紫外光及溫度老化對冷拌冷鋪乳化瀝青混合料的性能影響評價

徐世法,盧兆洋,房 聰,任小遇,朱建東

(1.北京建筑大學(xué)未來城市設(shè)計高精尖創(chuàng)新中心,北京 100044;2.北京建筑大學(xué)北京市城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程技術(shù)研究中心,北京 100044;3.北京宏旭高科科技有限公司,北京 102600)

冷拌冷鋪乳化瀝青混合料(Cold Mixed Asphalt,CMA)不受施工溫度的影響,能夠在常溫下進(jìn)行拌和、攤鋪與碾壓,適用于長時間儲存和長距離運輸,與熱拌瀝青混合料相比具有綠色節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點[1-2]。CMA在使用過程中受紫外光、溫度等外界因素的作用會產(chǎn)生老化現(xiàn)象,脆性增大,路用性能發(fā)生變化。因此,研究CMA的抗老化性能具有重要意義。在紫外光老化方面,譚憶秋等[3-5]研究發(fā)現(xiàn)紫外老化與溫度老化對瀝青混合料各項性能的影響程度不同。丁彪等[6]研究發(fā)現(xiàn)隨著瀝青混合料紫外老化時間的增加,其動穩(wěn)定度有小幅度提升,并且車轍深度越來越小。彭強(qiáng)等[7]研究發(fā)現(xiàn)高彈改性瀝青混合料在紫外老化后高溫性能、低溫性能及水穩(wěn)定性略有降低。在溫度老化方面,對于熱拌瀝青混合料來說,分為生產(chǎn)與施工過程中的短期老化及使用過程中長期老化[8-9],對CMA來說其老化主要來自于使用過程中的長期老化。高詩龍等[10]測試了橡膠瀝青混合料在163 ℃下的水穩(wěn)性、低溫性能和高溫性能。F.Y.Rad等[11]通過比對不同溫度下瀝青混合料的老化情況,確定了95 ℃為瀝青混合料長期老化的適宜溫度。

縱觀國內(nèi)外對于瀝青混合料抗老化性能的研究可以發(fā)現(xiàn),相關(guān)研究工作主要集中于熱拌瀝青混合料(Hot Mixed Asphalt,HMA)[12-15],對CMA的老化研究相對較少。基于此,筆者將從紫外光及溫度老化對CMA的性能影響進(jìn)行研究,并與HMA進(jìn)行對比。通過建立Verhulst生物模型,建立瀝青混合料各項性能與紫外光老化時間的關(guān)系方程,以便于預(yù)測紫外光老化后CMA的各項性能。

1 試驗設(shè)計

為了評價紫外光及溫度老化對CMA的性能影響并與HMA進(jìn)行對比,筆者進(jìn)行了紫外光老化及溫度老化試驗設(shè)計。

1.1 紫外光老化試驗設(shè)計

筆者選取由課題組研制的瀝青加速老化試驗設(shè)備來模擬實際紫外光對瀝青混合料的影響。將成型后的瀝青混合料試件放入老化箱中,基于累計紫外輻射量相同原則,確定老化試驗的紫外光強(qiáng)為141 W/m2,工作時間為24 h/d,試驗溫度為20 ℃,每日室內(nèi)紫外輻射總量為0.338 W,約相當(dāng)于北京地區(qū)室外輻射15 d。

1.2 溫度老化試驗設(shè)計

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—201)中瀝青混合料長期老化的試驗方法[16],將成型后的試件放入溫度為85 ℃的烘箱中進(jìn)行老化試驗,以7 d為一個周期測試一次瀝青混合料的性能,共測試63 d。

2 原材料及配合比設(shè)計

2.1 乳化瀝青

筆者采用課題組自主研發(fā)的乳化瀝青,原樣瀝青采用SBS改性瀝青,各項技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表1、表2。

表1 SBS改性瀝青試驗結(jié)果及技術(shù)要求Table 1 Test results and technical requirements of SBS modified asphalt

表2 SBS改性乳化瀝青試驗結(jié)果及技術(shù)要求Table 2 Test results and technical requirements of SBS modified emulsified asphalt

