紫外光老化沥青混合料低温抗劈裂性能研究

李惠霞， 蔡正森， 童申家

(1.河南城建学院 交通工程学院， 河南 平顶山　467000；　2.西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安　750000)



紫外光老化沥青混合料低温抗劈裂性能研究

李惠霞1， 蔡正森1， 童申家2

(1.河南城建学院 交通工程学院， 河南 平顶山467000；2.西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安750000)

[摘要]从不同油石比的沥青混合料在不同级配、不同紫外光照时间下，采用低温劈裂试验的方法，分别对紫外光照前后沥青混合料的低温抗裂性能行研究。试验选择AC-13和AC-16沥青混合料的三种不同级配分为S0、S1和S2型，并分别设置3种不同油石比，不同老化时间为室内紫外光照时间0、97、194、292、388，583 h，制作沥青混合料试件进行紫外光老化。对紫外老化前后的试件进行在低温环境箱中进行劈裂试验，根据其劈裂强度变化，分析其低温抗劈裂性能，明确光老化时间对沥青混合料低温抗裂性能的影响，以及为沥青混合料合理配合比设计提供依据。

[关键词]沥青混合料； 紫外光老化； 级配； 光照时间； 低温抗裂

0前言

从建国以来我国公路建设发展迅速，而且随着“八五”、“九五”期间战略重心的转移，国家加大了对西部投资的力度。近年来，在内蒙古、西藏等地区的公路工程大力开展起来，截止到2011年，内蒙古地区公路里程已经达到160 995 km，且广泛运用了沥青混凝土路面[1，2]这些地区的特点是海拔高，昼夜温差大，主体日照时间长，太阳辐射能量大，太阳光谱中紫外光比例高，属于强紫外辐射地区。虽然紫外线的辐射深度很小，但是由于路面存在空隙，强紫外光对路面的影响可达到1 cm左右，紫外光老化是沥青路面老化的一种主要形式。而且，我国大部分地区都受到强烈的太阳辐射的影响。从总体上看，全国各地的太阳辐射年总量达到335～837 kJ/cm2，平均值为586 kJ/cm2。从分布上看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射量很大。其中，青藏高原的辐射量最大，其太阳辐射强度达到了816 kJ/cm2；四川盆地则因为雨多、雾多则太阳辐射量居于全国最低位[3]。

沥青路面较水泥混凝土路面有连续性好、行车舒适、抗震性好、易修复、噪声低、施工方便等优点，在我国大部分地区广泛应用[4]。但是沥青混合料在光、热、水、复杂气候、荷载作用等多种条件下其使用性能随时间逐渐降低[5]，传统的研究只注重沥青材料老化研究，对沥青混合料的老化研究很少[6]。并且沥青材料在沥青混合料的拌和、摊铺、碾压过程中以及以后沥青路面的使用过程中都存在老化现象。沥青混合料的老化使得沥青胶浆的柔性和与集料之间的粘附性能降低[7，8]，沥青胶结料的脆性增加，导致沥青混合料在低温状态下抗劈裂性能下降，是沥青路面出现裂缝的重要影响因素之一。裂缝的产生，影响沥青路面的使用性能，降低沥青路面的使用寿命[9，10]。

本文通过实验室加速沥青紫外光老化试验仪模拟沥青混合料在不同紫外光照和不同光照时间下沥青混合料老化，并且通过调整不同集料级配，不同油石比等配合比。研究了不同光照时间、不同级配和不同油石比下的紫外光老化沥青混合料的低温抗裂性能。

1材料的基本性能

为了研究沥青混合料的紫外光老化的性能，除了具有紫外老化加速设备进行紫外光老化，还需要对紫外光老化试验的材料性质进行明确。本试验选择AC-13和AC-16沥青混合料的3种不同级配为S0、S1和S2型，并分别设置3种不同油石比，制作沥青混合料试件进行紫外光老化。

1.1沥青材料的基本性能指标

本文采用SBS改性沥青，其基本性能指标见表1。

表1 SBSI-C改性沥青实验结果Table1 SBSI-Cmodifiedbitumenresults检测项目标准值试验值试验方法针入度/0.1mm60～8065.6T0604延度/cm≥30 42.0T0605软化点/℃≥55 66.1T0606闪点/℃≥230 275T0611溶解度/%≥99 99.2T0607密度/(g·cm-2)实测 0.987T0603

1.2集料的基本性能指标

本试验采用的集料是石灰岩，粗集料的基本性能指标如表2所示，细集料的基本性能指标如表3所示。

表2 粗集料的基本性能指标Table2 Basicperformanceindicatorsofcoarseaggregate检测项目标准值20～4010～205～10试验方法压碎值/%≯2815.7 ——T0316-2000洛杉矶磨耗损失/%≯3010.4T0317-2000表现相对密度≮2.52.6142.6322.639T0304-2000毛体积相对密度实测值2.5382.5232.531吸水率/%≯3.01.13 1.65 1.61 坚固性/%≯126.9 ——T0314-2000针片状颗粒状况/%要求值15 15 15 T0312-2000实测值8.1 9.3 9.2 小于0.075mm颗粒含量(水洗法)/%≯10.1 0.3 0.4 T0310-2000

