紫外線對溫拌瀝青混合料粘附性能的影響

于延忠,李冬娜,高宏剛,顏魯春,張 斌

(1.甘肅恒路交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司,甘肅省高等級公路養(yǎng)護(hù)工程研究中心,甘肅 蘭州 730030;2.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730030)

1 前 言

瀝青路面在應(yīng)用過程中容易受到溫度、水、紫外線和氧氣等的影響。尤其在受到強(qiáng)紫外線作用時(shí)極易造成路面破壞,降低瀝青路面使用壽命[1]。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者針對紫外線對瀝青性能的影響,紛紛對室內(nèi)紫外線老化(UV)模擬設(shè)備進(jìn)行研發(fā)。王佳妮等[2]對UV實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行了改裝,選擇高壓汞燈作為紫外線輻射光源,通過風(fēng)冷系統(tǒng)控制試樣表面的溫度、以及提供充足的氧氣供應(yīng)。Zeng等[3]重點(diǎn)研究了UV的深度,以及瀝青膜厚度與UV之間的關(guān)系,對UV過程中如何制備標(biāo)準(zhǔn)的試樣具有重要的參考意義。Li等[4]通過對不同波長范圍的紫外線對瀝青的輻射進(jìn)行研究,得出波長范圍為350～370 nm 時(shí)對瀝青結(jié)合料的老化效果最明顯,其次是340～380 nm,波長范圍為200～400 nm 的老化效果最輕,進(jìn)一步細(xì)化了實(shí)驗(yàn)參數(shù),Xiao等[5]研制了可模擬溫拌瀝青UV設(shè)備。

在研發(fā)設(shè)備的基礎(chǔ)上,國內(nèi)外學(xué)者紛紛對瀝青UV 機(jī)理展開研究。Wang等[6]研究發(fā)現(xiàn)隨UV 時(shí)間的延長,瀝青砂漿的界面裂紋擴(kuò)展速率變快。Yu等[7]基于動(dòng)態(tài)力學(xué)分析,開發(fā)了等效轉(zhuǎn)換方程式,用于評估UV 強(qiáng)度。崔世超等[8]認(rèn)為紫外線老化后,瀝青砂漿起裂點(diǎn)水平位移(U)和水平應(yīng)變(EXX)、應(yīng)力強(qiáng)度因子K 值及區(qū)域損傷因子D 值均增大,且隨UV 時(shí)長增加,增長速率加快。王雨瑾等[9]認(rèn)為紫外線對瀝青性能影響較大,瀝青在抽提過程中會(huì)造成熱氧老化,且不能準(zhǔn)確模擬路面實(shí)際老化狀態(tài),水會(huì)對瀝青混合料紫外線老化有一定的阻隔作用。胡錦軒[10]建立了瀝青UV 模型,對流變性能與其他性能指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。張興軍和馮輝霞[11]通過室內(nèi)UV 模擬提出了溫拌瀝青粘附性能的微觀表征方法。然而,目前缺乏準(zhǔn)確模擬瀝青UV 的室內(nèi)加速模擬設(shè)備和對瀝青老化模擬的驗(yàn)證,為此,本研究針對目前研究存在的問題,通過自主研發(fā)的設(shè)備對瀝青進(jìn)行老化性能評價(jià),并通過瀝青混合料性能實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其合理性。

2 原材料及試驗(yàn)方案

2.1 原材料

選用具有代表性的SK90#基質(zhì)瀝青為原材料,其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of matrix asphalt

選用的美國美德維實(shí)維克公司的Evotherm 溫拌劑是一種高分子表面活性劑、抗剝落劑,在一定條件下顯現(xiàn)出降黏、分散、乳化、抗剝落和降低施工溫度的作用[10]。其性能參數(shù)見表2。

表2 溫拌劑主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indicators of warm mix

2.2 研究方案

2.2.1 溫拌瀝青試樣制備 對135℃基質(zhì)瀝青加熱至牛頓流體狀態(tài)和0.5%瀝青質(zhì)量的Evotherm 溫拌劑用增力電動(dòng)攪拌器以500 r/min的速率低速攪拌2 min后,再在135℃、1 200 r/min的條件下高速攪拌20 min,使溫拌劑和基質(zhì)瀝青進(jìn)行充分的融合,即制得溫拌瀝青[11]。

