不同紫外分区下的沥青路面全寿命模拟方法研究*

陈伟盛 吴少鹏 胡锦轩 谢文华 刘全涛

(1.广东省南粤交通揭惠高高速公路管理中心 揭阳 515325；2.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070； 3.武汉友枫模塑有限责任公司 武汉 430200)

沥青路面材料因其良好的使用性能在工程中得到了广泛的应用。但在实际使用中，沥青因老化而引起的性能衰退，导致必须进行早期预防性养护，同时在设计使用年限内出现车辙、坑槽等病害，极大地增加养护成本，引发沥青老化的问题也引起了普遍关注[1]。

沥青在光、热、氧、水分等因素的综合作用下，会发生氧化老化及轻质组分挥发，并由于受到荷载与高温的反复作用而产生塑性变形，进而逐渐聚集形成疲劳开裂[2]。为模拟沥青的老化，我国公路科学研究所研制了可模拟日晒、雨淋等自然环境的老化箱，山西交通科学研究所研制了可模拟气候条件的加速老化试验仪，但因设备使用条件复杂，很少用于试验。日本开展了模拟气候条件下的沥青加速老化试验，其主要采用碳弧灯、氙灯等各种光源进行沥青紫外老化试验，但室内试验结果与实际路面老化相关性低[3]。而多功能路面材料全寿命分析仪的成功应用，改变了传统的基于高温、高压或其他单一老化条件的模拟方式，能够综合模拟沥青路面服役环境中的光、热、氧、荷载及雨水等多因素环境条件，使室内加速试验最大限度地模拟实际环境下的沥青路面服役环境，可更好地研究沥青在光、热、氧、周期性应力、水等因素综合作用下的老化行为。

我国地域辽阔，南北纬度跨度大，环境气候复杂。根据中国气象局风能太阳能资源中心发布的中国太阳能年辐照5大分区，紫外线年辐射总量[4-5]为：一区334～420 MJ/m2，二区293～334 MJ/m2，三区250～293 MJ/m2，四区210～250 MJ/m2，五区167～210 MJ/m2。另有研究表明，第四分区与第五分区对沥青的老化效果类似，因此，第五分区与第四分区合并为第四分区。若根据单一的模拟技术参数，很难准确模拟各地的真实服役环境。

本文按照不同的太阳能辐照分区，搜集每个分区各自的自然环境因素参数，提出针对模拟不同分区的沥青路面材料的技术参数范围。

1 原材料及实验方法

1.1 原材料

模拟每个分区时，采用沥青混合料结构为全厚度式车辙试件，试件为3面层结构，尺寸长1 m、宽0.5 m，上、中、下 3面层高度分别为4，6，8 cm。上面层集料采用玄武岩，级配为AC-13，中、下面层集料采用石灰岩，级配分别为AC-20及AC-25。模拟第一分区时，上面层采用SBS改性沥青(I-C)，中、下面层采用90号沥青；模拟第二分区时，上、中、下面层均采用90号沥青；模拟第三分区时，上面层采用SBS改性沥青(I-D)，中、下面层采用90号沥青，模拟第四分区时，上面层采用SBS改性沥青(I-D)，中、下面层采用70号或50号沥青。

1.2 试件成型方法

沥青混合料参照JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中轮碾法T0703-2011进行成型，具体步骤如下。

1) 称量和加热。按比例称取沥青混合料所用的各档集料，将集料放入确定温度的烘箱中加热，加热时间为6 h，将沥青放入确定温度的烘箱中加热，加热时间为3 h。

2) 拌和。将沥青混合料拌和机调到试验设定温度预热1 h，从烘箱中取出集料倒入拌和机中，干拌30 s，边拌和边倒入一定量的沥青，搅拌90 s，最后边搅拌边倒入一定量的矿粉，拌和90 s。

3) 压实。拌和结束后立即倒入车辙板试模中，使用轮碾成型机按照规定的轮碾次数压实混合料。

将成型的下面层放置在室内，自然冷却24 h，然后重复以上步骤进行中面层和上面层的成型。

1.3 试验方法

将试件放入多功能路面材料全寿命分析仪中，在设定温度值下保温24 h，设定其他技术参数并加载。

2 试验结果与讨论

2.1 温度参数

温度参数采用美国SHRP中提出的车辙试验的等效温度计算方法，即在该温度下，实际路面荷载在不同温度下造成的作用等效于在该温度下作用的效果。车辙等效温度计算方法为[6]

Teff(PD)=30.8-0.12Zcr+0.92MAAT设计

(1)

