紫外老化对复合改性沥青混合料路用性能影响

2024-01-05刘国锋郝培文黄凌张瑞李文辉屈鑫乐宸

科学技术与工程 2023年34期

刘国锋, 郝培文, 黄凌, 张瑞, 李文辉, 屈鑫, 乐宸

(1.云南宁永高速公路有限公司, 丽江 674200; 2.长安大学公路学院, 西安 710064)

沥青路面由于其良好的路用性能在中国公路建设得到广泛运用,但其在服役期间受到紫外环境因素的影响容易发生老化,从而导致路用性能衰减,加之在车辆荷载叠加作用下,沥青路面会出现各种早期病害。

聂帅等[1]研究不同紫外老化时间和老化温度对高紫外辐照下的沥青紫外老化的影响和沥青紫外老化机理,表明温度比老化时间对老化程度影响更大,促进老化作用更为明显。徐利鑫等[2]探究不同岩沥青掺量下改性沥青的掺配性能及老化机理,得出掺加4%～8%岩沥青改性沥青老化前后技术性能较好,是一种优质的岩沥青改性沥青。庞拓等[3]研究了老化对高黏改性沥青的影响,结果表明高黏改性沥青老化过程中,短期老化对其性能影响较小,长期老化则反之。王岚等[4]采用半圆弯曲试验计算得到的断裂能以及平衡抗裂指数对比分析和评价紫外老化前后温拌和热拌沥青混合料的裂纹扩展行为。结果表明:随着紫外老化时长的增加, 温拌沥青混合料具有更加优异的抗老化、抗裂纹扩展性能。辛晓亮等[5]通过车辙试验、贯入剪切试验来研究SMA-13沥青混合料在不同紫外光辐射强度、紫外光老化循环次数和温度变化下高温性能,研究发现沥青混合料的高温性能与紫外光辐射强度、温度呈反比,紫外光辐射越大、温度越高,沥青混合料的高温性能越差。

赵静[6]从提升紫外老化后沥青混合料抵抗低温开裂性能出发,提出了针对强紫外光地区较为优良的配合比设计方法。Mouillet等[7]通过对SBS改性沥青混合料进行紫外光老化和热老化试验研究发现,相对于热老化紫外老化裂解SBS改性剂更快,且两种老化模式对混合料中的沥青老化影响机理不同。庹峻玮[8]研究了昆明地区沥青路面光老化后的使用性能,得到受紫外老化影响的沥青会降低感温性,沥青及混合料的高温稳定性会有所改善;但混合料在低温条件下更容易出现开裂破坏。Wu等[9]采用半圆弯拉试验对紫外老化前后沥青混合料低温性能和疲劳性能进行测试,研究发现紫外线辐射严重影响了其低温性能以及疲劳性能,且随着紫外老化时长的增加沥青老化越显著。

目前针对沥青结合料以及混合料抗紫外线性能的研究主要针对单一性能以及老化机理研究居多,缺少对于掺加不同类型抗紫外剂后沥青混合料的综合性能研究。

对于如何提高沥青及沥青混合料的抗紫外老化性能之前开展了较多探索,提出很多有效的措施来改善沥青的抗紫外老化性能。常用的方法包括将具有屏蔽紫外光或者吸收功能的改性剂、外掺剂加入沥青或沥青混合料中提升沥青及混合料的抗老化效果[10-17]。但大多数抗紫外老化改性沥青都是单掺抗紫外老化剂,通过掺加复配不同抗紫外老化改性剂来提高沥青混合料抗老化性能研究较少。因此现采用复合抗老化技术措施来研究不同组合方案下沥青混合料的路用性能,同时与常用的SBS改性沥青混合料做对比,其结果对于预防沥青路面抗紫外老化具有重要的工程价值和现实意义。

