紫外线对温拌沥青混合料粘附性能的影响
时间：2023-06-12 19:25:12 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
于延忠,李冬娜,高宏刚,颜鲁春,张 斌
(1.甘肃恒路交通勘察设计院有限公司,甘肃省高等级公路养护工程研究中心,甘肃 兰州 730030;2.兰州交通大学 机电工程学院,甘肃 兰州 730030)
沥青路面在应用过程中容易受到温度、水、紫外线和氧气等的影响。尤其在受到强紫外线作用时极易造成路面破坏,降低沥青路面使用寿命[1]。
近年来,国内外学者针对紫外线对沥青性能的影响,纷纷对室内紫外线老化(UV)模拟设备进行研发。王佳妮等[2]对UV实验箱进行了改装,选择高压汞灯作为紫外线辐射光源,通过风冷系统控制试样表面的温度、以及提供充足的氧气供应。Zeng等[3]重点研究了UV的深度,以及沥青膜厚度与UV之间的关系,对UV过程中如何制备标准的试样具有重要的参考意义。Li等[4]通过对不同波长范围的紫外线对沥青的辐射进行研究,得出波长范围为350～370 nm 时对沥青结合料的老化效果最明显,其次是340～380 nm,波长范围为200～400 nm 的老化效果最轻,进一步细化了实验参数,Xiao等[5]研制了可模拟温拌沥青UV设备。
在研发设备的基础上,国内外学者纷纷对沥青UV 机理展开研究。Wang等[6]研究发现随UV 时间的延长,沥青砂浆的界面裂纹扩展速率变快。Yu等[7]基于动态力学分析,开发了等效转换方程式,用于评估UV 强度。崔世超等[8]认为紫外线老化后,沥青砂浆起裂点水平位移(U)和水平应变(EXX)、应力强度因子K 值及区域损伤因子D 值均增大,且随UV 时长增加,增长速率加快。王雨瑾等[9]认为紫外线对沥青性能影响较大,沥青在抽提过程中会造成热氧老化,且不能准确模拟路面实际老化状态,水会对沥青混合料紫外线老化有一定的阻隔作用。胡锦轩[10]建立了沥青UV 模型,对流变性能与其他性能指标之间的关系进行了研究。张兴军和冯辉霞[11]通过室内UV 模拟提出了温拌沥青粘附性能的微观表征方法。然而,目前缺乏准确模拟沥青UV 的室内加速模拟设备和对沥青老化模拟的验证,为此,本研究针对目前研究存在的问题,通过自主研发的设备对沥青进行老化性能评价,并通过沥青混合料性能实验验证其合理性。
2.1 原材料
选用具有代表性的SK90#基质沥青为原材料,其主要技术指标见表1。
表1 基质沥青主要技术指标Table 1 Main technical indicators of matrix asphalt
选用的美国美德维实维克公司的Evotherm 温拌剂是一种高分子表面活性剂、抗剥落剂,在一定条件下显现出降黏、分散、乳化、抗剥落和降低施工温度的作用[10]。其性能参数见表2。
表2 温拌剂主要技术指标Table 2 Main technical indicators of warm mix
2.2 研究方案
2.2.1 温拌沥青试样制备 对135℃基质沥青加热至牛顿流体状态和0.5%沥青质量的Evotherm 温拌剂用增力电动搅拌器以500 r/min的速率低速搅拌2 min后,再在135℃、1 200 r/min的条件下高速搅拌20 min,使温拌剂和基质沥青进行充分的融合,即制得温拌沥青[11]。
2.2.2 UV 试验模拟 参考文献[11]的研发设备进行UV 试验。根据自然条件下的年辐射总量与设定的室内辐射强度进行换算,将一年的辐射总量420 MJ/m2换算为室内模拟时间,换算公式见式(1):
以时间为参数进行换算,按照以上关系,分别设定室内模拟UV 时间为50、100、150和200 h,其与自然条件下的对应关系见表3。
表3 室内外紫外线辐射时间换算表Table 3 Indoor and outdoor ultraviolet radiation time conversion table
2.2.3 UV 试样制备 按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T0610-2011实验方法将沥青进行短期老化。取(50±0.5)g经短期老化后的沥青浇筑在直径为14 cm 的沥青老化盘中,放入135℃的烘箱中20 min加热平躺即制得UV试样。
2.2.4 纳观粘附力测试 在AFM 实验中,力距-距离曲线由力谱实验测得,该曲线是作为压电驱动器位移函数的作用在样品上力的曲线。悬臂偏转力计算遵循虎克定律:
式中:F为样品上的作用力,d为悬臂发生的偏转,kc为悬臂的弹性常数。