2.2.2 UV 試驗(yàn)?zāi)M 參考文獻(xiàn)[11]的研發(fā)設(shè)備進(jìn)行UV 試驗(yàn)。根據(jù)自然條件下的年輻射總量與設(shè)定的室內(nèi)輻射強(qiáng)度進(jìn)行換算,將一年的輻射總量420 MJ/m2換算為室內(nèi)模擬時(shí)間,換算公式見式(1):

以時(shí)間為參數(shù)進(jìn)行換算,按照以上關(guān)系,分別設(shè)定室內(nèi)模擬UV 時(shí)間為50、100、150和200 h,其與自然條件下的對應(yīng)關(guān)系見表3。

表3 室內(nèi)外紫外線輻射時(shí)間換算表Table 3 Indoor and outdoor ultraviolet radiation time conversion table

2.2.3 UV 試樣制備 按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的T0610-2011實(shí)驗(yàn)方法將瀝青進(jìn)行短期老化。取(50±0.5)g經(jīng)短期老化后的瀝青澆筑在直徑為14 cm 的瀝青老化盤中,放入135℃的烘箱中20 min加熱平躺即制得UV試樣。

2.2.4 納觀粘附力測試 在AFM 實(shí)驗(yàn)中,力距-距離曲線由力譜實(shí)驗(yàn)測得,該曲線是作為壓電驅(qū)動(dòng)器位移函數(shù)的作用在樣品上力的曲線。懸臂偏轉(zhuǎn)力計(jì)算遵循虎克定律:

式中:F為樣品上的作用力,d為懸臂發(fā)生的偏轉(zhuǎn),kc為懸臂的彈性常數(shù)。

2.2.5 溫拌瀝青混合料配合比設(shè)計(jì) 在溫拌瀝青混合料的配比設(shè)計(jì)中,基質(zhì)瀝青與石灰?guī)r石料采用前述研究中的同一樣品。首先按照第2.2.3節(jié)制備UV瀝青方式制備UV 瀝青混合料,然后,混合料類型采用瀝青路面上面層常用的AC-13和AC-16型密級配混合料,級配曲線按照《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中規(guī)定的中間值,為保證各樣品的數(shù)據(jù)均勻性,成型試件時(shí)按照單粒徑合成。油石比分別采用5.1%、4.8%,空隙率均按照4.0%控制。

2.2.6 混合料性能試驗(yàn)方法 凍融劈裂強(qiáng)度比、馬歇爾殘留穩(wěn)定度根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的T0729-2011、T0709-2011試驗(yàn)方法;凍斷試驗(yàn)參照《美國公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(American Association of State Highway and Transportation Officials)》中的M231試驗(yàn)方法。

3 結(jié)果與討論

3.1 UV對溫拌瀝青納觀粘附力的影響

由圖1可以看出,溫拌瀝青在隔氧和光氧耦合條件下,納觀粘附力隨著UV 時(shí)間的延長而逐漸減小,在0～50 h內(nèi)減小幅度最大,尤其對于光氧耦合條件,繼續(xù)延長老化時(shí)間至150 h時(shí),納觀粘附力降低幅度明顯減小且趨于平穩(wěn)。此外,對比隔氧和光氧耦合的納觀粘附力可以發(fā)現(xiàn),光氧耦合條件下溫拌瀝青的納觀粘附力較隔氧條件整體呈下降趨勢。說明溫拌瀝青隨著UV 時(shí)間的延長粘附力逐漸衰減,而氧氣則加劇了溫拌瀝青的UV,降低了溫拌瀝青的粘附力。

圖1 UV 老化對溫拌瀝青納觀粘附力的影響Fig.1 Effect of UV aging on nano adhesion of warm mix asphalt

3.2 UV對溫拌瀝青混合料性能的影響

3.2.1 凍融劈裂強(qiáng)度比 凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn),是混合料在水損害前后的間接拉伸強(qiáng)度比值(TSR),是研究溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。從圖2可以看出,兩種類型的瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 變化規(guī)律基本一致,老化后混合料的劈裂強(qiáng)度比都有所下降,50 h UV 后劈裂強(qiáng)度比下降較為緩慢,隨UV 時(shí)間延長,劈裂強(qiáng)度比減幅增大;UV 對劈裂強(qiáng)度的影響要大于長期老化。從圖2還可知:AC-13和AC-16型密級配混合料凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比隨UV 時(shí)間的延長變化趨勢相同,均為逐漸減小。主要原因是:在紫外光輻照條件下造成溫拌瀝青和礦料之間的粘聚力降低,導(dǎo)致劈裂抗拉強(qiáng)度降低,且UV 時(shí)間越長,溫拌瀝青和礦料之間的粘聚力越低,從而使溫拌瀝青混合料在經(jīng)過凍融循環(huán)后劈裂強(qiáng)度降低很多,因而UV 后凍融劈裂強(qiáng)度比明顯減小。根據(jù)紫外光老化前后凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比的變化量ΔTSR 可知,溫拌瀝青混合料在UV 時(shí)間為50 h以內(nèi)時(shí),凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比的變化量最小,受紫外光影響的程度不太顯著,繼續(xù)延長UV 時(shí)間至150 h時(shí),溫拌瀝青混合料受UV 影響程度較大,當(dāng)老化時(shí)間超過150 h時(shí),溫拌瀝青混合料凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比逐漸趨于平衡。