表3 细集料的基本性能指标Table3 Basicperformanceindicatorsfineaggregate检测项目标准值3～5石屑试验方法表现相对密度/(t·m-3)≮2.52.962.59T0352-2000含泥量(小于0.075mm的含量)/%≯3 1.202.30T0333-2000

1.3填料的基本性能指标见表4所示

表4 矿粉的基本性能指标Table4 Slagbasicperformanceindicators检测项目检测标准试验结果试验方法表现密度/(t·m-3)≮2.52.713T0352-2000粒度范围<0.6/%100 99.85<0.15/%90～10091.90<0.075/%75～10071.91T0351-2000亲水系数<1.00.7T0353-2000塑性系数<4 3.8T0354-2000加热安定度—良好T0359-2000

2试验方案

2.1实验室模拟老化实验设备

本实验采用的实验设备有：SANS带环境箱微机伺服万能试验机见图1；紫外老化试验箱见图2。

图1带环境箱微机伺服万能试验机

Figure 1Environmental c-hamber with computer servo universal testing machine

图2紫外老化试验箱

Figure 2UV aging chamber

2.2影响因素

影响紫外光老化沥青混合料低温抗劈裂性能的因素主要包括：紫外光照时间、混合料级配、油石比。为了便于比较，应另外做出不进行紫外光老化的试件作为对照组。本文的目的是通过试验获取不同光照时间、不同级配和不同油石比的沥青混合料的低温抗裂性能，并分析这些因素对低温抗裂性能的影响。因此，本文需要能够对沥青混合料试件进行室内加速紫外光老化试验和低温劈裂实验，通过试验获取沥青混合料的低温劈裂强度。室内加速紫外光老化是通过自制的紫外光老化试验箱实现；沥青混合料的低温劈裂强度是通过万能试验机实现的。

2.3室内加速紫外光老化

为了对沥青混合料的紫外光老化特性进行研究，需要进行紫外光老化模拟试验。本文采用的紫外光老化实验箱是紫外老化试验箱，采用1 000 W高压汞灯模拟紫外光，距离灯管60 cm处的平均强度为200 W/m2，明确某地区的紫外光辐射强度就可以进行室内紫外光老化照射时间的换算。本文采用紫外辐射比较强的内蒙Ⅰ区的紫外光年辐射量420 MJ/m2，根据实验室模拟紫外光照时间=自然紫外辐射总量/实验室紫外辐射强度进行计算得到室内光照583 h相当于自然光照1 a。

3沥青混合料劈裂实验

3.1试件制备

对于进行低温抗裂性能试验的沥青混合料试件为标准的马歇尔试件，制作方法采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的沥青混合料试件制备方法(击实试验法，T0702-2011)制作劈裂试验试件。

实验选择AC-13和AC-16沥青混合料的3种不同级配为S0、S1和S2型见表5～表7所示。

表5 AC-13矿料不同级配范围Table5 AC-13differentmineralaggregategradationrange级配通过下列筛孔尺寸(mm)的质量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075S010094765435251914127S11009882603218121075S21009882533018121075

表6 AC-16矿料不同级配范围Table6 AC-16differentmineralaggregategradationrange级配通过下列筛孔尺寸(mm)的质量百分率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075S010099.69163.94427.919.71511.69.86.8S1100988977542716111087S21009889.576472616111087

表7 不同级配沥青混合料的最佳油石比Table7 Bestwhetstonedifferentgradedasphaltmixtureratio级配类型最佳油石比/%级配类型最佳油石比/%AC-13S05.1AC-16S05.0AC-13S15.5AC-16S15.5AC-13S25.4AC-16S25.4

3.2试验方法

根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20-2011)中沥青混合料低温劈裂试验(T0716-2011)的试验方法。采用SANS微机控制电子万能试验机进行低温抗劈裂强度实验，使用万能试验机的高低温环境箱将箱内的温度降低至(-10±0.5)℃保温12 h后在环境箱中进行劈裂实验，使用马歇尔稳定仪，在模具上下加上两根内侧半径R50.8 mm，宽度为12.7 mm的劈裂条，进行低温劈裂实验，试验加载速率为1 mm/min。

3.3评价指标

采用劈裂抗拉强度RT评价沥青混合料紫外光化前后的低温抗劈裂性能，劈裂抗拉强度公式采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的公式T0716-1，即：

RT=0.006 278PT/h

式中：RT为劈裂抗拉强度，MPa；PT为试验荷载最大值，N；h为试件高度，mm。

4不同光照时间对紫外光老化沥青混合料

低温抗裂性能的影响

沥青混合料在紫外光老化后，劲度模量增加，在应变不变的情况下，内部应力增大，在低温状态下，内部应力容易超过其极限强度而发生断裂，因此沥青混合料的紫外光老化对于其低温性能的影响是不可忽视的。本文通过低温状态下对紫外光老化沥青混合料进行劈裂试验，来评价沥青混合料紫外光老化的低温抗裂性能。根据紫外辐射总量相等的原则，对沥青混合料进行室内加速紫外光老老化试验，研究沥青混合料随紫外光老化时间的增加，其劈裂强度变化情况如表8和表9所示。

