强紫外光地区改性沥青AC-16混合料级配优化设计研究

2021-02-26刘金修周德平

内蒙古公路与运输 2021年1期

刘金修，李钰，李泽，周德平

（1.新疆交通科学研究院，新疆乌鲁木齐 830000；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075）

1 引言

在我国西北地区，紫外光辐射是引起沥青混凝土路面老化的重要因素之一，强烈的紫外光辐射会导致沥青混凝土路面在相对较短时间内泛白、老化、耐久性降低、路用性能变差[1，2]。当前国内外研究学者针对沥青与沥青混合料的紫外光老化做了大量研究[3-5]，研究主要集中在沥青混合料紫外光老化的影响因素及老化前后沥青混合料路用性能的演变规律[6-8]，而针对沥青混合料抵抗紫外光辐射的研究涉及较少。基于以上原因，本文通过正交试验对强紫外光辐射地区SBSI-C改性沥青AC-16混合料的4个关键筛孔和油石比进行优化设计研究，为强紫外光地区AC-16沥青混合料抗紫外光老化的级配优化设计研究提供理论和技术支持。

2 原材料技术性能

2.1 沥青

本次试验研究采用国创SBS I-C改性沥青，沥青的主要性能指标测试结果见表1。

表1 SBS I-C改性沥青主要性能指标

2.2 集料

本次试验研究所用粗、细集料均为优质石灰岩集料，包括20mm～40mm、10mm～20mm、5mm～10mm、3mm～5mm、石屑五档集料，矿粉为碳酸钙粉末。经室内试验检测其性能指标结果满足规范要求。

3 室内模拟紫外光辐射老化试验方案

沥青混凝土路面在自然条件下的紫外光老化主要发生在路面铺设完成的前4个月，4个月之后逐渐趋于稳定[3，4]。因此本文在研究强紫外光地区AC-16沥青混合料级配优化设计时，按照室内、室外紫外光辐射总量相等的原则进行老化试验[6]。室内紫外光老化环境试验箱采用1000W的高压汞灯，可保证试验试件所受辐射强度为200W/m2[1]，室内老化时长取177h，室内紫外光辐射总量127.44 MJ/m2，即相当于呼和浩特地区室外自然老化4个月。

4 抗紫外光正交马歇尔试验设计

选取影响强紫外光地区AC-16沥青混合料高低温性能较显著的4个关键筛孔（13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm）和油石比作为影响因素，每个因素选取5个水平数进行抗紫外光正交马歇尔试验设计。5因素5水平抗紫外光正交马歇尔试验设计见表2。

表2 AC-16抗紫外光级配5因素5水平正交表

若通过传统试验研究方法将5因素5水平的抗紫外光正交马歇尔试验全面开展完成，需要55=3125次试验才可以完成。而利用正交试验设计方法则只需要25次试验即可完成，会极大地减少试验次数和缩短整个试验周期。因此，将13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、油石比等5个关键因素，按照5因素5水平正交原则划分后依次填入正交试验表格中，如下表3所示。

表3 AC-16抗紫外光级配关键因素正交试验方案

5 抗紫外光正交马歇尔试验结果及分析

将上述正交试验设计的25种AC-16试验级配按照规范要求制作成标准马歇尔试验试件，并测定其毛体积密度（表干法）、马歇尔稳定度及流值FL，测定完成后分别计算其对应的空隙率VV、矿料间隙率VMA及流值FL等体积参数。各体积参数指标结果见表4。

表4 AC-16各级配正交试验汇总结果

将上述AC-16沥青混合料体积参数结果通过极差分析法进行系统分析，明确各关键筛孔和油石比的影响排序。极差分析结果见表5。

表5 极差分析结果

注：、、、、为表5中每个因素列同一水平所对应的5个试验结果的平均值；R为每列的极差。

从极差分析结果表5中可以得出：

①同时满足规范要求的SBS I-C改性沥青AC-16混合料毛体积相对密度、饱和度VFA及流值FL等6个体积参数各因素取值范围为：A（13.2mm关键筛孔）为76%～92%，中值为84%；B（9.5mm关键筛孔）为62%～72%，中值为67%；C（4.75mm关键筛孔）为40%～60%，中值为50%；D（2.36mm关键筛孔）为24%～36%，中值为6.5%；E（油石比）为4.8%～5.5%，中值为5.15%。