圖2 UV 下溫拌瀝青混合料的凍融劈裂值Fig.2 Tensile strength ratios at ultraviolet aging conditions

3.2.2 馬歇爾殘留穩(wěn)定度 馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn),是研究混合料在有水的條件下,混合料的殘留強(qiáng)度,也是評價(jià)混合料水損害的一項(xiàng)重要指標(biāo)。從圖3可知,馬歇爾殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律相似,隨著UV 時(shí)間延長,殘留穩(wěn)定度降低,說明UV 影響水損害性能顯著。

圖3 UV 下溫拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度值Fig.3 Residual marshall stability at ultraviolet aging conditions

從圖3還可知:AC-13和AC-16型密級配混合料殘留穩(wěn)定度值均隨著UV 時(shí)間的延長而逐漸減小,溫拌瀝青混合料在UV 時(shí)間為50 h以內(nèi)時(shí),殘留穩(wěn)定強(qiáng)度比的變化量最小,受紫外光影響的程度不太顯著,繼續(xù)延長UV 時(shí)間至150 h時(shí),溫拌瀝青混合料殘留穩(wěn)定度比受UV 影響程度較大,當(dāng)老化時(shí)間超過150 h時(shí),溫拌瀝青混合料殘留穩(wěn)定強(qiáng)度比則逐漸趨于平衡。3.2.3 低溫凍斷試驗(yàn)分析 根據(jù)瀝青路面實(shí)際受力狀態(tài)模擬低溫凍斷試驗(yàn)。瀝青路面在低溫時(shí),隨溫度降低,混合料內(nèi)部產(chǎn)生溫縮變形,由于瀝青路面實(shí)際使用狀況下的是側(cè)向約束,變形受約束而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力超過混合料的抗拉強(qiáng)度時(shí),產(chǎn)生開裂破壞。如圖4所示,轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度是指應(yīng)力曲線由緩慢變化到變化幅度大的轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度,斜率是指變化幅度大的應(yīng)力曲線的切線,凍斷溫度是指破壞時(shí)的溫度,凍斷強(qiáng)度是指破壞時(shí)的最大強(qiáng)度。

圖4 溫度應(yīng)力曲線Fig.4 Temperature stress curve of asphalt mixture

由圖5可知,隨著UV 時(shí)間的延長,溫拌瀝青的轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度和凍斷溫度逐漸增加,在0～150 h內(nèi)轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度和凍斷溫度增加幅度較大,說明溫拌瀝青粘附性能衰減迅速,UV 后混合料的斷裂溫度明顯升高,且轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度與斷裂溫度接近,繼續(xù)延長UV 時(shí)間至200 h,轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度和凍斷溫度增加幅度較小。這說明隨UV 時(shí)間的延長,溫拌瀝青的脆性增大,且當(dāng)UV時(shí)間超過150 h時(shí),溫拌瀝青粘附性能逐漸趨于平衡,失去瀝青的屬性。

圖5 不同老化條件下溫拌瀝青混合料的凍斷溫度Fig.5 Fracture temperature at aging conditions

3.3 相關(guān)性分析

3.3.1 納觀粘附力與凍融劈裂強(qiáng)度比 對凍融劈裂強(qiáng)度比的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)一步的分析,分別與納觀粘附力、蜂面積比、表面粗糙度建立相關(guān)性,如圖6所示。

圖6 UV 條件下溫拌瀝青混合料的凍融劈裂值與納觀粘附力的關(guān)系Fig.6 Relationship between freeze-thaw splitting value and nano adhesion force of warm mix asphalt mixture under UV aging conditions