1 原材料及配合比设计

1.1 沥青

沥青选择SBS(I-D)改性沥青,根据规范(JTG E20-2011)测试各项指标,其技术指标如表1所示。

1.2 抗紫外老化剂

参考文献[18]制备复合抗老化剂包括层状双金属氢氧化物(LDHs),紫外线吸收剂(UV-327)和受阻胺类光稳定剂(UV-4050)组合(代号L64),以及层状双金属氢氧化物(LDHs)和受阻胺类光稳定剂(UV-4050)(代号L4)。

1.3 集料

粗集料和细集料分别取自云南五郎河石场和尔古石场。上面层用粗集料采用玄武岩,上面层用细集料采用由石灰石破碎的机制砂。集料包括0～3 mm、3～5 mm、5～10 mm、10～15 mm。集料技术指标及筛分试验结果如表2～表4所示。

表2 粗集料技术性质Table 2 Technical properties of coarse aggregates

表3 细集料技术性质Table 3 Technical properties of fine aggregate

表4 集料及矿粉筛分结果Table 4 Aggregates and filler screening results

根据《公路沥青路面施工技术规范》中推荐的SMA～13矿料级配范围,调整各档集料及矿粉的比例,使矿料的合成级配位于规范推荐级配范围中值附近,得到集料10～15 mm、5～10 mm、3～5 mm、0～3 mm及矿粉的配合比为44%∶32%∶3%∶12%∶9%。图1为SMA-13的合成级配曲线图。

图1 SMA-13合成级配曲线图Fig.1 Composite grading curve of SMA-13

1.4 配合比设计

配合比设计结合实际施工情况,选用SMA-13沥青混合料,通过规范马歇尔试验确定沥青的最佳油石比,木质纤维掺量为沥青混合料总质量的0.4%。按比例称取矿料级配,分别采用5.5%、5.8%、6.1% 3个油石比制作马歇尔试件,进行马歇尔稳定度试验,试验结果如表5所示。最佳油石比为5.8%,且骨架间隙率(void in mineral aggregate,VMA)、粗集料骨架间隙率(void in coarse aggregate,VCA)、稳定度、饱和度等均满足设计要求。

表5 SMA-13沥青混合料马歇尔试验结果Table 5 Marshall test results of SMA-13 asphalt mixture

考虑到抗紫外老化剂的掺量较少,且为了保证不同油石比对沥青混合料性能试验的影响,SBS改性沥青、L64改性沥青和L4改性沥青均采用5.8%的油石比作为混合料路用性能验证油石比。

2 沥青混合料紫外老化试验结果及分析

2.1 高温性能

将SBS沥青混合料和不同复合方案沥青混合料试样在周围用白纸包住进行遮光处理,并同时放入紫外老化箱,高度均控制在与紫外灯之间的间距为8 cm进行144 h的紫外老化(图2),模拟室外老化8个月进行60 ℃车辙试验,以动稳定度作为评价指标,对不同方案的沥青混合料紫外老化前后的高温抗车辙性能进行研究。沥青混合料在紫外老化之后一般会发生硬化,在分析高温稳定性时还采用动稳定度增长指数ID和总变形比IR两个指标来表征紫外老化对混合料的抗轮辙性能的影响。其计算公式为

图2 试件紫外老化过程Fig.2 Ultraviolet aging process of the specimen

(1)

(2)

式中:DSUV8Y为模拟紫外老化8 M动稳定度,次/mm;DSUVoY为未紫外老化动稳定度,次/mm;RDUV8Y为模拟紫外老化8M试验总变形量, mm;RDUVoY为未紫外老化试验总变形量,mm。

3种沥青混合料紫外老化前后轮辙试验结果如图3和图4所示。

图3 不同混合料动稳定度及动稳定度增长指数Fig.3 Dynamic stability and growth index of dynamic stability of different mixtures

图4 不同混合料总变形量及总变形比Fig.4 Total deformation and total deformation ratio of different mixtures

通过图3和图4的数据可以看出,3种沥青混合料在紫外老化后动稳定度有所增加,总变形量减小,说明紫外老化后混合料高温性能变好。抗紫外老化剂的加入可以提高未紫外老化时混合料的动稳定度,改善其高温性能。动稳定增长指数ID代表混合料紫外老化后混合料动稳定度变化程度,SBS改性沥青增长指数要大于其他两种复合改性沥青混合料,说明紫外老化对SBS改性沥青混合料的影响要大于复合改性沥青混合料,复合改性沥青在紫外老化过程中对减少紫外光的影响有一定的作用。