2.2 礦料與填料

礦料為石灰?guī)r,填料為P·O42.5水泥,技術(shù)指標(biāo)滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求[17]。

2.3 配合比設(shè)計

2.3.1 級配設(shè)計

試驗采用AC-13型瀝青混合料,級配曲線如圖1所示。

圖1 AC-13型瀝青混合料級配曲線圖Fig.1 Gradation curves of AC-13 asphalt mixture

2.3.2 各組分摻量設(shè)計

①根據(jù)經(jīng)驗制作5組乳化瀝青摻量分別為7%、7.5%、8%、8.5%和9%的CMA試件,通過測定養(yǎng)生后CMA的力學(xué)體積指標(biāo)確定最佳乳化瀝青摻量為8.0%[18]。

②制作水泥摻量為0%、0.5%、1.0%、1.5%和2%的馬歇爾試件,對不同水泥摻量的馬歇爾試件進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度和路用性能檢測,最終確定水泥最佳摻量為1%[18]。

③采用試拌法預(yù)估外摻水用量。經(jīng)前期試驗經(jīng)驗,分別試拌1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3%五種外摻水摻量的乳化瀝青混合料,并觀察拌和狀態(tài),最終確定最佳外摻水摻量為2.0%[19]。

④熱拌瀝青混合料采用制備乳化瀝青的SBS改性瀝青作為結(jié)合料,級配和CMA相同,經(jīng)過試驗確定瀝青摻量為5%。

2.3.3 性能驗證

按上述混合料組成成型好的CMA試件并放入90℃的烘箱內(nèi)養(yǎng)生24 h,測得HMA和養(yǎng)生后的CMA性能指標(biāo)見表3。表中數(shù)據(jù)表明,混合料滿足相關(guān)技術(shù)要求。

表3 瀝青混合料試驗結(jié)果Table 3 Test results of asphalt mixture

3 紫外光老化對CMA及HMA性能影響評價

3.1 紫外光老化對CMA及HMA各項路用性能影響

筆者分別采用高溫車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗和凍融劈裂試驗測試紫外老化后CMA和HMA的動穩(wěn)定度、最大彎拉應(yīng)變以及凍融劈裂強(qiáng)度比,試驗結(jié)果見表4。由表4可以看出,紫外光老化63 d后,HMA的動穩(wěn)定度提高了11.1%、最大彎拉應(yīng)變降低了30.7%、凍融劈裂強(qiáng)度比降低了14.9%,CMA的動穩(wěn)定度提高了11.2%、最大彎拉應(yīng)變降低了56.8%、凍融劈裂強(qiáng)度比降低了15.7%。CMA的最大彎拉應(yīng)變受紫外光老化影響較HMA更大,兩者的凍融劈裂強(qiáng)度比和動穩(wěn)定度變化比例相近。

表4 紫外老化后兩種瀝青混合料各項路用性能Table 4 Road performance of the two asphalt mixtures after ultraviolet aging

3.2 老化混合料Verhulst模型的建立

生物模型Verhurst的基本思想是生物個體的數(shù)量呈指數(shù)增長,生長逐漸減慢并最終穩(wěn)定到一個固定值。該模型受環(huán)境限制,主要用于描述具有飽和態(tài)性質(zhì)的物理發(fā)展過程[20]。

瀝青混合料紫外光老化過程中,隨著老化時間的增加,各項性能變化速率由快至慢,相同老化時間內(nèi)性能變化的幅度越來越小,最后性能變化速率趨于0。此變化過程與Verhulst生物模型極為相似,具有生物飽和狀態(tài)特征,因此筆者采用Verhulst生物模型描述紫外光老化后CMA及HMA的性能衰變,并通過相關(guān)系數(shù)R2的值驗證各項路用性能實測值與Verhulst生物模型值的擬合度[19],計算式如下:

(1)

當(dāng)時間趨于無窮大時,式(1)轉(zhuǎn)化為式(2):

(2)