②SBS I-C改性沥青AC-16混合料毛体积密度和矿料间隙率主要因素水平的影响排序均为B>C>E，各次要因素水平不同；影响其空隙率和饱和度各因素的排序均为E>B>C>D>A；马歇尔稳定度和流值的首要影响因素均是4.74mm关键筛孔，各次要因素排序有所不同[2]。

③SBS I-C改性沥青AC-16沥青混合料毛体积相对密度最优组合为A4B5C2D3E3[2]；空隙率最优组合为A2B1C5D5E5；矿料间隙率最优组合为A2B1C5D5E1；沥青饱和度最优组合A4B5C2D2E1；马歇尔稳定度最优组合为A4B5C2D2E5；流值最优组合为A5B5C1D3E1。

6 路用性能验证

6.1 试验级配及油石比的确定

通过适当调整上述优化级配13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm等4个关键筛孔的通过率[2]，同时参考SBS I-C改性沥青AC-16沥青路面在内蒙古地区的应用情况，最终确定出3种AC-16沥青混合料的试验级配来进行抗紫外光老化性能、高低温性能验证。SBS I-C改性沥青AC-16沥青混合料各试验级配及最佳油石比见表6。

表6 各试验级配一览表

6.2 定量紫外光辐射老化

将上述级配按照试验规程分别制作两组标准车辙板试验试件与马歇尔试验试件，一组进行室内紫外光老化试验，另外一组作为对照组不进行紫外光老化试验[6]。老化试验结束后，分别对老化前后的试验试件进行动稳定度和低温劈裂强度的测定。

6.3 定量紫外光辐射后各试验级配的高低温性能

将紫光老化前后试验试件的动稳定度与低温劈裂强度结果汇总见表7、表8。

表7 AC-16试验级配车辙试验结果

表8 AC-16试验级配低温劈裂试验结果

分析表7、表8可知：

①3种试验级配在紫外光老化前后动稳定度大小排序均为N3>N2>N1。其中试验级配N1的降幅最大，为22.97%；试验级配N2降幅最小，为18.41%；表明抵抗紫外光老化能力N2>N3>N1。

②经紫外光辐射老化后3种试验级配动稳定度均下降了18%以上，表明紫外光对沥青混合料的老化作用比较明显。其主要原因是沥青经紫外光长时间辐射之后会导致沥青组分的化学键发生断裂重组，进而发生一系列的化学反应，促使沥青变干变脆，与集料之间的粘附性和包裹性降低，在荷载的不断作用下车辙板产生松动变形，进而导致动稳定度DS下降。

③3种试验级配在老化前后低温劈裂强度大小排序均为N1>N2>N3。其中试验级配N3的降幅最大，为15.38%；试验级配N1降幅最小，为14.86%；表明抵抗紫外光老化能力N1>N2>N3。

④各试验级配经紫外光老化之后低温劈裂强度的降幅均在10%以上，其中最大降幅为15.38%，但与动稳定度相比其降幅要小。分析认为是沥青经紫外光长时间辐射之后会使沥青组分的化学键发生断裂重组，从而使沥青的针入度和延度发生不同程度的减小。沥青的针入度越小，说明沥青的耐高温性能越好，耐低温性能越差，即沥青混合料在低温环境下的抗裂性能越差。同时，随着紫外光老化时间的不断增加，沥青组分中的芳香分与胶质含量会逐渐减少，从而导致沥青的延度降低。沥青延度的降低使得沥青塑性减弱，降低了其抗低温开裂性能。

⑤经紫外光老化之后，各试验级配的动稳定度减小幅度均大于低温劈裂强度，表明SBS I-C改性沥青AC-16混合料的高温性能对紫外光辐射更加敏感。

⑥通过对SBS I-C改性沥青AC-16混合料正交试验的极差分析，以及结合3种试验级配的路用性能、抗紫外光老化性能的验证结果，优化总结后提出了适合强紫外光地区的SBS I-C改性沥青AC-16混合料级配范围，见表9。