表8 AC-13S0型劈裂强度随时间变化规律Table8 AC-13S0-typecleavagestrengthvariationwithtime自然辐射y模拟时间/h劈裂强度/MPa004.07182973.804541943.721662923.715183893.7213104863.7158125833.7154

表9 AC-16S0型劈裂强度随时间变化规律Table9 AC-16S0-typecleavagestrengthvariationwithtime自然辐射y模拟时间/h劈裂强度/MPa004.23722973.930641943.784462923.806383893.7510104863.7734125833.7523

老化前后进行沥青混合料低温劈裂实验，结果表明：

① 沥青混合料紫外光老化后，沥青混合料的坑劈裂强度性能降低，因为沥青在紫外光照射后其粘性降低，沥青和集料之间的粘结力减小，沥青胶浆的使用性能降低导致沥青混合料抵抗低温劈裂的性能下降；

② 随着紫外光照时间的增加，劈裂强度值趋于稳定。

5不同级配对紫外光老化沥青混合料低温

抗裂性能的影响

将沥青混合料试件根据不同的级配分为两组：一组未进行老化试验；一组进行连续4个月的紫外光老化实验，然后在低温状态下进行劈裂实验，得到实验结果见表10。

老化前后进行沥青混合料低温劈裂实验，结果表明：

① 在AC-13型级配中，AC-13S0型级配的沥青混合料的劈裂强度最大，其紫外光老化前后的劈裂强度的变化值最小，说明其受紫外光老化的影响最小，S1型级配老化前后变化不大，劈裂强度大于S2型级配的劈裂强度，小于S1型级配的劈裂强度。因此从沥青混合料低温抗劈裂强度性能角度考虑，推荐使用AC-13S0型和AC-S1型级配沥青混合料，AC-13S2型级配的沥青混合料的劈裂强度值最小，受影响最大。

表10 沥青混合料不同级配低温抗劈裂实验强度Table10 Gradedasphaltmixtureofdifferentlowintensityanti-splittingexperiments级配类型劈裂强度(前)/MPa劈裂强度(后)/MPa老化前后差值/%AC-13S04.07183.7216-9.14AC-13S13.36493.1223-9.28AC-13S23.11272.9300-9.41AC-16S04.23723.7044-12.57AC-1613.73903.3654-9.99AC-16S23.32662.9959-9.94

② 在AC-16型级配中，AC-16S0型级配沥青混合料老化前后劈裂强度最大，但是，其受老化影响最大；AC-16S2的劈裂强度最小。因此，从混合料低温抗劈裂强度性能角度考虑，AC-16型沥青混合料中最佳级配是S1型。

③ 综合以上两种六组种实验数据，沥青混合料紫外光老化低温抗劈裂强度性能推荐级配是：AC-13S0型和S1型，AC-16S1型。

6结果分析

① 沥青混合料经过紫外光照射老化后AC-13几种级配的劈裂强度降低了9%左右；AC-16S1和S2型级配的沥青混合料劈裂强度降低了10%左右，S0型级配沥青混合料劈裂强度降低了12%左右。实验结果表明级配不同对于紫外光老化后沥青混合料低温抗劈裂性能影响不大，均在10%左右。

② 在沥青混合料低温抗劈裂实验中，S0型级配的抗劈裂性能最优，S0型级配组成按照沥青混合料施工技术规范中值级配附近，其低温劈裂值比其他级配低温劈裂值有大幅度提高，因此特别适合于强紫外线、年平均气温较低的地区。

③ 年气温平均值相对较低，年极端低温天气多，紫外光照强烈，车辆荷载大的地区，在进行上面层和中面层沥青混合料级配设计中适宜采用S0型级配的沥青混合料设计方案。

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Research on Low Temperature Splitting Resistance of Ultraviolet Aging Asphalt Mixture

LI Huixia1， CAI Zhengsen1， TONG Shenjia2

(1.Department of Traffic Engineering， Henan University of Urban Construction， Pingdingshan， Henan 467000， China；2.School of Civil Engineering， Xi’an University of Architecture and Technology， Xi’an， Shanxi 710055， China )

[Abstract]Low temperature crack resistance of asphalt mixture of Ultraviolet aging is studied by low temperature fracturing test when the mixture has different gradation，different asphalt content and different illumination time.The different gradation of AC-13 and AC-16 is S0，S1 and S2 with different asphalt content.The different illumination time is 0，97，194，292，388 and 583 hours.The influence of low temperature crack resistance of asphalt mixture of ultraviolet aging can be achieved and the basis of mix proportion design for the region with high ultraviolet aging.

[Key words]asphalt mixture； ultraviolet aging； gradation； the illumination time； low temperature crack resistance

[收稿日期]2015-02-08

[基金项目]国家自然科学基金青年项目(51108375)

[作者简介]李惠霞(1979-)，女，河南柘城人，讲师，博士，从事路面材料研究。

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0069-05