汽油和瀝青直接接觸的機(jī)制無法避免少量瀝青-汽油混溶物的存在，方案1已表明混溶物對(duì)瀝青性質(zhì)影響極大，回收瀝青中少量混溶物的存在對(duì)各指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響將覆蓋火燒老化機(jī)制的影響，導(dǎo)致組間數(shù)據(jù)差異不大。

在前兩次方案的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)，形成方案3：對(duì)方案2的火燒桶進(jìn)行改進(jìn)，在距離桶底5 cm處放置一篩孔為2.36 mm的方孔篩網(wǎng)，往桶中加入汽油，汽油表面不超過篩網(wǎng)，且距離篩網(wǎng)至少1 cm；然后將成型的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件(1組4個(gè)試件)放置于篩網(wǎng)上。燃燒到預(yù)定時(shí)間，通過砂石滅火。將燃燒后的瀝青混合料進(jìn)行抽提、回收，并與原樣瀝青常規(guī)老化后的指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)所選用的瀝青混合料與方案2相同，方案3試驗(yàn)結(jié)果如表6、7所示。

由表6、7可得：相比于方案2:① 整體上看，對(duì)兩種瀝青混合料而言，方案2、3火燒后的回收瀝青與常規(guī)老化后瀝青三大指標(biāo)變化規(guī)律相同，對(duì)基質(zhì)瀝青混合料GAC-25而言，火燒后回收瀝青的軟化點(diǎn)升高、針入度及延度均下降；對(duì)SBS改性瀝青混合料GAC-16而言，火燒后瀝青的軟化點(diǎn)、針入度及延度均下降；② 方案3中，兩種回收瀝青的軟化點(diǎn)均大于方案2，驗(yàn)證了方案2中回收瀝青中仍殘留有少量混溶物的結(jié)論；③ 方案2中，基質(zhì)瀝青混合料GAC-25和改性瀝青混合料GAC-16火燒10、20 min后回收瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)仍滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，而方案3中，除了改性瀝青混合料GAC-16火燒10 min的回收瀝青滿足規(guī)范要求外，其余均不滿足；④ 方案3可以反映火燒時(shí)間對(duì)回收瀝青影響的差異性，對(duì)GAC-25基質(zhì)瀝青混合料而言，雖火燒10、20 min的回收瀝青都不合格，但火燒20 min回收瀝青的針入度和延度表現(xiàn)更差，對(duì)GAC-16 改性瀝青混合料而言，火燒10 min的回收瀝青合格，但火燒20、30 min的回收瀝青均不合格，且火燒20 min回收瀝青的針入度和延度更差。

綜上所述，方案3(汽油-瀝青分離、汽油僅作為燃燒源)所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法能夠模擬瀝青路面真實(shí)火燒的情況，且能區(qū)分不同火燒時(shí)長(zhǎng)對(duì)瀝青混合料的影響，因此，將其作為標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)火燒試驗(yàn)方法。

2 瀝青損傷等效原理

火燒試驗(yàn)結(jié)果表明：火燒對(duì)瀝青三大指標(biāo)的影響機(jī)理與老化基本一致，但屬于定性分析范疇，卻不能予以定量，故不能對(duì)火燒的影響程度進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

基于火燒與老化對(duì)瀝青的影響機(jī)理基本相同的前提，可通過開展原樣瀝青不同老化程度的試驗(yàn)分析，建立瀝青老化數(shù)據(jù)庫。如此，瀝青老化數(shù)據(jù)庫便和火燒后的瀝青指標(biāo)具有了映射關(guān)系。在數(shù)據(jù)庫中查找與火燒后瀝青指標(biāo)相近的樣本，這樣便可將火燒的影響程度予以量化。其量化的基礎(chǔ)便是基于瀝青損傷等效原理：假定火燒和老化對(duì)瀝青影響機(jī)理相同，則認(rèn)定兩者作用后造成瀝青三大指標(biāo)相同(相近)的損傷等效。

因此，該節(jié)基于瀝青損傷等效原理，對(duì)上節(jié)采用的70#基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青進(jìn)行不同老化時(shí)間、溫度下的薄膜烘箱加熱試驗(yàn)及PAV壓力老化試驗(yàn)。70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青老化數(shù)據(jù)庫分別如表8、9所示。

表7 方案3:GAC-16 改性瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果

表8 70#基質(zhì)瀝青老化數(shù)據(jù)庫

表9 SBS改性瀝青老化數(shù)據(jù)庫

基于瀝青損傷等效原理，在表8中查找與表6中基質(zhì)瀝青不同火燒時(shí)間指標(biāo)相近的樣本，通過比對(duì)，可以看出基質(zhì)瀝青混合料火燒10、20 min的性能分別與原樣瀝青163 ℃老化10 h、180 ℃老化10 h的樣本較為接近。

同理，在表9中查找與表7中改性瀝青不同火燒時(shí)間指標(biāo)相近的樣本，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：① 火燒10 min后的SBS改性瀝青與180 ℃、老化5 h后的性能接近；② 火燒20 min后的SBS改性瀝青與180 ℃、老化10 h后的性能接近；③ 火燒30 min后的SBS改性瀝青與PAV壓力老化后的性能接近。

由此可見，基于瀝青損傷等效原理，建立火燒后瀝青指標(biāo)與瀝青老化數(shù)據(jù)庫的映射關(guān)系，通過對(duì)比，可定量地評(píng)價(jià)火燒的影響程度。

