沥青混合料高温性能在紫外光辐射下的变化研究_辛晓亮.pdf

公路 年月第期 基金项目：陕西省青年科技新星项目，项目编号 收稿日期：文章编号：（）中图分类号：文献标识码：沥青混合料高温性能在紫外光辐射下的变化研究辛晓亮，任文斌，马庆伟，田守明，蒋应军，薛金顺（陕西黄蒲高速公路有限公司蒲城市 ；西安公路研究院有限公司西安市 ；长安大学西安市 ；湖北文理学院襄阳市 ）摘要：选取车辙试验、贯入剪切试验来研究 沥青混合料在不同紫外光辐射强度、紫外光老化循环次数和温度变化下高温性能的改变，以动稳定度、车辙深度和应力强度比这个指标来表征沥青混合料的高温抗车辙能力和抗剪切性能。研究发现：随着紫外光老化循环次数的增大，沥青混合料的动稳定度及应力强度比逐渐减少，而车辙深度则逐渐增加；沥青混合料的高温性能与紫外光辐射强度、温度呈反比，紫外光辐射越大、温度越高，沥青混合料的高温性能越差；紫外光老化循环次数，比起紫外光防辐射强度及循环温度，对于沥青混合料的动稳定度、车辙深度和应力强度比的影响更为明显；同时建议采用一定强度的紫外光辐射强度（），循环模拟混合料在其照射下高温性能的变化。关键词：道路工程；沥青混合料；高温性能；紫外光老化近些年来，沥青混凝土路面在我国被大量应用，逐渐出现了一些路面上的病害问题，尤其是处于强紫外线及高温环境下的沥青混凝土路面，因为长期暴露在紫外光的辐射下，导致路面的高温耐久性逐年变差，基于这些原因，怎样模拟经受紫外线条件的沥青混凝土，进而研究紫外光老化对其高温性能的影响就至关重要。境内已有学者对于紫外光下沥青混凝土性能改变进行了各种实验研究。其中，叶昌勇等经过研究紫外光老化对 及 改性沥青混合料性能的影响，得出的结论为：改性沥青混合料具有更强的抗紫外光老化的性能，相较于 改性沥青混凝土，改性沥青混合料的抗紫外光老化性能更为优越；童申家等则针对不同级配的 沥青混凝土，进行试验分析紫外光老化对于其高低温性能的影响，试验结果表明，紫外光对于低温稳定性的影响较为小一些，而对于混合料的高温稳定性，则影响比较大；李惠霞等在实验中选取了种不同的具有代表性的级配合成的沥青混合料，将其进行室内紫外光老化，进而研究其紫外光老化后的高低温性能及回弹模量，其试验结果表明，经过紫外光老化以后，不同级配的沥青混凝土均表现出动稳定度降低，低温劈裂强度则减小，而抗压回弹模量则增大；商可则是通过大量的室内试验，变换不同的配合比，研究改性沥青与沥青混合料之间的配伍性，并分析改性沥青混合料的各种高低温性能等，以此得出了对于暴露在强紫外线恶劣环境下的青海公路所采用的沥青混凝土配合比的一些宝贵的设计建议；童申家等则采用沥青砂得出沥青混合料的流变特性，在实验室内制作完成了一些沥青砂的试件，以此进行加速紫外光老化试验，同时创造性地提出了一系列评价沥青混合料紫外光老化的指标，并采用（，）来作为评价沥青混合料紫外光老化的一个指标；刘金修等采取了分型级配理论，选取了包括 及 在内的种各具代表性的级配来进行试验，分析经过紫外光老化以后，不同级配的沥青混合料其高低温性能变化的规律，研究结果表明，采用 型及 型级配的沥青混凝土能够产生较强的高温抗紫外光老化性能，而与之相对的则是，采用 型及 型级配的沥青混凝 土 则 在 低 温 抗 紫 外 光 老 化 性 能 方 面 较 为优越。当下进行的大部分研究主要是通过变换级配、基质沥青、改性沥青等，以及采用不同的外加剂，而其中紫外光辐射条件是固定的，基于此来研究这些变量对于紫外光老化后沥青混合料高低温性能等的影响。当需要研究紫外光老化本身对于沥青混合料性能的影响时，一般都采取的是不同的紫外光辐射量来分析研究，这样试验的局限在于并没有考虑到紫外光辐射对于真实路面的影响，比如不同的紫外光辐射强度、紫外光辐射循环次数以及不一样的昼夜温度的变化，缺乏考虑这些因素对于不同的沥青混凝土路面的高低温性能等的影响的整体研究。