瀝青路面材料服役壽命全氣候模擬技術研究*

羅 欽 吳少鵬 胡錦軒 謝文華 劉全濤

(1.廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心 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)

公路設施是我國現代交通網絡的重要組成部分，對國民經濟發展有巨大的促進作用[1]。公路在建設過程中，每年消耗大量的瀝青材料。然而，瀝青路面材料在使用中，由于受到光、熱、氧等因素的作用，導致其使用壽命大大降低，在設計年限內就出現了開裂、車轍、坑槽等問題[2-3]，以及一直被忽視的外部環境及日益增長的交通載荷，對瀝青路面的耐久性和使用壽命造成了重大影響[4]。

瀝青路面服役性能的衰退是受外部諸多因素長期綜合影響所致，但是目前對于路面的耐久性的研究手段，主要依靠室內材料試驗進行，對實際服役過程中所受到各種因素的綜合影響考慮不周[5]。雖然近年來國內外對瀝青混合料室內模擬研究加大了投入，但由于條件限制，無法對實際自然環境和交通載荷條件下的瀝青路面長期服役行為進行系統的研究[6]。

在瀝青老化模擬設備方面，老化條件單一，與實際路面自然老化存在較大差異，無法真實模擬實際路面的老化情況[7]；在研究荷載對瀝青路面使用壽命影響的設備方面，主要采用路面加速加載的大型儀器設備來模擬路面在服役時所受到的載荷，雖然可以改變移動荷載的大小以及速度，但是對于路面在服役過程中受到的其他如光、氧、熱等因素未充分考慮[8]。因此多功能路面材料全壽命分析儀的研制及時地解決了上述問題。

本文按照不同紫外分區下的全壽命模擬方法，選取典型路段利用多功能路面材料全壽命分析儀模擬不同紫外分區的瀝青路面材料的服役條件，通過室內模擬與實際路面的瀝青路面的壽命對比，研究模擬方法與儀器的可靠性。

1 原材料及實驗方法

1.1 實際路面簡介

選取的典型代表路面如表1所示。

表1 典型路面參數表

1.2 模擬參數

查找各路段溫度、降雨量等數據，參數不全的路段以該地區所在省份的年均值為準。根據不同紫外分區下的全壽命模擬方法，換算得到最終的模擬參數，見表2。

表2 各路段模擬參數

1.3 試件及成型方法

試件為全厚式車轍試件，參照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T0703-2011輪碾成型法進行成型，首先成型下面層，待上面層在室內放置24 h自然冷卻后，按照相同方法分別成型中面層及上面層。

試件具有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。集料選用石灰巖及玄武巖，瀝青為70號瀝青、90號瀝青、SBS改性瀝青(I-C)、SBS改性瀝青(I-D)。上面層集料統一使用玄武巖(AC-13)，中、下面層集料統一采用石灰巖，中面層級配為AC-20，下面層級配為AC-25。模擬第一分區路段時，上面層瀝青為SBS改性瀝青(I-C)，中、下面層統一選用90號瀝青；模擬第二分區路段時，上、中、下面層統一選用90號瀝青；模擬第三分區路段時，上面層所用瀝青為SBS改性瀝青(I-D)，中、下面層選用90號瀝青，模擬第四分區路段時，上面層采用SBS改性瀝青(I-D)，中、下面層選用70號瀝青。

1.4 試驗方法

全厚式車轍試件成型后冷卻24 h以上，然后方可放入多功能路面材料全壽命分析儀中。在模擬時所用溫度值下保溫24 h，再設定其他技術參數進行加載。模擬結束后，對試件進行鉆芯取樣處理。然后切取表面層1 cm進行抽提，測試瀝青基團變化。用同樣的方法處理路面芯樣，測試其性能。瀝青基團變化可用來表征瀝青老化的程度，已知的有羰基化合物C=O的特征峰為1 700 cm-1，羰基因子與老化指數有一定關系[9]，羰基因子(IC=O)計算方法如式(1)[10-11]：

IC=O=

(1)

2 試驗結果與討論

2.1 基團對比分析

實際路面及室內模擬芯樣中所含瀝青羰基因子如圖1所示。瀝青羰基因子變化與服役年限及模擬時間直接相關，模擬時間或服役時間越長，則羰基因子相對越高。

圖1 室內模擬與實際路面羰基因子對比

從圖1可知，室內模擬羰基因子均比實際路面羰基因子略低，說明室內模擬時瀝青的老化程度略淺，這可能是由路面環境更惡劣多變所致。模擬年限較少時，差值越小，模擬年限增加時，誤差越大。但是總體而言，對路面芯樣的老化程度均有較好相關性。室內模擬服役時間最長的白蘭高速時，絕對誤差為Ea1=IC=O路面-IC=O模擬=0.328 1-0.306 6=0.021 5；相對誤差為Er1=(Ea1/IC=O路面)×100%=6.6%，可靠性較好。

2.2 車轍深度(RD)對比分析

實際路面及室內模擬的車轍深度如圖2所示。

圖2 室內模擬與實際路面車轍深度對比

與羰基因子不同，模擬車轍深度與實際路面相比有高有低。在模擬較短服役年限的路面時，室內模擬后的車轍深度較高。而模擬較長服役年限路段時，實際路面的車轍深度較深。這可能是由于實際路面在較長時間的服役過程中，受到嚴重超載等偶然性因素所致，但整體相關性良好。模擬嘉安高速時誤差最大絕對誤差為Ea2=RD路面-RD模擬=4.1-4.8=-0.7；相對誤差為Er2=|(Ea2/IC=O路面)|×100%=17%，可靠性良好。

3 結論

1) 從羰基因子對比結果可知，室內模擬時瀝青羰基因子較實際路面均略低，但相關性較好。

2) 從車轍深度對比結果可知，在模擬較短年限時，室內模擬車轍深度較深，模擬較長年限時，實際路面車轍深度較深，整體模擬相關性較好。

[1] 劉曠怡.模擬多因素耦合條件下瀝青混合料老化性能研究[D].武漢：武漢理工大學,2015.

[2] 龐凌.瀝青紫外光老化特性研究[D].武漢：武漢理工大學,2008.

[3] 吳少鵬,龐凌,余劍英,等.瀝青光氧老化研究進展[J].石油瀝青,2007,21(2):1-6.

[4] 王開生,陳卓識.提高瀝青路面耐久性的技術對策[J].黑龍江交通科技,2008,31(12):14-16.

[5] 路暢,黃曉明.瀝青室內模擬老化性能研究[J].石油瀝青,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.

[7] DURRIEU F, FARCAS F, MOUILLET V. The influence of UV aging of a Styrene/Butadiene/Styrene modified bitumen: Comparison between laboratory and on site aging[J]. Fuel,2007,86(10):1446-1451.

[8] 蘇凱,王春暉,周剛,等.基于加速加載試驗的瀝青路面車轍預估研究[J].同濟大學學報(自然科學版),2008,36(4):493-497.

[9] 豐曉,葉奮,黃彭.基于瀝青老化的紅外光譜羰基吸光度分析[J].建筑材料學報,2008,11(3):375-378.

[10] 劉義高,呂松濤.高寒低等級公路瀝青面層結構影響分析[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),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.