总变形量比值IR反映了紫外老化前后混合料总变形的增长量,从图4中可以看出L64的动稳定度增长指数ID和总变形量比值IR均最小,但L4动稳定度值要大于L64沥青混合料,说明L4复合改性沥青在混合料未紫外老化时对混合料高温稳定性的改善作用要大于L64复合改性沥青,但是抗紫外老化效果相对较差。

2.2 低温性能

近年来,有不少国外学者提出基于马歇尔试件或路面芯样的半圆弯曲试验材料试验机(materials test system, MTS)方法。2011年美国伊利诺伊州交通局提出了基于半圆试件的负载线位移 (load-Load Line Displacement, LLD)控制模式[19],利用竖向位移对时间进行加载试验,能够简化实验步骤,降低试验难度,从而得到广泛运用。国内也有不少学者针对SCB试验试件尺寸,加载速率等试验条件进行研究[20-23]。本文研究以断裂能(Gf)和断裂韧性(KIC)为评判依据,通过半圆弯拉试验来研究紫外老化对沥青混合料低温性能的影响。

通过击实成型方法制备直径100 mm、高63.5 mm(±1.3 mm)的试件,制作完成后于室温下放置48 h脱模,从试件高度中点位置切割厚度为25 mm(±2 mm)的圆柱体试件,后沿直径方向将其对称切割[24]。在每一半圆柱体直径的中点位置向半圆测侧切一条深度为10(±1.5)mm、宽1.5(±0.5)mm的缝。试件如图5所示。

图5 SCB试件尺寸Fig.5 Size of SCB specimen

不同混合料随机选取试件进行遮光处理之后放入紫外老化箱老化144 h,与紫外灯间距控制在8 cm。待紫外老化完成后将试件与未老化的试件一同放入-10 ℃的环境箱中保温不少于6 h,保温完成后将试件采用半圆弯曲试验(semi-circular bending,SCB)以50 mm/min的速率进行加载,保证裂缝稳定扩展直到试件发生破坏,获取荷载-挠度曲线图。SCB加载曲线如图6所示。

图6 SCB加载曲线Fig.6 SCB loading curve

通过不同时间下的荷载和对应位移量可以计算得到断裂能,该指标可以评价试件在低温条件下的抗裂性。公式为

(3)

式(3)中:Wf为断裂功。

(4)

式(4)中:P为施加荷载,kN;u为平均负载线位移,mm;Alig为韧带区域。

Alig=(r-a)t

(5)

式(5)中:r为试样半径,mm;a为切口长度,mm;t为试样厚度,mm。

图7为老化前后混合料低温断裂能数据及断裂能衰减率变化。3种沥青在紫外老化之后断裂能均有所下降,说明紫外老化对沥青混合料的低温性能有一定的影响。L64和L4分别比SBS改性沥青未老化之前的断裂能分别提升了8.16%和5.86%,表明LDHs和UV-4050以及UV-327复配对SBS改性沥青混合料的低温性能有一定的改善作用,且比LDHs和UV-4050复配的改善效果要更优。不同方案的沥青混合料放入紫外老化箱一定时间后,测试得到SBS改性沥青混合料断裂能下降16.25%,L64和L4混合料断裂能分别下降了10.70%和11.62%,相较于SBS改性沥青L64和L4沥青具有更好的抗紫外老化效果。相较于两种改性剂复配得到的混合料,3种改性剂复配的沥青混合料在UV-8M后低温性能效果更优。

图7 不同混合料SCB断裂能及断裂能衰减速率Fig.7 SCB fracture energy and fracture energyattenuation rate of different mixtures

