強紫外光地區改性瀝青AC-16混合料級配優化設計研究

劉金修，李 鈺，李 澤，周德平

（1.新疆交通科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000；2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075）

1 引言

在我國西北地區，紫外光輻射是引起瀝青混凝土路面老化的重要因素之一，強烈的紫外光輻射會導致瀝青混凝土路面在相對較短時間內泛白、老化、耐久性降低、路用性能變差[1，2]。當前國內外研究學者針對瀝青與瀝青混合料的紫外光老化做了大量研究[3-5]，研究主要集中在瀝青混合料紫外光老化的影響因素及老化前后瀝青混合料路用性能的演變規律[6-8]，而針對瀝青混合料抵抗紫外光輻射的研究涉及較少。基于以上原因，本文通過正交試驗對強紫外光輻射地區SBSI-C改性瀝青AC-16混合料的4個關鍵篩孔和油石比進行優化設計研究，為強紫外光地區AC-16瀝青混合料抗紫外光老化的級配優化設計研究提供理論和技術支持。

2 原材料技術性能

2.1 瀝青

本次試驗研究采用國創SBS I-C改性瀝青，瀝青的主要性能指標測試結果見表1。

表1 SBS I-C改性瀝青主要性能指標

2.2 集料

本次試驗研究所用粗、細集料均為優質石灰巖集料，包括20mm～40mm、10mm～20mm、5mm～10mm、3mm～5mm、石屑五檔集料，礦粉為碳酸鈣粉末。經室內試驗檢測其性能指標結果滿足規范要求。

3 室內模擬紫外光輻射老化試驗方案

瀝青混凝土路面在自然條件下的紫外光老化主要發生在路面鋪設完成的前4個月，4個月之后逐漸趨于穩定[3，4]。因此本文在研究強紫外光地區AC-16瀝青混合料級配優化設計時，按照室內、室外紫外光輻射總量相等的原則進行老化試驗[6]。室內紫外光老化環境試驗箱采用1000W的高壓汞燈，可保證試驗試件所受輻射強度為200W/m2[1]，室內老化時長取177h，室內紫外光輻射總量127.44 MJ/m2，即相當于呼和浩特地區室外自然老化4個月。

4 抗紫外光正交馬歇爾試驗設計

選取影響強紫外光地區AC-16瀝青混合料高低溫性能較顯著的4個關鍵篩孔（13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm）和油石比作為影響因素，每個因素選取5個水平數進行抗紫外光正交馬歇爾試驗設計。5因素5水平抗紫外光正交馬歇爾試驗設計見表2。

表2 AC-16抗紫外光級配5因素5水平正交表

若通過傳統試驗研究方法將5因素5水平的抗紫外光正交馬歇爾試驗全面開展完成，需要55=3125次試驗才可以完成。而利用正交試驗設計方法則只需要25次試驗即可完成，會極大地減少試驗次數和縮短整個試驗周期。因此，將13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm、油石比等5個關鍵因素，按照5因素5水平正交原則劃分后依次填入正交試驗表格中，如下表3所示。

表3 AC-16抗紫外光級配關鍵因素正交試驗方案

5 抗紫外光正交馬歇爾試驗結果及分析

將上述正交試驗設計的25種AC-16試驗級配按照規范要求制作成標準馬歇爾試驗試件，并測定其毛體積密度（表干法）、馬歇爾穩定度及流值FL，測定完成后分別計算其對應的空隙率VV、礦料間隙率VMA及流值FL等體積參數。各體積參數指標結果見表4。

表4 AC-16各級配正交試驗匯總結果

將上述AC-16瀝青混合料體積參數結果通過極差分析法進行系統分析，明確各關鍵篩孔和油石比的影響排序。極差分析結果見表5。

表5 極差分析結果

注：、、、、為表5中每個因素列同一水平所對應的5個試驗結果的平均值；R為每列的極差。

從極差分析結果表5中可以得出：

①同時滿足規范要求的SBS I-C改性瀝青AC-16混合料毛體積相對密度、飽和度VFA及流值FL等6個體積參數各因素取值范圍為：A（13.2mm關鍵篩孔）為76%～92%，中值為84%；B（9.5mm關鍵篩孔）為62%～72%，中值為67%；C（4.75mm關鍵篩孔）為40%～60%，中值為50%；D（2.36mm關鍵篩孔）為24%～36%，中值為6.5%；E（油石比）為4.8%～5.5%，中值為5.15%。

②SBS I-C改性瀝青AC-16混合料毛體積密度和礦料間隙率主要因素水平的影響排序均為B>C>E，各次要因素水平不同；影響其空隙率和飽和度各因素的排序均為E>B>C>D>A；馬歇爾穩定度和流值的首要影響因素均是4.74mm關鍵篩孔，各次要因素排序有所不同[2]。