3 瀝青路面火燒實(shí)例調(diào)查分析

2017年，廣東省某高速公路通車不到3個(gè)月，長(zhǎng)約200 m的某路段遭受因汽油泄漏而引發(fā)的火燒事故，火燒事故持續(xù)了40 min。原路面結(jié)構(gòu)為5 cm GAC-16+6 cm GAC-20+8 cm GAC-25，上、中面層均為相同的SBS改性瀝青，下面層為普通瀝青。

通過現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣，室內(nèi)抽提、回收瀝青、三大指標(biāo)試驗(yàn)，得到火燒后的瀝青指標(biāo)如表10所示。

表10 回收瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

由表10可得，整體來看，火燒造成了上面層瀝青指標(biāo)出現(xiàn)較大幅度的下降，火燒對(duì)瀝青路面的影響主要在上面層，對(duì)中面層的影響較小。其中，上面層改性瀝青混合料GAC-16，火燒后瀝青的軟化點(diǎn)、針入度及延度均下降，與所設(shè)計(jì)的火燒試驗(yàn)方案3結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了火燒試驗(yàn)方法的可行性。

此外，建立上、中面層SBS改性瀝青老化數(shù)據(jù)庫，如表11所示。

表11 上、中面層SBS改性瀝青老化數(shù)據(jù)庫

將表10中指標(biāo)與表11進(jìn)行比對(duì)，未火燒路段瀝青指標(biāo)的下降，主要是由于施工期高溫及運(yùn)營期氧化等造成，而上面層經(jīng)歷40 min火燒后的指標(biāo)與PAV壓力老化后較為接近。根據(jù)Superpave研究成果，PAV壓力老化條件相當(dāng)于瀝青路面正常使用5～10年的老化條件。故可定量判定，對(duì)于該新建高速公路上面層，該次火燒事故縮短了其5～10年的使用年限。

4 瀝青混合料火燒評(píng)價(jià)方法

上文分別建立了標(biāo)準(zhǔn)的室內(nèi)火燒試驗(yàn)方法及火燒定量評(píng)價(jià)方法，通過總結(jié)、歸納可形成如下瀝青混合料火燒評(píng)價(jià)方法。

4.1 試驗(yàn)儀器及材料

(1)圓柱形不銹鋼火燒桶，內(nèi)徑φ250 mm，外徑φ260 mm，高250 mm，桶底采用凹槽設(shè)計(jì)，距離桶底5 cm處設(shè)置篩孔為2.36 mm的方孔篩網(wǎng)。

(2)瀝青回收設(shè)備：蒸餾裝置、高速離心分離器(可裝置4個(gè)以上的離心管，相對(duì)離心力不小于770 g)、離心管(容量250 mL以上)、減壓過濾器、油浴加熱器(有調(diào)溫裝置，控溫精度±1 ℃)、柄坩堝、燒杯等。

(3)瀝青性能測(cè)試設(shè)備：軟化點(diǎn)試驗(yàn)儀、延度儀、針入度儀。

(4)汽油：維持瀝青混合料試件燃燒。

(5)砂石：燃燒到預(yù)定時(shí)間，通過砂石滅火。

(6)三氯乙烯：溶解瀝青，便于回收。

4.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

(1)通過開展原樣瀝青不同老化程度的試驗(yàn)分析，建立瀝青老化數(shù)據(jù)庫。

(2)按規(guī)范規(guī)定方法成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件。

4.3 試驗(yàn)步驟

(1)將汽油倒入帶篩網(wǎng)的圓柱形不銹鋼火燒桶中，汽油不得超過篩網(wǎng)，且以汽油表面距離篩網(wǎng)1 cm為宜。

(2)將4個(gè)試件放置于篩網(wǎng)上。

(3)將汽油引燃，待達(dá)到設(shè)定燃燒時(shí)間后，通過覆蓋砂石將火熄滅，后冷卻1 h左右。

(4)采用JTG E20-2011《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的阿布森法，將火燒后的瀝青混合料進(jìn)行抽提、回收。

(5)測(cè)試回收瀝青的針入度、延度和軟化點(diǎn)。

4.4 結(jié)果判定

基于瀝青損傷等效原理，在瀝青老化數(shù)據(jù)庫中查找與火燒后瀝青指標(biāo)相近的樣本，通過對(duì)比火燒后瀝青指標(biāo)與瀝青老化數(shù)據(jù)庫的映射關(guān)系，判定火燒對(duì)瀝青混合料的影響程度。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)現(xiàn)行規(guī)范暫無瀝青混合料火燒評(píng)價(jià)方法、相關(guān)研究不充分的現(xiàn)狀，通過3種試驗(yàn)方案對(duì)比分析，開展了火燒機(jī)制合理性研究，確定了汽油-瀝青混合料分離的室內(nèi)火燒試驗(yàn)方法，且試驗(yàn)結(jié)果表明火燒后的回收瀝青與常規(guī)老化后瀝青三大指標(biāo)的變化規(guī)律相同。

(2)基于瀝青損傷等效原理，構(gòu)建了火燒瀝青指標(biāo)與瀝青老化數(shù)據(jù)庫的映射關(guān)系，通過對(duì)比，可定量地分析火燒對(duì)不同瀝青的影響程度，進(jìn)而建立瀝青混合料火燒評(píng)價(jià)方法。

(3)瀝青路面火燒實(shí)例調(diào)查分析表明，上面層改性瀝青混合料火燒后瀝青的三大指標(biāo)均下降，與所設(shè)計(jì)的火燒試驗(yàn)結(jié)果一致。基于瀝青損傷等效原理的瀝青混合料火燒評(píng)價(jià)方法可對(duì)火燒程度進(jìn)行評(píng)定，從而為道路管理者進(jìn)一步處置火燒路段提供參考和借鑒。