從圖可見,納觀粘附力與AC-13型密級配混合料凍融劈裂強(qiáng)度比的相關(guān)系數(shù)R2=0.867,與AC-16型密級配混合料凍融劈裂強(qiáng)度比的相關(guān)系數(shù)R2=0.910,且AC-16型密級配混合料凍融劈裂強(qiáng)度比的相關(guān)系數(shù)整體大于AC-13型密級配混合料凍融劈裂強(qiáng)度比的相關(guān)系數(shù)。因此可以采用納觀粘附力和表面粗糙度來研究隔氧UV 老化后的粘附性能,并預(yù)測其粘附性變化趨勢。

凍融劈裂是混合料水損害性能的主要評價(jià)方法,這對受水損害的試樣進(jìn)行間接拉伸,內(nèi)部產(chǎn)生粘聚和粘附的拉伸破壞。通過以上分析可見微觀層面的參數(shù)與混合料的宏觀上的水損害性能相關(guān)性較好。

3.3.2 納觀粘附力與殘留穩(wěn)定度比 對殘留穩(wěn)定度比的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步分析,與納觀粘附力建立相關(guān)性,如圖7所示。從圖可見,納觀粘附力與AC-13型密級配混合料殘留穩(wěn)定度比的相關(guān)系數(shù)R2=0.867,與AC-16型密級配混合料殘留穩(wěn)定度比的相關(guān)系數(shù)R2=0.923,說明納觀粘附力與殘留穩(wěn)定度比呈良好的線性正相關(guān)性,且AC-16型密級配混合料殘留穩(wěn)定度比的相關(guān)系數(shù)整體大于AC-13型密級配混合料殘留穩(wěn)定度比的相關(guān)系數(shù)。殘留穩(wěn)定比也是評價(jià)混合料水穩(wěn)定性的常用方法之一,通過以上分析,與微觀參數(shù)的相關(guān)性在0.9以上。

圖7 UV條件下溫拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度比與納觀粘附力的關(guān)系Fig.7 Relationship between residual stability ratio and nano adhesion force of warm mix asphalt mixture under UV aging conditions

3.3.3 納觀粘附力與凍斷溫度 對凍斷試驗(yàn)的凍斷溫度進(jìn)一步的分析,并與納觀粘附力建立相關(guān)性,如圖8所示。

圖8 UV 條件下溫拌瀝青混合料的凍斷溫度與納觀粘附力的關(guān)系Fig.8 Relationship between freezing temperature and nano adhesion force of warm mixed asphalt mixture under UV aging conditions

從圖可見,納觀粘附力與AC-13型密級配混合料凍斷溫度的相關(guān)系數(shù)R2=0.86708,與AC-16型密級配混合料凍斷溫度的相關(guān)系數(shù)R2=0.92363,說明納觀粘附力與凍斷溫度呈良好的線性正相關(guān)性,且AC-16型密級配混合料凍斷溫度的相關(guān)系數(shù)整體大于AC-13型密級配混合料凍斷溫度的相關(guān)系數(shù)。

凍斷試驗(yàn)是評價(jià)混合料低溫開裂性能的常規(guī)試驗(yàn),較好地模擬了路面在溫度下降時(shí)由于側(cè)向約束而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力的受力狀態(tài)和破壞原理。通過分析,納觀粘附力與低溫開裂性能具有良好的相關(guān)性。

4 結(jié) 論

1.UV 可以明顯降低溫拌瀝青在微觀層面上的粘附力,隨著UV 時(shí)間的延長粘附力逐漸衰減,氧氣加劇了溫拌瀝青的UV,降低了溫拌瀝青的粘附力。

2.凍融劈裂強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度比隨著UV 時(shí)間的延長而逐漸降低,而凍斷溫度則隨著UV 時(shí)間的延長而呈現(xiàn)逐漸增大趨勢;宏觀上反映了溫拌瀝青粘附性能的衰減。

3.UV 時(shí)間在0～150 h內(nèi)時(shí),溫拌瀝青凍融劈裂強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度比下降迅速,凍段溫度迅速上升,延長老化時(shí)間至200 h時(shí)逐漸趨于平衡,說明溫拌瀝青老化趨于平穩(wěn),逐漸失去瀝青的屬性。

4.納觀粘附力與宏觀的混合料指標(biāo)(凍融劈裂強(qiáng)度比、殘留穩(wěn)定度比、凍段溫度)都呈現(xiàn)出較好的線性相關(guān),說明UV 對溫拌瀝青混合料的水損害及低溫性能影響較大。因此建議將納觀粘附力作為溫拌瀝青在UV 過程中粘附性能的主要表征方法。