瀝青路面材料服役壽命全氣候模擬技術(shù)研究*

羅 欽 吳少鵬 胡錦軒 謝文華 劉全濤

(1.廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心 揭陽 515325；2.武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實驗室 武漢 430070 ； 3.武漢友楓模塑有限責(zé)任公司 武漢 430200)

公路設(shè)施是我國現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有巨大的促進(jìn)作用[1]。公路在建設(shè)過程中，每年消耗大量的瀝青材料。然而，瀝青路面材料在使用中，由于受到光、熱、氧等因素的作用，導(dǎo)致其使用壽命大大降低，在設(shè)計年限內(nèi)就出現(xiàn)了開裂、車轍、坑槽等問題[2-3]，以及一直被忽視的外部環(huán)境及日益增長的交通載荷，對瀝青路面的耐久性和使用壽命造成了重大影響[4]。

瀝青路面服役性能的衰退是受外部諸多因素長期綜合影響所致，但是目前對于路面的耐久性的研究手段，主要依靠室內(nèi)材料試驗進(jìn)行，對實際服役過程中所受到各種因素的綜合影響考慮不周[5]。雖然近年來國內(nèi)外對瀝青混合料室內(nèi)模擬研究加大了投入，但由于條件限制，無法對實際自然環(huán)境和交通載荷條件下的瀝青路面長期服役行為進(jìn)行系統(tǒng)的研究[6]。

在瀝青老化模擬設(shè)備方面，老化條件單一，與實際路面自然老化存在較大差異，無法真實模擬實際路面的老化情況[7]；在研究荷載對瀝青路面使用壽命影響的設(shè)備方面，主要采用路面加速加載的大型儀器設(shè)備來模擬路面在服役時所受到的載荷，雖然可以改變移動荷載的大小以及速度，但是對于路面在服役過程中受到的其他如光、氧、熱等因素未充分考慮[8]。因此多功能路面材料全壽命分析儀的研制及時地解決了上述問題。

本文按照不同紫外分區(qū)下的全壽命模擬方法，選取典型路段利用多功能路面材料全壽命分析儀模擬不同紫外分區(qū)的瀝青路面材料的服役條件，通過室內(nèi)模擬與實際路面的瀝青路面的壽命對比，研究模擬方法與儀器的可靠性。

1 原材料及實驗方法

1.1 實際路面簡介

選取的典型代表路面如表1所示。

表1 典型路面參數(shù)表

1.2 模擬參數(shù)

查找各路段溫度、降雨量等數(shù)據(jù)，參數(shù)不全的路段以該地區(qū)所在省份的年均值為準(zhǔn)。根據(jù)不同紫外分區(qū)下的全壽命模擬方法，換算得到最終的模擬參數(shù)，見表2。

表2 各路段模擬參數(shù)

1.3 試件及成型方法

試件為全厚式車轍試件，參照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中T0703-2011輪碾成型法進(jìn)行成型，首先成型下面層，待上面層在室內(nèi)放置24 h自然冷卻后，按照相同方法分別成型中面層及上面層。

試件具有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。集料選用石灰?guī)r及玄武巖，瀝青為70號瀝青、90號瀝青、SBS改性瀝青(I-C)、SBS改性瀝青(I-D)。上面層集料統(tǒng)一使用玄武巖(AC-13)，中、下面層集料統(tǒng)一采用石灰?guī)r，中面層級配為AC-20，下面層級配為AC-25。模擬第一分區(qū)路段時，上面層瀝青為SBS改性瀝青(I-C)，中、下面層統(tǒng)一選用90號瀝青；模擬第二分區(qū)路段時，上、中、下面層統(tǒng)一選用90號瀝青；模擬第三分區(qū)路段時，上面層所用瀝青為SBS改性瀝青(I-D)，中、下面層選用90號瀝青，模擬第四分區(qū)路段時，上面層采用SBS改性瀝青(I-D)，中、下面層選用70號瀝青。

