老化沥青混合料低温抗裂性能研究.pdf

总653期2023年第23期（8月 中）收稿日期：2023-03-06作者简介：聂龙飞（1988），男，河南安阳人，硕士，高级工程师，研究方向为道路与桥梁工程。老化沥青混合料低温抗裂性能研究聂龙飞（山西省交通新技术发展有限公司，山西 太原 030006）摘要：为研究老化对沥青混合料低温抗裂性能的影响，首先采用AC-13、AC-16沥青混合料，按照不同油石比级配制备试件。然后通过室内紫外光照射进行老化处理，照射时间分别为0.97 h、194 h、292 h、388 h及583 h。最后分别对老化前后的沥青混合料进行低温劈裂试验，对比分析老化前后各试件的低温抗劈裂性能。试验结果表明：紫外光对不同级配的沥青混合料低温劈裂强度影响较小。关键词：公路工程；沥青混合料；低温抗裂；紫外光中图分类号：U414.01文献标识码：A0 引言沥青路面长期受外界环境的影响，会出现性能老化现象，沥青胶浆柔性及其与集料间黏附性能均降低，导致沥青胶结料产生脆性，混合料的低温抗裂性能降低，引起路面开裂等病害，严重时会影响沥青路面结构的稳定性，缩短路面使用寿命。鉴于此，本文将采用紫外光老化处理模拟不同光照条件及时间下沥青混合料的老化过程，制备不同级配的混合料试件，对不同级配、光照条件下的沥青混合料低温抗裂性能进行评价。1 光辐射对沥青混合料的影响尽管紫外光在太阳光谱中占比较小，但其波长最短且能量最大，能够使材料分子结构产生破坏，导致结构性能劣化。研究表明1，地面所能接收的太阳光中，紫外光辐射对路面结构的影响最显著。有研究人员2对光照作用下沥青材料的老化过程进行了研究，通过覆盖不同颜色玻璃分离得到不同频率的光，研究不同成分的光对沥青老化的影响，结果表明，沥青受颜色影响损伤程度大小依次为紫色、绿色、红色，并以此为基础建立了光氧化理论。还有研究人员3基于大量室内外试验进一步研究了光氧化因素，明确了紫外光辐射强度对沥青光氧化速率的影响，发现紫外光强度越大，光氧化速率越快；同时，紫外光照射对于沥青老化的影响深度不大于0.1 mm，即便老化过程中沥青分子向内扩散，紫外光对沥青的老化作用也仅限于沥青表层1 mm范围内。沥青表层老化使得结构劲度模量增大，保持应变不变时，路面承受的应力水平显著提升，因此路面结构容易出现温缩裂缝，导致各类病害进一步发展，降低路面结构的路用性能，缩短路面使用寿命。2 原材料基本性能为明确紫外光老化处理下沥青混合料的性能变化，本文采用紫外光老化设备加速材料老化，按照不同油石比制备了AC-13和AC-16沥青混合料试件。1）沥青的基本性能本研究选用SBS改性沥青进行试验，其各项基本性能如表1所示。表1 SBS改性沥青的基本性能检测项目标准值试验值试验方法针入度/（0.1 mm）608065.6TO604延度/cm3042T0605软化点/5566.1TO606闪点/230275T0611溶解度/%9999.2TO607密度/（g/cm3）实测0.987T06032）集料的基本性能本研究选用石灰岩作为集料，粗集料基本性能如表2所示，细集料的基本性能如表3所示。表2 粗集料的基本性能检测指标压碎值（%）表观相对密度坚固性（%）洛杉矶磨耗损失（%）小于0.075 mm颗粒含量（水洗法）（%）针片状颗粒状况（%）吸水率（%）毛体积相对密度粗集料筛孔尺寸/mm5102.63910.40.41.612.53110202.6320.39.21.652.523204015.72.6146.9300.19.31.132.538标准值282.5121实测值8.13实测值试验方法T03162000T03042000T03142000T03172000T03102000T0312200036交通世界TRANSPOWORLD表3 细集料的基本性能检测指标含泥量（%）表观相对密度细集料筛孔尺寸35mm1.22.96标准值32.5石屑2.32.59试验方法T03332000T035220003）填料的基本性能填料的基本性能如表4所示。表4 填料的基本性能检测项目粒度范围（%）表观相对密度加热安定度亲水系数塑性系数0.075 mm0.15 mm0.6 mm检测标准71.9191.999.852.713良好0.73.8试验结果75100901001002.51.04试验方法T03512000T03522000T03592000T03532000T035420003 试验方案3.1 影响因素已有研究表明4-5，沥青混合料经紫外光老化处理后，其低温抗裂性能的影响因素主要有：紫外光老化处理时间、油石比、级配组成等。为进一步对比不同因素的作用效果，本文制备未经紫外光老化处理的试件作为对照组，通过老化试验箱进行室内紫外光老化试验，通过万能试验机进行低温劈裂试验，对老化沥青混合料低温抗裂性能进行评价。