基于紫外光辐射对于沥青混合料高温性能的影响较大这个前提，本文采取了包括贯入剪切试验、车辙试验在内的一系列的室内试验来深入研究紫外光辐射强度、紫外光辐射循环次数以及温度气候的变化对于沥青混合料高温性能的影响。通过实验研究，给予紫外光辐射地区的沥青混凝土路面的施工提供一些建议和参考。原材料与级配 集料集料所采用的 碎石为石灰岩，碎石、碎石为玄武岩，细集料为石屑，矿粉是由石灰岩磨制而成，其技术指标均满足规范要求。沥青试验采用的是新疆克拉玛依 改性沥青，相关技术标准见表。表 改性沥青技术指标及要求试验指标规范要求试验结果针入度（，）延度（，）软化点（环球法）相对密度（）实测 （，）质量损失 针入度比 延度（）级配试验以 为目标级配，级配见表。表 级配 通过以下筛孔（）质量百分比 下限 上限 级配中值 合成级配 试验方案及试验方法 振动成型方法振动压实成型试件过程：首先根据规范要求的加工温度，制备沥青混合料，取出预热好的试模及垫块，再将拌好的 型沥青混合料仔细装入试模内，装 好后 进行 插 倒，具 体做 法 是 沿周边 插捣 次、在中心插捣 次，插捣完把混合料表面整平为凸弧面，在装置上固定试模以及垫块，设定好工作频率（）并振动压实到一定的时间（），先量取试件的高度，满足规范要求之后冷却至室温进行脱模。试验方案本文选择了紫外光辐射强度、紫外光辐射循环次数和温度来分析紫外光老化对于沥青混合料高温性能的影响。分别选取、这几种紫外光辐射强度；紫外光辐射循环次数为了尽可能模拟实际路面而选取了辐射时间为 ，非辐射时间为 ；同时温度上选取了新疆及青海这两个地方，气温选择 以及 的交替变换。室内紫外光加速老化试验箱：试验箱包括温度自动调节器、计时器，具有双层壁。加速紫外老化试验系统的光源则采取 的直管高压汞灯，高压汞灯的控制温度为 ，紫外光能谱主峰为 ，不同的紫外辐射强度的获取，则是通过试验箱中水平方向可上下移动的盛接层，调整变换盛接层的位置来实现的。先把制备好的试件放置在 或 紫外光 公路 年第期 年第期辛晓亮等：沥青混合料高温性能在紫外光辐射下的变化研究加速老化试验箱里，在规定的辐射强度下保持 ，然后将试件取出，在 或 的环境下放置 ，将这个过程作为一次完整的紫外光老化循 环，接 下 来 做、和 次 紫 外 光 老化循环。试验方法参照（）要求，型沥青混合料的高温性能是通过车辙试验中的车辙深度及动稳定度来评价的，同时本文加入了贯入剪切试验，以期评价 型沥青混合料在紫外光老化循环下的高温性能，这个试验能较为有效地反映沥青混合料的塑性特点。贯入剪切试验的试验方法：首先，按照规范成型马歇尔试件，将其在 的环境下保持以上，加载的速率采用 ，能够得到最大破坏荷载和位移，采用应力强度来评价混合料的高温性能，见式（）。（）（）式中：为应力强度，；为破坏荷载，；为压头直径，；为倒角半径，取；为破坏时的位移，。试验结果与分析 试验结果（）根据上面的试验方法，采取不同的试验条件对沥青混合料来进行紫外光老化循环的试验。其中，同一温度下分别采取种紫外光辐射强度及种循环次数，一共 组试验，其中每一组试验需进行次平行试验，以这次试验的平均值作为该组结果。同时，将未经过紫外光老化循环处理的一组试件作为对照组，以此来判断以上种因素对于试验结果的影响。试验结果见表，试验结果见表。（）采用 软件对不同影响因素与车辙深度、动稳定度、应力强度进行方差分析，结果见表表。从表表的结果可以得知，老化循环次数、紫外光辐射强度以及老化循环温度，与沥青混合料的动稳定度、车辙深度、应力强度之间的显著性差异系数均为，说明这种影响因素对沥青混合料的高温性能具有显著影响。