不同紫外分區下的瀝青路面全壽命模擬方法研究*

陳偉盛 吳少鵬 胡錦軒 謝文華 劉全濤

(1.廣東省南粵交通揭惠高高速公路管理中心 揭陽 515325；2.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070； 3.武漢友楓模塑有限責任公司 武漢 430200)

瀝青路面材料因其良好的使用性能在工程中得到了廣泛的應用。但在實際使用中，瀝青因老化而引起的性能衰退，導致必須進行早期預防性養護，同時在設計使用年限內出現車轍、坑槽等病害，極大地增加養護成本，引發瀝青老化的問題也引起了普遍關注[1]。

瀝青在光、熱、氧、水分等因素的綜合作用下，會發生氧化老化及輕質組分揮發，并由于受到荷載與高溫的反復作用而產生塑性變形，進而逐漸聚集形成疲勞開裂[2]。為模擬瀝青的老化，我國公路科學研究所研制了可模擬日曬、雨淋等自然環境的老化箱，山西交通科學研究所研制了可模擬氣候條件的加速老化試驗儀，但因設備使用條件復雜，很少用于試驗。日本開展了模擬氣候條件下的瀝青加速老化試驗，其主要采用碳弧燈、氙燈等各種光源進行瀝青紫外老化試驗，但室內試驗結果與實際路面老化相關性低[3]。而多功能路面材料全壽命分析儀的成功應用，改變了傳統的基于高溫、高壓或其他單一老化條件的模擬方式，能夠綜合模擬瀝青路面服役環境中的光、熱、氧、荷載及雨水等多因素環境條件，使室內加速試驗最大限度地模擬實際環境下的瀝青路面服役環境，可更好地研究瀝青在光、熱、氧、周期性應力、水等因素綜合作用下的老化行為。

我國地域遼闊，南北緯度跨度大，環境氣候復雜。根據中國氣象局風能太陽能資源中心發布的中國太陽能年輻照5大分區，紫外線年輻射總量[4-5]為：一區334～420 MJ/m2，二區293～334 MJ/m2，三區250～293 MJ/m2，四區210～250 MJ/m2，五區167～210 MJ/m2。另有研究表明，第四分區與第五分區對瀝青的老化效果類似，因此，第五分區與第四分區合并為第四分區。若根據單一的模擬技術參數，很難準確模擬各地的真實服役環境。

本文按照不同的太陽能輻照分區，搜集每個分區各自的自然環境因素參數，提出針對模擬不同分區的瀝青路面材料的技術參數范圍。

1 原材料及實驗方法

1.1 原材料

模擬每個分區時，采用瀝青混合料結構為全厚度式車轍試件，試件為3面層結構，尺寸長1 m、寬0.5 m，上、中、下 3面層高度分別為4，6，8 cm。上面層集料采用玄武巖，級配為AC-13，中、下面層集料采用石灰巖，級配分別為AC-20及AC-25。模擬第一分區時，上面層采用SBS改性瀝青(I-C)，中、下面層采用90號瀝青；模擬第二分區時，上、中、下面層均采用90號瀝青；模擬第三分區時，上面層采用SBS改性瀝青(I-D)，中、下面層采用90號瀝青，模擬第四分區時，上面層采用SBS改性瀝青(I-D)，中、下面層采用70號或50號瀝青。

1.2 試件成型方法

瀝青混合料參照JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中輪碾法T0703-2011進行成型，具體步驟如下。

1) 稱量和加熱。按比例稱取瀝青混合料所用的各檔集料，將集料放入確定溫度的烘箱中加熱，加熱時間為6 h，將瀝青放入確定溫度的烘箱中加熱，加熱時間為3 h。

2) 拌和。將瀝青混合料拌和機調到試驗設定溫度預熱1 h，從烘箱中取出集料倒入拌和機中，干拌30 s，邊拌和邊倒入一定量的瀝青，攪拌90 s，最后邊攪拌邊倒入一定量的礦粉，拌和90 s。