3.2 室内紫外光照射试验采用1 000 W高压汞灯提供紫外光源，测定距灯管60 cm位置处的平均光照强度约为200 W/m2，根据紫外光辐射强度换算得到老化处理的光照射时间。本研究选用当地区紫外光辐射量标准（即 420 MJ/m2）进行试验。试验模拟紫外光照射时间为总自然紫外辐射量与试验紫外辐射强度之比，计算得出试验光照583 h等效于自然光照1年。4 沥青混合料抗裂性能试验4.1 制备试件本试验分别采用AC-13、AC-16两类沥青混合料，按照S0、S1及S2级配制备标准马歇尔试件。试件级配如表5、表6及图1所示。表5 AC-13沥青混合料的3种级配设计筛孔直径/mm1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075S0级配（%）10094765435251914127S1级配（%）1009882603218121075S2级配（%）1009882533018121075表6 AC-16沥青混合料的3种级配设计筛孔直径/mm191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075S0级配（%）10099.69163.94427.919.71511.69.86.8S1级配（%）100988977542716111087S2级配（%）1009889.5764726161110874.2 试验方案本研究采用SANS微机控制万能试验机，通过高低温环境箱调节试验温度至-10 0.5 并保温12 h，随后在环境箱内开展抗裂性能试验。借助马歇尔稳定仪，AC-13AC-16S0S1S3级配组最佳油石比（%）6543210图1 不同级配设计对应的最佳油石比37总653期2023年第23期（8月 中）分别在模具上下侧分别装上两根宽度为12.7 mm、直径为50.8 mm的劈裂条进行低温抗裂性能试验，试验加载速度为1 mm/min。4.3 评价指标低温抗裂性能试验以劈裂抗拉强度作为评价指标。劈裂抗拉强度按照式（1）计算：RT=0.006278PT/h（1）式（1）中：RT为试件劈裂抗拉强度，单位MPa；PT为试验的最大荷载，单位N；h为试件高度，单位mm。5 光照时间的影响分析随着紫外光老化处理时间的推移，沥青混合料的劲度模量逐渐上升，在保持应变不变的前提下，内部应力逐渐增大。在低温环境中，沥青混合料的内部应力很容易达到极限强度进而出现材料断裂。因此，紫外光老化处理对沥青混合料低温性能具有显著作用。本研究采用紫外光老化处理后的沥青混合料在低温环境下进行劈裂试验，对老化沥青混合料的低温抗裂性能进行评价。按照紫外辐射总量相同的原则，采用加速紫外光老化方式进行试验，随着紫外光老化处理过程的推进，材料劈裂强度变化趋势如图2所示。通过对紫外光老化处理前后沥青混合料的劈裂强度对比可知：1）紫外光老化处理会显著降低沥青混合料的劈裂强度，其原因为沥青受紫外光照射后黏性显著降低，导致沥青与集料之间的黏结力衰减，在低温环境下，沥青胶浆使用性能下降会引起沥青混合料的抗裂性能劣化；2）伴随紫外光照射时间的增加，沥青混合料的抗裂性能逐渐趋于稳定。6 级配设计的影响分析本研究按照不同的级配设计方案制备了两组沥青混合料试件：一组试件不作任何光老化处理；另一组试件进行连续4个月的紫外光老化处理。分别对两组试件进行低温劈裂试验，得到的试验结果如表7所示。表7 不同级配设计下的低温劈裂强度变化级配劈裂强度（光老化前）/MPa劈裂强度（光老化后）/MPa差值（%）AC-13S04.07183.7216-9.14AC-13S13.36493.1223-9.28AC-13S23.11272.93-9.41AC-16S04.23723.7044-12.57AC-16S13.7393.3654-9.99AC-16S23.32662.9959-9.94通过对紫外光老化处理前后沥青混合料的劈裂强度对比可知：1）对于AC-13型级配试件，AC-13S0沥青混合料试件的抗裂性能最好，且其在紫外光老化处理前后劈裂强度变化最小，说明该试件受紫外光老化作用影响最小；AC-13S1沥青混合料试件的劈裂强度在紫外光老化处理前后变化较小，且显著大于AC-13S2沥青混合料试件、低于 AC-13S0沥青混合料试件；AC-13S2沥青混合料试件的劈裂强度最小，且其在紫外光老化处理前后变化最大；因此，从混合料低温环境下的抗裂性能层面分析，优先采用 AC-13S0及 AC-13S1沥青混合料；2）对于AC-16型级配试件，AC-16S0沥青混合料试件在紫外光老化处理前后的劈裂强度均最大，但处理前后变化也最大；AC-16S2沥青混合料试件的劈裂强度最小；所以，从混合料低温环境下的抗裂性能层面分析，优先采用AC-16S0沥青混合料；3）综合对比以上 AC-13 及 AC-16 型级配试验数据，考虑沥青混合料在低温环境下的抗裂性能，优先采用AC-13S0及AC-16S0沥青混合料。