从统计量值的大小可以看出来，这种影响因素对于混合料的高温性能表 条件下紫外光老化循环后的试验结果编号试验条件紫外光辐射强度循环次数次车辙深度动稳定度次应力强度 未进行紫外光老化循环 表 条件下紫外光老化循环后的试验结果编号试验条件紫外光辐射强度循环次数次车辙深度动稳定度次应力强度 表不同影响因素与车辙深度的方差分析源类平方和自由度均方显著性校正的模型 截距 老化循环温度 紫外光辐射强度 老化循环次数 错误 总计 校正后的总变异 表不同影响因素与动稳定度的方差分析源类平方和自由度均方显著性校正的模型 截距 老化循环温度 紫外光辐射强度 老化循环次数 错误 总计 校正后的总变异 表不同影响因素与应力强度的方差分析源类平方和自由度均方显著性校正的模型 截距 老化循环温度 紫外光辐射强度 老化循环次数 错误 总计 校正后的总变异 影响的程度基本上是一致的，从影响程度上看紫外光老化循环温度对于沥青混合料的车辙深度、动稳定度和应力强度的影响相对较小，紫外光辐射强度影响较大，而紫外老化循环次数的影响则最为明显。试验结果分析沥青混合料的高温性能，一般用动稳定度来评价，其中车辙深度反映了混合料在高温时候的永久变形，体现了沥青混合料的高温变形能力。但是，经过大量的研究发现，车辙试验只能在一定范围内反映混合料的高温性能，并不是一个有效评价的手段，只是在目前应用比较广泛。本文还引入了贯入剪切试验，以期表征沥青混合料高温性能在紫外光老化循环条件下的不同变化。采用极差分析方法来分析表和表的结果，分析紫外光辐射强度、紫外光老化循环次数、老化温度这个主要因素对于混合料的高温性能及应力强度的影响。车辙深度不同紫外光老化循环条件下沥青混合料其车辙深度的变化如图所示。（）伴随紫外光老化循环次数的增加，沥青混合 公路 年第期 年第期辛晓亮等：沥青混合料高温性能在紫外光辐射下的变化研究图不同紫外光老化循环温度条件下沥青混合料车辙深度的变化料的 车 辙 深 度 逐 渐 增 大，在 紫 外 光 辐 射 强 度 为 的情况下，当温度为 时，沥青混合料分别经过、次的紫外光老化循环，结果表 明 其 车 辙 深 度 分 别 增 大 了 、，而当温度是 的时候，其车辙 深 度 则 是 增 加 了 、。数据表明，当紫外光老化循环次数增大的时候，其他条件不变，沥青混合料的车辙深度也是逐渐增大的，且增大趋势愈加明显，说明沥青混合料的高温抵抗变形能力愈差。（）当紫外光辐射强度增加时，沥青混合料的车辙深度亦逐渐增大。我们以经过 次紫外光老化循环的情况为例，当温度在 的时候，紫外光辐射强度为、和 的条件下，经历 次的紫外光老化循环，沥青混合料的 车 辙 深 度 是 分 别 增 大 了 、。而当温度在 时，车辙深度则分别增大了 、。这组数据能够说明，沥青混合料的车辙深度，是随着紫外光辐射的强度增大而显著增大的，其高温抗变形能力是越来越差，其中，当温度区间在 时，车辙深度的增加趋势更为明显。（）而从选择不同的试验温度可以看出来，当其他条件没有变化的时候，车辙深度随着紫外光辐射强度从增加到 而增大了 ，当紫外光辐射强度从 到 时车辙深度增加了 左右，当紫外光辐射强度从 到 时，车辙深度增加了左右。这些实验结果表明，当紫外光辐射强度逐步增大时，其对沥青混合料车辙深度的影响是逐渐减少的。产生这个现象的原因主要是当试件在无紫外光辐射强度下，紫外光老化循环次数不变进行紫外光老化循环的时候，沥青混合料只受到温度的影响；而当在有紫外光辐射强度的情况下，混合料经受了温度及紫外光的共同作用，紫外光辐射使混合料中的沥青发生老化，从而导致混合料中的石料黏聚力降低，进而造成沥青混合料的车辙深度发生了较为显著的增大。动稳定度老化循环温度差异化试验中的动稳定度的变化如图所示。图老化循环温度差异化试验中的动稳定度的变化（）在温度为 时，紫外光辐射强度下，沥青混合料分别在次、次、次、次紫外光老化循环试验后，其动稳定度分别下降了 、，而当温度区间在 时，保持同样的紫外光辐射强度，沥青混合料的 动 稳 定 度 则 分 别 下 降 了 、。这说明，随着紫外光老化循环次数的增加，沥青动稳定度逐渐减少，而它的衰减幅度则呈现出了增加的趋势，并且当温度处于 时，混合料的高温性能更差一些。（）当温度区间在 时，紫外光辐射强度分别为、和 时，沥青混合料进行 次紫外光老化循环后，其动稳定度分别下降 、，而当温度区间在 时，沥青混合料的动稳定度则分别下降了 、。数据显示，沥青混合料的动稳定度与紫外光辐射强度有关，辐射强度