3) 壓實。拌和結束后立即倒入車轍板試模中，使用輪碾成型機按照規定的輪碾次數壓實混合料。

將成型的下面層放置在室內，自然冷卻24 h，然后重復以上步驟進行中面層和上面層的成型。

1.3 試驗方法

將試件放入多功能路面材料全壽命分析儀中，在設定溫度值下保溫24 h，設定其他技術參數并加載。

2 試驗結果與討論

2.1 溫度參數

溫度參數采用美國SHRP中提出的車轍試驗的等效溫度計算方法，即在該溫度下，實際路面荷載在不同溫度下造成的作用等效于在該溫度下作用的效果。車轍等效溫度計算方法為[6]

Teff(PD)=30.8-0.12Zcr+0.92MAAT設計

(1)

式中：Teff(PD)為車轍等效溫度，℃；Zcr為瀝青層的深度，mm；MAAT設計=MAAT平均+Kα·σMAAT，其中MAAT平均為根據歷史資料統計的年平均氣溫的平均值，℃，σMAAT為年平均氣溫的標準差，℃，Kα為保證率系數，見表1。

表1 保證率系數

年平均氣溫均值及年平均氣溫的標準差根據各省地級市2014年各月份溫度計算，取路面下2 cm處溫度為瀝青面層的代表溫度。由統計局網站查得，一區年均溫度為3.5～8.9 ℃，二區為6～14.6 ℃，三區為3～22.3 ℃，四區為13.5～23.6 ℃；計算得到一區車轍等效溫度范圍為32.4～37.4 ℃，二區車轍等效溫度范圍為30～48.9 ℃，三區車轍等效溫度范圍為27.5～49.8 ℃，四區車轍等效溫度范圍為43.1～52.3 ℃。

2.2 荷載參數

除溫度影響，荷載也是造成路面材料破壞的重要因素。路面變形量與交通量荷載的累積有直接關系。一般情況下，統計所得交通量分散在公路上的所有車道。本文采用等效標準軸載次數的計算方法，根據交通科學數據共享網所提供交通量數據，換算為采用0.7 MPa為輪碾壓力時，模擬1年交通量作用所需的碾壓時間。由采集的交通量數據換算到實際路面車轍有效交通量的計算方法為[7]

Ne=Nt·η·?·ζ

(2)

式中：Ne車轍有效作用交通量，次；Nt為采集到的年日均交通量數據，次；η為車道系數，取值范圍由公路瀝青路面設計規范[8]查得，見表2；?為輪跡橫向分布系數，見表3；ζ為車轍有效時間分布系數，見式(3)。

表2 車道系數

表3 輪跡橫向分布系數

車轍有效時間分布系數計算方法為

ζ=n1/12

(3)

式中：n1為1年中溫度大于20 ℃的月份。

根據交通量數據顯示，2011年一區中高速公路年日均交通量最高為15 330次，二區中高速公路年日均交通量最高為50 000次，三區及四區中高速公路年日均交通量在50 000次以下占比為99%。本文根據最高交通量計算，模擬時采用車轍次數42次/min，則模擬1年交通量所需荷載作用時間一區為6 h，二區為61 h，三區為109 h，四區為84 h。荷載強度根據比利時接地面積與軸重經驗關系式計算得到，計算方法見式(4)。

A=0.008P+152±70

(4)

式中：A為接地面積，cm2；P為輪胎荷載，N：±70為保證率達到90%的離差范圍。根據交通科學數據共享平臺提供的我國56種常用汽車型號計算后得知，當汽車從滿載至超載5倍時，計算所得的前輪輪壓及后輪輪壓最低為0.5 MPa，最高為1.1 MPa，因此，荷載強度參數范圍為0.5～1.1 MPa。

2.3 濕度參數

路面材料的破壞除與溫度、荷載有關，與濕度及降雨也有一定關系，動水應力的存在加劇了路面材料的破壞。本文的模擬方法中，以模擬地區的年降雨總量為噴淋總量，模擬降雨的噴淋速率Tr的計算方法為

Tr=H/t

(5)

