沥青路面材料服役寿命全气候模拟技术研究*

罗 钦 吴少鹏 胡锦轩 谢文华 刘全涛

(1.广东省南粵交通揭惠高速公路管理中心 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)

公路设施是我国现代交通网络的重要组成部分，对国民经济发展有巨大的促进作用[1]。公路在建设过程中，每年消耗大量的沥青材料。然而，沥青路面材料在使用中，由于受到光、热、氧等因素的作用，导致其使用寿命大大降低，在设计年限内就出现了开裂、车辙、坑槽等问题[2-3]，以及一直被忽视的外部环境及日益增长的交通载荷，对沥青路面的耐久性和使用寿命造成了重大影响[4]。

沥青路面服役性能的衰退是受外部诸多因素长期综合影响所致，但是目前对于路面的耐久性的研究手段，主要依靠室内材料试验进行，对实际服役过程中所受到各种因素的综合影响考虑不周[5]。虽然近年来国内外对沥青混合料室内模拟研究加大了投入，但由于条件限制，无法对实际自然环境和交通载荷条件下的沥青路面长期服役行为进行系统的研究[6]。

在沥青老化模拟设备方面，老化条件单一，与实际路面自然老化存在较大差异，无法真实模拟实际路面的老化情况[7]；在研究荷载对沥青路面使用寿命影响的设备方面，主要采用路面加速加载的大型仪器设备来模拟路面在服役时所受到的载荷，虽然可以改变移动荷载的大小以及速度，但是对于路面在服役过程中受到的其他如光、氧、热等因素未充分考虑[8]。因此多功能路面材料全寿命分析仪的研制及时地解决了上述问题。

本文按照不同紫外分区下的全寿命模拟方法，选取典型路段利用多功能路面材料全寿命分析仪模拟不同紫外分区的沥青路面材料的服役条件，通过室内模拟与实际路面的沥青路面的寿命对比，研究模拟方法与仪器的可靠性。

1 原材料及实验方法

1.1 实际路面简介

选取的典型代表路面如表1所示。

表1 典型路面参数表

1.2 模拟参数

查找各路段温度、降雨量等数据，参数不全的路段以该地区所在省份的年均值为准。根据不同紫外分区下的全寿命模拟方法，换算得到最终的模拟参数，见表2。

表2 各路段模拟参数

1.3 试件及成型方法

试件为全厚式车辙试件，参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0703-2011轮碾成型法进行成型，首先成型下面层，待上面层在室内放置24 h自然冷却后，按照相同方法分别成型中面层及上面层。

试件具有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。集料选用石灰岩及玄武岩，沥青为70号沥青、90号沥青、SBS改性沥青(I-C)、SBS改性沥青(I-D)。上面层集料统一使用玄武岩(AC-13)，中、下面层集料统一采用石灰岩，中面层级配为AC-20，下面层级配为AC-25。模拟第一分区路段时，上面层沥青为SBS改性沥青(I-C)，中、下面层统一选用90号沥青；模拟第二分区路段时，上、中、下面层统一选用90号沥青；模拟第三分区路段时，上面层所用沥青为SBS改性沥青(I-D)，中、下面层选用90号沥青，模拟第四分区路段时，上面层采用SBS改性沥青(I-D)，中、下面层选用70号沥青。

1.4 试验方法

全厚式车辙试件成型后冷却24 h以上，然后方可放入多功能路面材料全寿命分析仪中。在模拟时所用温度值下保温24 h，再设定其他技术参数进行加载。模拟结束后，对试件进行钻芯取样处理。然后切取表面层1 cm进行抽提，测试沥青基团变化。用同样的方法处理路面芯样，测试其性能。沥青基团变化可用来表征沥青老化的程度，已知的有羰基化合物C=O的特征峰为1 700 cm-1，羰基因子与老化指数有一定关系[9]，羰基因子(IC=O)计算方法如式(1)[10-11]：

IC=O=

(1)

2 试验结果与讨论

2.1 基团对比分析

实际路面及室内模拟芯样中所含沥青羰基因子如图1所示。沥青羰基因子变化与服役年限及模拟时间直接相关，模拟时间或服役时间越长，则羰基因子相对越高。

图1 室内模拟与实际路面羰基因子对比

从图1可知，室内模拟羰基因子均比实际路面羰基因子略低，说明室内模拟时沥青的老化程度略浅，这可能是由路面环境更恶劣多变所致。模拟年限较少时，差值越小，模拟年限增加时，误差越大。但是总体而言，对路面芯样的老化程度均有较好相关性。室内模拟服役时间最长的白兰高速时，绝对误差为Ea1=IC=O路面-IC=O模拟=0.328 1-0.306 6=0.021 5；相对误差为Er1=(Ea1/IC=O路面)×100%=6.6%，可靠性较好。

2.2 车辙深度(RD)对比分析

实际路面及室内模拟的车辙深度如图2所示。

图2 室内模拟与实际路面车辙深度对比

与羰基因子不同，模拟车辙深度与实际路面相比有高有低。在模拟较短服役年限的路面时，室内模拟后的车辙深度较高。而模拟较长服役年限路段时，实际路面的车辙深度较深。这可能是由于实际路面在较长时间的服役过程中，受到严重超载等偶然性因素所致，但整体相关性良好。模拟嘉安高速时误差最大绝对误差为Ea2=RD路面-RD模拟=4.1-4.8=-0.7；相对误差为Er2=|(Ea2/IC=O路面)|×100%=17%，可靠性良好。

3 结论

1) 从羰基因子对比结果可知，室内模拟时沥青羰基因子较实际路面均略低，但相关性较好。

2) 从车辙深度对比结果可知，在模拟较短年限时，室内模拟车辙深度较深，模拟较长年限时，实际路面车辙深度较深，整体模拟相关性较好。

[1] 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.

[2] 庞凌.沥青紫外光老化特性研究[D].武汉：武汉理工大学,2008.

[3] 吴少鹏,庞凌,余剑英,等.沥青光氧老化研究进展[J].石油沥青,2007,21(2):1-6.

[4] 王开生,陈卓识.提高沥青路面耐久性的技术对策[J].黑龙江交通科技,2008,31(12):14-16.

[5] 路畅,黄晓明.沥青室内模拟老化性能研究[J].石油沥青,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.

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[8] 苏凯,王春晖,周刚,等.基于加速加载试验的沥青路面车辙预估研究[J].同济大学学报(自然科学版),2008,36(4):493-497.

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[10] 刘义高,吕松涛.高寒低等级公路沥青面层结构影响分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),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.