断裂韧性从另一个方面也可以评价沥青混合料的低温性能。其中断裂韧性表示沥青混合料在断裂过程中吸收能量的能力大小。韧性越大,沥青混合料阻止裂缝逐步变大的能力就越强。断裂韧性的计算公式为

(6)

式(6)中:σ0为峰值荷载对应的应力。

(7)

式(7)中:YL(0.8)为标准化的应力强度因子。

(8)

老化前后混合料断裂韧性数据及断裂韧性衰减率变化如图8所示。

从图8中可以看出,3种沥青在紫外老化之后断裂韧性都有所下降,说明随着紫外老化过程的进行,沥青混合料在加载过程中裂缝能够较快发展,沥青混合料阻止裂缝逐步变大的能力逐渐减弱,低温性能也随之减弱。两种复合改性沥青未老化前断裂韧性都要大于SBS改性沥青,其中L4的抗裂缝扩展性能要好于L64改性沥青。紫外老化后SBS改性沥青混合料的断裂韧性衰减率达到了10.28%。两种复合改性沥青的断裂韧性衰减率分别为5.41%和8.36%,说明两种复合改性沥青都能提升紫外老化后的沥青混合料低温性能,且L64改性沥青在紫外老化对混合料断裂韧性衰减变化中改善效果要优于L4改性沥青。

综合考虑断裂能和断裂韧性这两个指标,断裂能考虑了加载荷载和位移两个因素,断裂韧性类似于强度指标,考虑了试件尺寸和加载荷载的影响,没有考虑在加载过程中SCB试件位移发生变化所造成的影响。因此相较于断裂韧性指标,断裂能指标能更好地评价沥青混合料低温性能的评价。

2.3 水稳定性性能

采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价紫外老化对混合料水稳定性的影响。通过对3种沥青混合料试件紫外老化前后的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来分析紫外光对沥青混合料水稳定性的影响,并且对比3种沥青混合料紫外老化前后性能衰减率从而评价复合改性沥青抗紫外老化的效果。冻融劈裂试验是评价沥青混合料水稳定性的一个重要试验,根据规范进行冻融劈裂试验,数据如表6所示。

表6 冻融劈裂试验结果Table 6 Results of freeze-thaw splitting test

通过试验发现无论是SBS改性沥青混合料还是复合改性沥青混合料在经过紫外老化后其劈裂强度比值都呈现下降趋势,但是下降幅度较小,说明紫外老化对沥青的水稳定性影响不大。未老化前3种混合料TSR值相差不大,经过紫外老化后SBS改性沥青混合料试件TSR下降幅度要略大于L4以及L64改性沥青混合料试件。L4和L6改性沥青混合料劈裂冻融比值在紫外老化前后数值无较大衰减,L4以及L64复合改性沥青对混合料水稳定性改善作用较小,对老化后的沥青混合料水稳定性有一定的提升。

根据规范进行浸水马歇尔试验,并计算沥青混合料试件的浸水残留稳定度。试验数据如表7所示。

表7 浸水马歇尔试验结果Table 7 Results of immersion Marshall test

浸水马歇尔试验结果与冻融劈裂结果相似,未紫外老化前两种掺加抗紫外老化剂的沥青混合料残留稳定度要略高于SBS改性沥青混合料。经过紫外老化后,SBS改性沥青混合料残留稳定度下降幅度要大于两种复合改性沥青。L4和L64复合改性沥青紫外老化后的残留稳定度相近,其中L64复合改性沥青混合料残留稳定度下降幅度最小,L64复合改性沥青对混合料的水稳定性具有一定的改善作用。

通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验发现无论是原样SBS改性沥青混合料还是复合改性沥青混合料,在紫外光的影响下水稳定性能都会发生衰减,但是其影响程度较小。L4和L6改性沥青混合料在紫外老化后要比SBS改性沥青混合料衰减幅度小,说明LDHs与紫外线吸收剂以及受阻胺类光稳定剂复配可以改善紫外老化后混合料的水稳定性。