式中：H為模擬地區的年降雨總量，mm；t為模擬1年交通量所需的荷載作用時間,h。

由《2014年中國統計年鑒》可知，我國各地區年平均相對濕度在43%～82%，模擬時，濕度選用所模擬地區的年平均相對濕度。我國年降雨總量分布為：一區123.8～565.2 mm，二區35～970 mm，三區202～2 260 mm，四區500～2 719 mm。因此，噴淋速率的參數范圍為：一區21～94 mm/h，二區0.57～15.9 mm/h，三區1.85～20.7 mm/h，四區6～32 mm/h。

2.4 氧氣濃度參數

瀝青材料在使用時，會與氧氣發生反應而老化，因此模擬方法中將氧氣濃度同樣作為一個影響因素。在標準大氣壓下，空氣中氧氣濃度為21%，且一年四季基本保持平衡。有研究表明，氧氣體積分數與大氣壓及氧分壓有一定關系，而大氣壓與海拔高度具有直接相關性，因此，當得知某地區的海拔高度時，其氧氣體積分數也可知，模擬時氧氣體積分數采用所模擬地區的氧氣體積分數，計算方法為

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

(6)

式中：X為海拔高度，m；Y為氧氣體積分數，%。

根據統計數據顯示，一區中較低區域如海西，海拔高度為2 994 m，而較高區域如玉樹，海拔高度為3 681 m。因此，一區氧氣體積分數參數范圍為14.4%～15.5%；二區海拔高度為178.5～4 507 m，氧氣體積分數參數范圍為13.7%～20.6%；三區海拔高度為2～1 381 m，氧氣體積分數參數范圍為18.1%～20.3%；四區海拔高度為2.8～1 797 m，氧氣體積分數參數范圍為18.1%～21.1%。

2.5 紫外光參數

紫外分區的平均輻照強度計算方法為

Ea1=1 000W/(3.6×365×12)

(7)

式中：Ea1為模擬時采用的紫外輻照強度，W/m2；W為模擬地區的年紫外輻照總量，MJ/m2。

為使模擬時間內的紫外輻照總量達到所模擬地區的年紫外輻照總量，先按照僅以10倍紫外輻照強度進行紫外老化模擬實驗；達到相應時間后，再按照平均紫外輻照強度與其他技術參數一起以全壽命模擬的方式加載，模擬步驟示意見圖1。

圖1 紫外老化模擬步驟

紫外輻照模擬總時間計算方法為

t總=t+t′

(8)

式中：t總為紫外輻照模擬總時間，h；t為模擬1年交通量所需荷載作用時間，h；t′為以平均紫外輻照強度的10倍來單獨模擬時所需時間，h。

t′=(1 000W-3.6×t×Ea1)/(3.6×10Ea1)

紫外輻照參數范圍計算后見表4。

表4 紫外光參數范圍

3 結論

1) 對于第一紫外分區，模擬技術參數為：模擬時間6 h，溫度范圍32.4～37.4 ℃，荷載強度為0.5～1.1 MPa，噴淋速率為21～94 mm/h，氧氣體積分數為14.4%～15.5%，紫外輻照強度在單獨紫外老化時強度為210～270 W/m2，全壽命模擬時強度為21～27 W/m2。

2) 對于第二紫外分區，模擬技術參數為：模擬實際61 h，溫度為30～48.9 ℃，荷載強度為0.5～1.1 MPa，噴淋速率為0.57～15.9 mm/h，氧氣體積分數為13.7%～20.6%，紫外輻照強度在單獨紫外老化時強度為186～210 W/m2，全壽命模擬時強度為18.6～21 W/m2。

3) 對于第三紫外分區，模擬技術參數為：模擬實際109 h，溫度范圍為27.5～49.8 ℃，荷載強度為0.5～1.1 MPa，噴淋速率為1.85～20.7 mm/h，氧氣體積分數為18.1%～20.3%，紫外輻照強度在單獨紫外老化時強度為158～186 W/m2，全壽命模擬時強度為15.8～18.6 W/m2。

4) 對于第四紫外分區，模擬技術參數為：模擬實際84 h，溫度為43.1～52.3 ℃，荷載強度為0.5～1.1 MPa，噴淋速率為6～32mm/h，氧氣體積分數為18.1%～21.1%，紫外輻照強度在單獨紫外老化時強度為105～158 W/m2，全壽命模擬時強度為10.5～15.8 W/m2。

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