式中:x(t)為紫外光輻照t天后,瀝青混合料的各性能指標(biāo)值;x0為未進(jìn)行紫外光輻照的瀝青混合料各性能指標(biāo)初始值;UAI為瀝青混合料紫外光老化穩(wěn)定后的路用性能指標(biāo)值與初始值的比;VAIt為紫外光輻照t天后,瀝青混合料各性能指標(biāo)值與初始值的比。

由表4可知,CMA和HMA在49～63 d過程中,動穩(wěn)定度、最大彎拉應(yīng)變、凍融劈裂強(qiáng)度變化很小,甚至不變。因此計算UAI值時,瀝青混合料紫外光老化穩(wěn)定后的路用性能指標(biāo)值采取第63天的值。

通過Verhulst生物模型分別對紫外光老化后CMA和HMA的動穩(wěn)定度、最大彎拉應(yīng)變和凍融劈裂強(qiáng)度比進(jìn)行擬合,結(jié)果見表5。

表5 兩種瀝青混合料各項路用性能Verhulst生物模型Table 5 Verhulst biological model of road performance of the two asphalt mixtures

從表5中可以看出,相關(guān)系數(shù)R2最低值為0.941,最高值為0.993,CMA和HMA的各項路用性能Verhulst生物模型值與實測值擬合度較高,說明能夠利用該模型準(zhǔn)確預(yù)測紫外光老化的影響。根據(jù)模型和實測值繪制兩種混合料老化后不同性能隨老化時間變化曲線如圖2～圖4所示。

由圖2～圖4可以看出,HMA在紫外光老化后高溫穩(wěn)定性提升約10%,而低溫抗裂性和水穩(wěn)定性分別殘留約65%及85%,CMA在紫外光老化后高溫穩(wěn)定性提升約10%,而低溫抗裂性和水穩(wěn)定性分別殘留約43%及84%?？梢钥闯?CMA的低溫抗裂性變化較HMA更大,兩者的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性變化曲線相近。

圖2 兩種混合料老化后動穩(wěn)定度隨老化時間的變化曲線Fig.2 Variation curves of dynamic stability with aging time after aging of two mixtures

圖3 兩種混合料老化后最大彎拉應(yīng)變隨老化時間的變化曲線Fig.3 Variation curves of residual maximum bending tensile strain with aging time after aging of two mixtures

圖4 兩種混合料老化后凍融劈裂強(qiáng)度比隨老化時間的變化曲線Fig.4 Variation curves of freeze-thaw splitting strength ratio with aging time after aging of two mixtures

3.3 瀝青混合料各項性能紫外光老化速率評價

3.3.1 紫外光老化速率評價指標(biāo)的提出

筆者提出利用紫外光老化速率來評價瀝青混合料各項性能受紫外光老化的影響程度。通過對式(2)求關(guān)于紫外光輻照天數(shù)t的導(dǎo)數(shù),可得到紫外光輻照天數(shù)t與瀝青混合料各性能紫外老化速率x的函數(shù)關(guān)系:

(3)

式中:a=αUAI×x0,b=UAI-1。

3.3.2 瀝青混合料各項性能紫外光老化速率

根據(jù)式(3)求得瀝青混合料各項性能隨紫外光老化時間的變化率方程參數(shù)值,結(jié)果見表6?；诟餍阅茏兓史匠?對CMA與HMA的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性進(jìn)行擬合,并繪制老化天數(shù)與瀝青混合料各項性能紫外光老化速率的關(guān)系曲線(見圖5)。由圖5可以看出,t=0時,CMA與HMA的低溫抗裂性紫外光老化速率初始值最大,并且t=0時,CMA和HMA的水穩(wěn)定性紫外光老化速率初始值均為0。由此可知, 紫外光老化對兩種不同瀝青混合料的低溫抗裂性影響顯著,對水穩(wěn)定性幾乎沒有影響。由圖還可以看出,CMA與HMA的各項性能紫外光老化速率曲線最終均收斂于0,

表6 瀝青混合料各項性能紫外光老化變化率參數(shù)值Table 6 UV aging rate parameter values of various mixture performance