2.2.5 温拌沥青混合料配合比设计 在温拌沥青混合料的配比设计中,基质沥青与石灰岩石料采用前述研究中的同一样品。首先按照第2.2.3节制备UV沥青方式制备UV 沥青混合料,然后,混合料类型采用沥青路面上面层常用的AC-13和AC-16型密级配混合料,级配曲线按照《沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中规定的中间值,为保证各样品的数据均匀性,成型试件时按照单粒径合成。油石比分别采用5.1%、4.8%,空隙率均按照4.0%控制。
2.2.6 混合料性能试验方法 冻融劈裂强度比、马歇尔残留稳定度根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T0729-2011、T0709-2011试验方法;冻断试验参照《美国公路与运输协会标准(American Association of State Highway and Transportation Officials)》中的M231试验方法。
3.1 UV对温拌沥青纳观粘附力的影响
由图1可以看出,温拌沥青在隔氧和光氧耦合条件下,纳观粘附力随着UV 时间的延长而逐渐减小,在0～50 h内减小幅度最大,尤其对于光氧耦合条件,继续延长老化时间至150 h时,纳观粘附力降低幅度明显减小且趋于平稳。此外,对比隔氧和光氧耦合的纳观粘附力可以发现,光氧耦合条件下温拌沥青的纳观粘附力较隔氧条件整体呈下降趋势。说明温拌沥青随着UV 时间的延长粘附力逐渐衰减,而氧气则加剧了温拌沥青的UV,降低了温拌沥青的粘附力。
图1 UV 老化对温拌沥青纳观粘附力的影响Fig.1 Effect of UV aging on nano adhesion of warm mix asphalt
3.2 UV对温拌沥青混合料性能的影响
3.2.1 冻融劈裂强度比 冻融劈裂强度比试验,是混合料在水损害前后的间接拉伸强度比值(TSR),是研究温拌沥青混合料水稳定性的重要指标。从图2可以看出,两种类型的沥青混合料冻融劈裂强度比TSR 变化规律基本一致,老化后混合料的劈裂强度比都有所下降,50 h UV 后劈裂强度比下降较为缓慢,随UV 时间延长,劈裂强度比减幅增大;UV 对劈裂强度的影响要大于长期老化。从图2还可知:AC-13和AC-16型密级配混合料冻融劈裂抗拉强度比随UV 时间的延长变化趋势相同,均为逐渐减小。主要原因是:在紫外光辐照条件下造成温拌沥青和矿料之间的粘聚力降低,导致劈裂抗拉强度降低,且UV 时间越长,温拌沥青和矿料之间的粘聚力越低,从而使温拌沥青混合料在经过冻融循环后劈裂强度降低很多,因而UV 后冻融劈裂强度比明显减小。根据紫外光老化前后冻融劈裂抗拉强度比的变化量ΔTSR 可知,温拌沥青混合料在UV 时间为50 h以内时,冻融劈裂抗拉强度比的变化量最小,受紫外光影响的程度不太显著,继续延长UV 时间至150 h时,温拌沥青混合料受UV 影响程度较大,当老化时间超过150 h时,温拌沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比逐渐趋于平衡。
图2 UV 下温拌沥青混合料的冻融劈裂值Fig.2 Tensile strength ratios at ultraviolet aging conditions
3.2.2 马歇尔残留稳定度 马歇尔残留稳定度试验,是研究混合料在有水的条件下,混合料的残留强度,也是评价混合料水损害的一项重要指标。从图3可知,马歇尔残留稳定度与冻融劈裂强度指标变化规律相似,随着UV 时间延长,残留稳定度降低,说明UV 影响水损害性能显著。
图3 UV 下温拌沥青混合料的残留稳定度值Fig.3 Residual marshall stability at ultraviolet aging conditions
从图3还可知:AC-13和AC-16型密级配混合料残留稳定度值均随着UV 时间的延长而逐渐减小,温拌沥青混合料在UV 时间为50 h以内时,残留稳定强度比的变化量最小,受紫外光影响的程度不太显著,继续延长UV 时间至150 h时,温拌沥青混合料残留稳定度比受UV 影响程度较大,当老化时间超过150 h时,温拌沥青混合料残留稳定强度比则逐渐趋于平衡。3.2.3 低温冻断试验分析 根据沥青路面实际受力状态模拟低温冻断试验。沥青路面在低温时,随温度降低,混合料内部产生温缩变形,由于沥青路面实际使用状况下的是侧向约束,变形受约束而产生内部应力,当应力超过混合料的抗拉强度时,产生开裂破坏。如图4所示,转化点温度是指应力曲线由缓慢变化到变化幅度大的转折点温度,斜率是指变化幅度大的应力曲线的切线,冻断温度是指破坏时的温度,冻断强度是指破坏时的最大强度。
图4 温度应力曲线Fig.4 Temperature stress curve of asphalt mixture