式中：Teff(PD)为车辙等效温度，℃；Zcr为沥青层的深度，mm；MAAT设计=MAAT平均+Kα·σMAAT，其中MAAT平均为根据历史资料统计的年平均气温的平均值，℃，σMAAT为年平均气温的标准差，℃，Kα为保证率系数，见表1。

表1 保证率系数

年平均气温均值及年平均气温的标准差根据各省地级市2014年各月份温度计算，取路面下2 cm处温度为沥青面层的代表温度。由统计局网站查得，一区年均温度为3.5～8.9 ℃，二区为6～14.6 ℃，三区为3～22.3 ℃，四区为13.5～23.6 ℃；计算得到一区车辙等效温度范围为32.4～37.4 ℃，二区车辙等效温度范围为30～48.9 ℃，三区车辙等效温度范围为27.5～49.8 ℃，四区车辙等效温度范围为43.1～52.3 ℃。

2.2 荷载参数

除温度影响，荷载也是造成路面材料破坏的重要因素。路面变形量与交通量荷载的累积有直接关系。一般情况下，统计所得交通量分散在公路上的所有车道。本文采用等效标准轴载次数的计算方法，根据交通科学数据共享网所提供交通量数据，换算为采用0.7 MPa为轮碾压力时，模拟1年交通量作用所需的碾压时间。由采集的交通量数据换算到实际路面车辙有效交通量的计算方法为[7]

Ne=Nt·η·Ø·ζ

(2)

式中：Ne车辙有效作用交通量，次；Nt为采集到的年日均交通量数据，次；η为车道系数，取值范围由公路沥青路面设计规范[8]查得，见表2；Ø为轮迹横向分布系数，见表3；ζ为车辙有效时间分布系数，见式(3)。

表2 车道系数

表3 轮迹横向分布系数

车辙有效时间分布系数计算方法为

ζ=n1/12

(3)

式中：n1为1年中温度大于20 ℃的月份。

根据交通量数据显示，2011年一区中高速公路年日均交通量最高为15 330次，二区中高速公路年日均交通量最高为50 000次，三区及四区中高速公路年日均交通量在50 000次以下占比为99%。本文根据最高交通量计算，模拟时采用车辙次数42次/min，则模拟1年交通量所需荷载作用时间一区为6 h，二区为61 h，三区为109 h，四区为84 h。荷载强度根据比利时接地面积与轴重经验关系式计算得到，计算方法见式(4)。

A=0.008P+152±70

(4)

式中：A为接地面积，cm2；P为轮胎荷载，N：±70为保证率达到90%的离差范围。根据交通科学数据共享平台提供的我国56种常用汽车型号计算后得知，当汽车从满载至超载5倍时，计算所得的前轮轮压及后轮轮压最低为0.5 MPa，最高为1.1 MPa，因此，荷载强度参数范围为0.5～1.1 MPa。

2.3 湿度参数

路面材料的破坏除与温度、荷载有关，与湿度及降雨也有一定关系，动水应力的存在加剧了路面材料的破坏。本文的模拟方法中，以模拟地区的年降雨总量为喷淋总量，模拟降雨的喷淋速率Tr的计算方法为

Tr=H/t

(5)

式中：H为模拟地区的年降雨总量，mm；t为模拟1年交通量所需的荷载作用时间,h。

由《2014年中国统计年鉴》可知，我国各地区年平均相对湿度在43%～82%，模拟时，湿度选用所模拟地区的年平均相对湿度。我国年降雨总量分布为：一区123.8～565.2 mm，二区35～970 mm，三区202～2 260 mm，四区500～2 719 mm。因此，喷淋速率的参数范围为：一区21～94 mm/h，二区0.57～15.9 mm/h，三区1.85～20.7 mm/h，四区6～32 mm/h。

2.4 氧气浓度参数

沥青材料在使用时，会与氧气发生反应而老化，因此模拟方法中将氧气浓度同样作为一个影响因素。在标准大气压下，空气中氧气浓度为21%，且一年四季基本保持平衡。有研究表明，氧气体积分数与大气压及氧分压有一定关系，而大气压与海拔高度具有直接相关性，因此，当得知某地区的海拔高度时，其氧气体积分数也可知，模拟时氧气体积分数采用所模拟地区的氧气体积分数，计算方法为

Y=(-0.022 25X+290.58)/289.3

(6)