③SBS I-C改性瀝青AC-16瀝青混合料毛體積相對密度最優組合為A4B5C2D3E3[2]；空隙率最優組合為A2B1C5D5E5；礦料間隙率最優組合為A2B1C5D5E1；瀝青飽和度最優組合A4B5C2D2E1；馬歇爾穩定度最優組合為A4B5C2D2E5；流值最優組合為A5B5C1D3E1。

6 路用性能驗證

6.1 試驗級配及油石比的確定

通過適當調整上述優化級配13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm等4個關鍵篩孔的通過率[2]，同時參考SBS I-C改性瀝青AC-16瀝青路面在內蒙古地區的應用情況，最終確定出3種AC-16瀝青混合料的試驗級配來進行抗紫外光老化性能、高低溫性能驗證。SBS I-C改性瀝青AC-16瀝青混合料各試驗級配及最佳油石比見表6。

表6 各試驗級配一覽表

6.2 定量紫外光輻射老化

將上述級配按照試驗規程分別制作兩組標準車轍板試驗試件與馬歇爾試驗試件，一組進行室內紫外光老化試驗，另外一組作為對照組不進行紫外光老化試驗[6]。老化試驗結束后，分別對老化前后的試驗試件進行動穩定度和低溫劈裂強度的測定。

6.3 定量紫外光輻射后各試驗級配的高低溫性能

將紫光老化前后試驗試件的動穩定度與低溫劈裂強度結果匯總見表7、表8。

表7 AC-16試驗級配車轍試驗結果

表8 AC-16試驗級配低溫劈裂試驗結果

分析表7、表8可知：

①3種試驗級配在紫外光老化前后動穩定度大小排序均為N3>N2>N1。其中試驗級配N1的降幅最大，為22.97%；試驗級配N2降幅最小，為18.41%；表明抵抗紫外光老化能力N2>N3>N1。

②經紫外光輻射老化后3種試驗級配動穩定度均下降了18%以上，表明紫外光對瀝青混合料的老化作用比較明顯。其主要原因是瀝青經紫外光長時間輻射之后會導致瀝青組分的化學鍵發生斷裂重組，進而發生一系列的化學反應，促使瀝青變干變脆，與集料之間的粘附性和包裹性降低，在荷載的不斷作用下車轍板產生松動變形，進而導致動穩定度DS下降。

③3種試驗級配在老化前后低溫劈裂強度大小排序均為N1>N2>N3。其中試驗級配N3的降幅最大，為15.38%；試驗級配N1降幅最小，為14.86%；表明抵抗紫外光老化能力N1>N2>N3。

④各試驗級配經紫外光老化之后低溫劈裂強度的降幅均在10%以上，其中最大降幅為15.38%，但與動穩定度相比其降幅要小。分析認為是瀝青經紫外光長時間輻射之后會使瀝青組分的化學鍵發生斷裂重組，從而使瀝青的針入度和延度發生不同程度的減小。瀝青的針入度越小，說明瀝青的耐高溫性能越好，耐低溫性能越差，即瀝青混合料在低溫環境下的抗裂性能越差。同時，隨著紫外光老化時間的不斷增加，瀝青組分中的芳香分與膠質含量會逐漸減少，從而導致瀝青的延度降低。瀝青延度的降低使得瀝青塑性減弱，降低了其抗低溫開裂性能。

⑤經紫外光老化之后，各試驗級配的動穩定度減小幅度均大于低溫劈裂強度，表明SBS I-C改性瀝青AC-16混合料的高溫性能對紫外光輻射更加敏感。

⑥通過對SBS I-C改性瀝青AC-16混合料正交試驗的極差分析，以及結合3種試驗級配的路用性能、抗紫外光老化性能的驗證結果，優化總結后提出了適合強紫外光地區的SBS I-C改性瀝青AC-16混合料級配范圍，見表9。

表9SBS I-C改性瀝青AC-16強紫外光地區級配范圍

7 結語

①通過正交試驗設計方法，將13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm四個關鍵篩孔和油石比作為影響因素，按照5因素5水平設計對SBS I-C改性瀝青AC-16瀝青混合料進行了馬歇爾試驗研究。

②利用極差分析法對試驗結果進行系統分析，明確了13.2mm、9.5mm、4.75mm、2.36mm四個關鍵篩孔和油石比對SBS I-C改性瀝青AC-16瀝青混合料體積參數的影響規律，同時得到了各個體積參數的最優組合。

③根據SBS I-C改性瀝青AC-16混合料正交試驗的極差分析結果，以及結合各個試驗級配的路用性能、抗紫外光老化性能的驗證，優化總結后提出了適合強紫外光地區的SBS I-C改性瀝青AC-16瀝青混合料級配范圍。