由图5可知,随着UV 时间的延长,温拌沥青的转化点温度和冻断温度逐渐增加,在0～150 h内转化点温度和冻断温度增加幅度较大,说明温拌沥青粘附性能衰减迅速,UV 后混合料的断裂温度明显升高,且转化点温度与断裂温度接近,继续延长UV 时间至200 h,转化点温度和冻断温度增加幅度较小。这说明随UV 时间的延长,温拌沥青的脆性增大,且当UV时间超过150 h时,温拌沥青粘附性能逐渐趋于平衡,失去沥青的属性。
图5 不同老化条件下温拌沥青混合料的冻断温度Fig.5 Fracture temperature at aging conditions
3.3 相关性分析
3.3.1 纳观粘附力与冻融劈裂强度比 对冻融劈裂强度比的实验指标进一步的分析,分别与纳观粘附力、蜂面积比、表面粗糙度建立相关性,如图6所示。
图6 UV 条件下温拌沥青混合料的冻融劈裂值与纳观粘附力的关系Fig.6 Relationship between freeze-thaw splitting value and nano adhesion force of warm mix asphalt mixture under UV aging conditions
从图可见,纳观粘附力与AC-13型密级配混合料冻融劈裂强度比的相关系数R2=0.867,与AC-16型密级配混合料冻融劈裂强度比的相关系数R2=0.910,且AC-16型密级配混合料冻融劈裂强度比的相关系数整体大于AC-13型密级配混合料冻融劈裂强度比的相关系数。因此可以采用纳观粘附力和表面粗糙度来研究隔氧UV 老化后的粘附性能,并预测其粘附性变化趋势。
冻融劈裂是混合料水损害性能的主要评价方法,这对受水损害的试样进行间接拉伸,内部产生粘聚和粘附的拉伸破坏。通过以上分析可见微观层面的参数与混合料的宏观上的水损害性能相关性较好。
3.3.2 纳观粘附力与残留稳定度比 对残留稳定度比的实验指标进行进一步分析,与纳观粘附力建立相关性,如图7所示。从图可见,纳观粘附力与AC-13型密级配混合料残留稳定度比的相关系数R2=0.867,与AC-16型密级配混合料残留稳定度比的相关系数R2=0.923,说明纳观粘附力与残留稳定度比呈良好的线性正相关性,且AC-16型密级配混合料残留稳定度比的相关系数整体大于AC-13型密级配混合料残留稳定度比的相关系数。残留稳定比也是评价混合料水稳定性的常用方法之一,通过以上分析,与微观参数的相关性在0.9以上。
图7 UV条件下温拌沥青混合料的残留稳定度比与纳观粘附力的关系Fig.7 Relationship between residual stability ratio and nano adhesion force of warm mix asphalt mixture under UV aging conditions
3.3.3 纳观粘附力与冻断温度 对冻断试验的冻断温度进一步的分析,并与纳观粘附力建立相关性,如图8所示。
图8 UV 条件下温拌沥青混合料的冻断温度与纳观粘附力的关系Fig.8 Relationship between freezing temperature and nano adhesion force of warm mixed asphalt mixture under UV aging conditions
从图可见,纳观粘附力与AC-13型密级配混合料冻断温度的相关系数R2=0.86708,与AC-16型密级配混合料冻断温度的相关系数R2=0.92363,说明纳观粘附力与冻断温度呈良好的线性正相关性,且AC-16型密级配混合料冻断温度的相关系数整体大于AC-13型密级配混合料冻断温度的相关系数。
冻断试验是评价混合料低温开裂性能的常规试验,较好地模拟了路面在温度下降时由于侧向约束而产生内部应力的受力状态和破坏原理。通过分析,纳观粘附力与低温开裂性能具有良好的相关性。
1.UV 可以明显降低温拌沥青在微观层面上的粘附力,随着UV 时间的延长粘附力逐渐衰减,氧气加剧了温拌沥青的UV,降低了温拌沥青的粘附力。
2.冻融劈裂强度比和残留稳定度比随着UV 时间的延长而逐渐降低,而冻断温度则随着UV 时间的延长而呈现逐渐增大趋势;宏观上反映了温拌沥青粘附性能的衰减。
3.UV 时间在0～150 h内时,温拌沥青冻融劈裂强度比和残留稳定度比下降迅速,冻段温度迅速上升,延长老化时间至200 h时逐渐趋于平衡,说明温拌沥青老化趋于平稳,逐渐失去沥青的属性。
4.纳观粘附力与宏观的混合料指标(冻融劈裂强度比、残留稳定度比、冻段温度)都呈现出较好的线性相关,说明UV 对温拌沥青混合料的水损害及低温性能影响较大。因此建议将纳观粘附力作为温拌沥青在UV 过程中粘附性能的主要表征方法。
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