7 结论本文分别制备了 AC-13 及 AC-16 沥青混合料试件，在不同配比设计、光照时间下进行了紫外光老化处理，并对试件分别作低温劈裂试验，分析各试件的低温抗劈裂性能及光老化时间的作用效果，得出以下结论。1）经紫外光老化处理的AC-13型级配试件的低温劈裂强度降低约9；经紫外光老化处理的AC-16S1及AC-16S2沥青混合料试件的低温劈裂强度降低约10，AC-16S0沥青混合料试件的低温劈裂强度降低约12。试验结果表明：不同级配设计下的沥青混合料经紫外光老化处理前后低温劈裂强度变化较小。2）在各类沥青混合料的低温劈裂试验中，S0型级（下转第42页）6305404503602701809004.34.24.14.03.93.83.7劈裂强度/MPa紫外光老化处理时间/hAC-13AC-1601234567891011 12 13紫外光辐射强度/J图2 沥青混合料的劈裂强度试验结果38总653期2023年第23期（8月 中）次/min，平均动稳定度为1 928次/min；SBS温拌改性沥青混合料稳定度分别为 4 125 次/min、4 377 次/min、4 231次/min，平均动稳定度为4 251次/min。由此可看出，SBS温拌改性沥青混合料满足施工规范且高温性能优于基质沥青混合料，可用于道路建设。3.2 平整度路面行车舒适性评价指标为路面平整度。采用SBS改性沥青混合料进行试验路段施工，然后采用3 m直尺法进行检测，并根据公式将试验路段3 m直尺测量值转换为国际平整度指数（IRI）值。试验路段国际平整度指数检测结果如表8所示，转换公式见式（2）。IIRI=0.3803X-0.4537（2）式（2）中：IIRI为国际平整度指数，单位mm；X为3 m直尺测量值，单位mm。表8 试验路段IRI指数试验路段路段1路段2路段3检测次数13 m直尺测量值/mm1.652.312.73国际平整度指数/（m/km）0.170.420.45检测次数23 m直尺测量值/mm2.032.553.24国际平整度指数/（m/km）0.320.520.78检测次数33 m直尺测量值/mm1.872.962.37国际平整度指数/（m/km）0.260.670.45由表 7 可知，路段 1 的国际平整度指数平均值为0.25 m/km；路段2的国际平整度指数平均值为0.54 m/km；路段 3 的国际平整度指数平均值为 0.56 m/km。根据公路沥青路面施工技术规范（JTG F402004），国际平整度指数应当小于2 m/km，因此这3条试验路段平整度均满足规范要求，说明SBS温拌改性沥青混合料满足道路施工规范要求。4 结论本文对SBS温拌改性沥青的性能进行了研究，基于试验结果，得出以下结论：1）对SBS温拌改性沥青混合沥青、粗细集料、SBS改性剂等原材料进行性能检测，结果表明所选用原材料均可用于道路施工。2）通过研究SBS掺量对改性沥青三大技术性能指标的影响，得出随着SBS掺量增加，改性沥青的针入度降低、延度先降低后增加、软化点一直上升，当SBS掺量为6%时，改性沥青性能最佳。3）通过研究搅拌温度对改性沥青三大指标的影响发现，随着搅拌温度升高，SBS温拌改性沥青针入度下降，延度先上升后下降，软化点一直上升，当搅拌温度在180190 时，改性沥青的性能最佳。4）通过对改性沥青混合料路用性能的研究，得出SBS改性沥青混合料的高温性能优于基质沥青混合料，且路面平整度符合规范要求。参考文献：1 罗航宇.SBS改性沥青及透水混合料性能研究D.长春：长春工程学院，2021.2 李斌斌.温拌橡胶沥青玛蹄脂碎石路面关键控制技术研究D.兰州：兰州交通大学，2019.3 王玉杰.再生SBS改性沥青混合料配合比设计及路用性能研究D.重庆：重庆交通大学，2017.4 王利.公路工程温拌沥青混凝土路面施工技术应用研究J.交通世界，2019（Z2）：80-81.（上接第38页）配试件的抗裂性能最好。S0型级配采用的是我国现行技术规程要求的中值级配，其低温劈裂强度较其他级配有显著提升，因此能够在强紫外光、年均气温较低的地区发挥作用。3）对于年均气温低、紫外光照射强度大、车辆荷载大及年极端低温天气多的地区，可在其上面层、中面层沥青混合料的级配设计中优先采用S0型级配设计方案。参考文献：1 叶树鹏.基于SCB的老化沥青混合料低温抗裂性能研究D.淮南：安徽理工大学，2022.2 童申家，高东远，王乾，等.沥青类型对紫外光老化沥青混合料高低温性能研究J.公路工程，2017，42（2）：63-66.3 吴孝敏.沥青混合料老化机理及再生技术应用D.重庆：重庆交通大学，2013.4 郭韦韦，张祖棠.高寒地区光老化对沥青混合料低温性能影响J.重庆交通大学学报（自然科学版），2012，31（1）：51-53，58.5 张保立.沥青与沥青混合料光热老化路用性能研究D.重庆：重庆交通大学，2010.42