式中：X为海拔高度，m；Y为氧气体积分数，%。

根据统计数据显示，一区中较低区域如海西，海拔高度为2 994 m，而较高区域如玉树，海拔高度为3 681 m。因此，一区氧气体积分数参数范围为14.4%～15.5%；二区海拔高度为178.5～4 507 m，氧气体积分数参数范围为13.7%～20.6%；三区海拔高度为2～1 381 m，氧气体积分数参数范围为18.1%～20.3%；四区海拔高度为2.8～1 797 m，氧气体积分数参数范围为18.1%～21.1%。

2.5 紫外光参数

紫外分区的平均辐照强度计算方法为

Ea1=1 000W/(3.6×365×12)

(7)

式中：Ea1为模拟时采用的紫外辐照强度，W/m2；W为模拟地区的年紫外辐照总量，MJ/m2。

为使模拟时间内的紫外辐照总量达到所模拟地区的年紫外辐照总量，先按照仅以10倍紫外辐照强度进行紫外老化模拟实验；达到相应时间后，再按照平均紫外辐照强度与其他技术参数一起以全寿命模拟的方式加载，模拟步骤示意见图1。

图1 紫外老化模拟步骤

紫外辐照模拟总时间计算方法为

t总=t+t′

(8)

式中：t总为紫外辐照模拟总时间，h；t为模拟1年交通量所需荷载作用时间，h；t′为以平均紫外辐照强度的10倍来单独模拟时所需时间，h。

t′=(1 000W-3.6×t×Ea1)/(3.6×10Ea1)

紫外辐照参数范围计算后见表4。

表4 紫外光参数范围

3 结论

1) 对于第一紫外分区，模拟技术参数为：模拟时间6 h，温度范围32.4～37.4 ℃，荷载强度为0.5～1.1 MPa，喷淋速率为21～94 mm/h，氧气体积分数为14.4%～15.5%，紫外辐照强度在单独紫外老化时强度为210～270 W/m2，全寿命模拟时强度为21～27 W/m2。

2) 对于第二紫外分区，模拟技术参数为：模拟实际61 h，温度为30～48.9 ℃，荷载强度为0.5～1.1 MPa，喷淋速率为0.57～15.9 mm/h，氧气体积分数为13.7%～20.6%，紫外辐照强度在单独紫外老化时强度为186～210 W/m2，全寿命模拟时强度为18.6～21 W/m2。

3) 对于第三紫外分区，模拟技术参数为：模拟实际109 h，温度范围为27.5～49.8 ℃，荷载强度为0.5～1.1 MPa，喷淋速率为1.85～20.7 mm/h，氧气体积分数为18.1%～20.3%，紫外辐照强度在单独紫外老化时强度为158～186 W/m2，全寿命模拟时强度为15.8～18.6 W/m2。

4) 对于第四紫外分区，模拟技术参数为：模拟实际84 h，温度为43.1～52.3 ℃，荷载强度为0.5～1.1 MPa，喷淋速率为6～32mm/h，氧气体积分数为18.1%～21.1%，紫外辐照强度在单独紫外老化时强度为105～158 W/m2，全寿命模拟时强度为10.5～15.8 W/m2。

[1] 庞凌.沥青紫外光老化特性研究[D].武汉：武汉理工大学,2008.

[2] 栗培龙,张争奇,王秉纲.沥青紫外光老化特性及机理探讨[J].郑州大学学报(工学版), 2008, 29(4):96-100.

[3] 刘旷怡.模拟多因素耦合条件下沥青混合料老化性能研究[D].武汉:武汉理工大学,2015.

[4] 胡波.中国紫外与光合有效辐射的联网观测及其时空分布特征研究[D].北京：中国科学院，2005.

[5] 侯晓玮,廖颖慧,曹春莉,等.河北省太阳紫外辐射时空分布特征[J].干旱气象,2012,30(4):583-587.

[6] COMINSKY R J, HUBER G A, KENNEDY T W, et al. The superpave mis design manual for new construction and overlays[R]. Washington D C：Strategic Highway Research Program,1994.

[7] 栗培龙,张争奇,王秉纲.考虑有效温度及荷载的沥青混凝土路面车辙等效温度研究[J].公路,2011(2):6-11.

[8] 中交公路规划设计院.公路沥青路面设计规范[M].北京：人民交通出版社,2006.

[9] 邓学钧,黄晓明.路面设计原理与方法[M].北京：人民交通出版社,2001.

[10] 吴传海.重载交通沥青路面车辙成因及混合料组成设计研究[D].西安：长安大学,2008.

[11] 谢文强.巴朗山高海拔隧道施工期供氧标准及设计方法研究[D].成都：西南交通大学,2015.