圖5 瀝青混合料三項性能紫外光老化速率對比Fig.5 Comparison of light aging rate of three properties of asphalt mixture

因此紫外光老化對兩種不同瀝青混合料的影響均隨時間增長而降低,并且最終各項性能紫外光老化速率趨近于0。

4 溫度老化對CMA及HMA性能的影響評價

4.1 溫度老化對瀝青混合料各項路用性能的影響

筆者分別采用車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗和凍融劈裂試驗評價溫度老化后CMA和HMA的各項性能,結(jié)果見表7。由表7可以看出,兩者的凍融劈裂強(qiáng)度比和最大彎拉應(yīng)變隨老化時間呈遞減趨勢,CMA的凍融劈裂強(qiáng)度比降低速率較HMA更大,HMA的最大彎拉應(yīng)變降低速率較CMA更大。兩者的高溫性穩(wěn)定性隨老化時間的增加先增大后減小,老化63 d后,HMA的高溫性穩(wěn)定性提升了4.4%,CMA的高溫性穩(wěn)定性提升了12.9%。

表7 溫度老化對瀝青混合料各項路用性能的影響Table 7 Influence of temperature aging on road performance of asphalt mixture

4.2 瀝青混合料溫度老化性能影響分析

在研究多變量課題中,變量個數(shù)的過多會增加課題的復(fù)雜性,同時多個變量會存在一定的相關(guān)性,導(dǎo)致變量之間反應(yīng)該課題的內(nèi)部信息重疊。數(shù)理統(tǒng)計分析方法中的主成分分析法的本質(zhì)是利用較少的主成分變量揭示較多個變量之間影響程度,這種多元統(tǒng)計方法不僅能夠保證研究變量之間的復(fù)雜性與非相關(guān)性,而且能夠盡可能多的保存原始變量信息[21]。

瀝青混合料隨著溫度老化時間的延長,其老化程度逐漸增大,各項路用性能均會明顯變化,但不同性能對溫度老化程度的敏感性不同且彼此之間存在一定的相關(guān)性,為此筆者基于spss數(shù)理統(tǒng)計軟件,首先對表7中的CMA動穩(wěn)定度、最大彎拉應(yīng)變和凍融劈裂強(qiáng)度比進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,而后利用因子分析模塊將標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)作為變量進(jìn)行主成分分析,以此得到受溫度老化影響最大的混合料性能,結(jié)果見表8。表中合計值大于1,表明該主成分解釋力度強(qiáng);方差的貢獻(xiàn)率表示總方差中屬于該主成分的比例,貢獻(xiàn)率越大,影響越大。

表8 溫度老化對瀝青混合料各項路用性能的影響Table 8 Influence of temperature aging on road performance of asphalt mixture

由表8可以看出,CMA高溫性能和低溫性能的合計值都小于1,表明該主成分的解釋力度較弱,受溫度老化影響小。CMA水穩(wěn)定性的合計值大于1,說明該主成分的解釋力度較強(qiáng),受溫度老化影響大,表明溫度老化對CMA的水穩(wěn)定性影響最大。

5 結(jié) 論

(1)紫外光老化對瀝青混合料低溫抗裂性影響最大,對水穩(wěn)定性影響度最小,CMA的低溫抗裂性受紫外光老化影響較HMA更大,兩者的凍融劈裂強(qiáng)度比和動穩(wěn)定度變化比例相近。

(2)基于Verhulst生物模型建立了CMA和HMA紫外老化后路用性能預(yù)測方程,擬合的相關(guān)系數(shù)R2均在0.94以上,預(yù)測精度較高,可利用該模型預(yù)測紫外光老化的影響。

(3)溫度老化試驗結(jié)果表明,CMA和HMA的水穩(wěn)定性和低溫抗裂性均隨老化時間的增加而降低,高溫穩(wěn)定性隨老化時間延長先增大后減小;HMA的低溫抗裂性受溫度老化影響大于CMA,CMA的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性受溫度老化影響大于HMA,且相較高溫性能和低溫性能,CMA的水穩(wěn)定性受溫度老化的影響較大。