2.4 抗裂及疲劳性能

采用意大利MATEST公司生产的Overlay Tester(以下简称“OT”)试验机,如图9所示。试件成型后利用环氧树脂胶将试件粘于托盘上,并待环氧树脂胶完全固化后将托盘连同试件固定于试验仪器上。

图9 OT设备Fig.9 Equipment figure of OT

试验过程中采用位移控制模式,试验加载频率0.1 Hz,两底板间的间距2 mm,最大移动距离为0.625 mm,加载周期为10 s,试验温度25 ℃。位移波形如图10所示。试验终止条件为荷载损失达到93%,或者试验周期达到1 200次。试验采用临界断裂能和裂缝扩展率作为沥青混合料的抗疲劳性能及抗开裂性能的指标。

图10 OT试验加载波形Fig.10 OT test loading waveform

OT试件采用旋转压实方法成型φ150 mm×50 mm的圆柱体试件,然后切割成150 mm×75 mm×38 mm类长方体(图11)的OT试验标准试件[24]。

图11 试件破坏示意图 Fig.11 Schematic diagram of specimen failure

试件成型后放置于室内自然晾干,然后对OT试件进行遮光处理之后放入紫外老化箱老化144 h,与紫外灯间距控制在8 cm。待老化完成后将老化前后的OT试件利用环氧树脂胶将试件粘于托盘上,并使用压块进行预压不低于12 h。试件在试验开始前应进行保温,保温时间不低于4 h。

图11为本实验过程中一组试样的破坏形式。结合该组试件的破坏形式,对OT实验过程中试样的裂缝扩展进行简单介绍。OT实验中试样的裂缝扩展情况可分成三初始裂缝形成阶段、裂缝稳定扩展阶段和失效破坏阶段3个阶段。在试验开始第一个荷载周期内拉力和位移呈线性关系。当位移达到最大时,此时拉力也获得最大值Pmax。在第二个阶段荷载会随周期的增加而等值下降,裂缝在试件内部稳定发育。在最后几个周期,临近周期的拉力差值ΔP增大,加速了破坏过程,最后试件达到破坏标准,彻底断裂失效,试验停止。若试件在加载过程中未达到破坏荷载损失率,则加载次数达到1 200次停止试验。

通过图12可以计算第一周期内的断裂功,通过式(9)计算得到第一周期临界断裂能Gf。将临界断裂能作为评价沥青混合料防止裂缝形成的能力,沥青混合料的临界断裂能越高,其防止裂缝形成的能力越强。

图12 第一周期断裂功Fig.12 First cycle fracture work

(9)

式(9)中:Gf为临界断裂能,J/m2;w为断裂功,J;t为试件厚度,m;b为试件宽度,m。

为了评价SBS改性沥青以及复合改性沥青紫外老化前后的抗疲劳性能,采用试件在OT试验中裂缝发育阶段的裂缝扩展系数b作为评价指标。裂缝扩展系数b通过对沥青周期内峰值荷载的变化曲线进行幂函数拟合得到,如图13所示。3种复合改性沥青紫外老化前后临界断裂能和裂缝扩展率数据如表8所示。

图13 不同混合料紫外老化前后荷载随周期变化Fig.13 Cyclic loading of different mixtures before and after ultraviolet aging

表8 不同混合料紫外老化前后OT试验结果Table 8 OT test results of different mixtures before and after ultraviolet aging

以未老化的SBS改性沥青的临界断裂能和裂缝扩展系数作为基准,分析复合改性沥青紫外老化前后的抗裂性以及疲劳性能。从图14和图15中可以看出3种沥青混合料在紫外老化之后裂缝扩展系数变小,临界断裂能变大,说明紫外老化之后混合料的抗裂性能变好,疲劳性能变差。抗紫外老化剂的加入可以提高混合料未老化前的疲劳性能,且抗裂性能也要好于未掺加抗紫外老化剂的改性沥青。SBS改性沥青混合料在紫外老化后临界断裂能变化要大于其他两种复合改性沥青,裂缝扩展变化率也要略大于L64和L4混合料,说明复合改性沥青改善了紫外老化对混合料疲劳以抗裂性能的影响。