1.4 試驗方法

全厚式車轍試件成型后冷卻24 h以上，然后方可放入多功能路面材料全壽命分析儀中。在模擬時所用溫度值下保溫24 h，再設(shè)定其他技術(shù)參數(shù)進(jìn)行加載。模擬結(jié)束后，對試件進(jìn)行鉆芯取樣處理。然后切取表面層1 cm進(jìn)行抽提，測試瀝青基團(tuán)變化。用同樣的方法處理路面芯樣，測試其性能。瀝青基團(tuán)變化可用來表征瀝青老化的程度，已知的有羰基化合物C=O的特征峰為1 700 cm-1，羰基因子與老化指數(shù)有一定關(guān)系[9]，羰基因子(IC=O)計算方法如式(1)[10-11]：

IC=O=

(1)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 基團(tuán)對比分析

實際路面及室內(nèi)模擬芯樣中所含瀝青羰基因子如圖1所示。瀝青羰基因子變化與服役年限及模擬時間直接相關(guān)，模擬時間或服役時間越長，則羰基因子相對越高。

圖1 室內(nèi)模擬與實際路面羰基因子對比

從圖1可知，室內(nèi)模擬羰基因子均比實際路面羰基因子略低，說明室內(nèi)模擬時瀝青的老化程度略淺，這可能是由路面環(huán)境更惡劣多變所致。模擬年限較少時，差值越小，模擬年限增加時，誤差越大。但是總體而言，對路面芯樣的老化程度均有較好相關(guān)性。室內(nèi)模擬服役時間最長的白蘭高速時，絕對誤差為Ea1=IC=O路面-IC=O模擬=0.328 1-0.306 6=0.021 5；相對誤差為Er1=(Ea1/IC=O路面)×100%=6.6%，可靠性較好。

2.2 車轍深度(RD)對比分析

實際路面及室內(nèi)模擬的車轍深度如圖2所示。

圖2 室內(nèi)模擬與實際路面車轍深度對比

與羰基因子不同，模擬車轍深度與實際路面相比有高有低。在模擬較短服役年限的路面時，室內(nèi)模擬后的車轍深度較高。而模擬較長服役年限路段時，實際路面的車轍深度較深。這可能是由于實際路面在較長時間的服役過程中，受到嚴(yán)重超載等偶然性因素所致，但整體相關(guān)性良好。模擬嘉安高速時誤差最大絕對誤差為Ea2=RD路面-RD模擬=4.1-4.8=-0.7；相對誤差為Er2=|(Ea2/IC=O路面)|×100%=17%，可靠性良好。

3 結(jié)論

1) 從羰基因子對比結(jié)果可知，室內(nèi)模擬時瀝青羰基因子較實際路面均略低，但相關(guān)性較好。

2) 從車轍深度對比結(jié)果可知，在模擬較短年限時，室內(nèi)模擬車轍深度較深，模擬較長年限時，實際路面車轍深度較深，整體模擬相關(guān)性較好。

[1] 劉曠怡.模擬多因素耦合條件下瀝青混合料老化性能研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2015.

[2] 龐凌.瀝青紫外光老化特性研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2008.

[3] 吳少鵬,龐凌,余劍英,等.瀝青光氧老化研究進(jìn)展[J].石油瀝青,2007,21(2):1-6.

[4] 王開生,陳卓識.提高瀝青路面耐久性的技術(shù)對策[J].黑龍江交通科技,2008,31(12):14-16.

[5] 路暢,黃曉明.瀝青室內(nèi)模擬老化性能研究[J].石油瀝青,2009,23(4):14-18.

[6] BANDYOPADHYAYA R, DAS A, BASU S. Numerical simulation of mechanical behaviour of asphalt mix[J]. Construction & Building Materials,2008,22(6):1051-1058.

[7] DURRIEU F, FARCAS F, MOUILLET V. The influence of UV aging of a Styrene/Butadiene/Styrene modified bitumen: Comparison between laboratory and on site aging[J]. Fuel,2007,86(10):1446-1451.

[8] 蘇凱,王春暉,周剛,等.基于加速加載試驗的瀝青路面車轍預(yù)估研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,36(4):493-497.

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[10] 劉義高,呂松濤.高寒低等級公路瀝青面層結(jié)構(gòu)影響分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版),2016,40(1):126-130.

[11] ZENG W, WU S, WEN J, et al. The temperature effects in aging index of asphalt during UV aging process[J]. Construction & Building Materials,2015,93:1125-1131.