紫外老化對抗燃油瀝青混凝土無損黏彈性能的影響

2023-11-13 06:56:00陳忠華于曉賀

武漢理工大學學報(交通科學與工程版) 2023年5期

陳忠華桑帆于曉賀羅蓉

(武漢理工大學交通與物流工程學院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術研究中心2) 武漢 430063) (中南勘察設計院集團有限公司3) 武漢 430073)

0 引言

停機坪的飛機加航空燃油、車輛的檢修、拋錨等都可能造成停機坪的污染,這些污染會造成瀝青集料相互分離,進而出現道路損害,影響路面使用壽命[1-2].研究抗燃油瀝青混合料的無損線性黏彈性性質可以為后續研究疲勞開裂和永久變形提供參考力學狀態[3].

薛羽等[4]進行四種溫度下動態模量試驗,采用WLF法和二次多項式法建立動態模量主曲線模型,得出動態模量和相位角變化趨勢,并表明二次多項式法的預測精度較高.張飛等[5]進行復數模量試驗,通過Kramers-Kronig關系構建動態模量和相位角主曲線兩種模型,以此分析瀝青混合料性質.李惠霞等[6]對AS-16瀝青砂進行模擬自然老化過程試驗,分為0,97,194,292,388,583 h紫外光照時長,并進行單軸壓縮蠕變試驗,結果表明:瀝青砂黏性比例會隨紫外老化時間的增加而變小,材料特性也表現為彈性.雖然國內在瀝青混凝土無損粘彈性的研究方面已經取得了很多成果,但對機場道面的瀝青混凝土的無損粘彈性研究仍然存在不足.同時在機場瀝青混凝土抗紫外老化性能研究方面,也大多未考慮加入抗燃油劑后瀝青混凝土的抗紫外老化性能.

文中針對埃塞俄比亞亞的斯亞貝巴BOLE機場改擴建項目中機場瀝青道面鋪裝項目進行配合比設計,確定最佳抗燃油劑摻量,通過馬歇爾體積指標確定最佳瀝青含量.制作旋轉壓實試件,進行紫外老化前后的動態模量試驗.分析紫外老化前后不同溫度、頻率下混合料的模量與相位角變化規律,并繪制兩者主曲線,分析紫外老化對抗燃油瀝青混合料的的無損黏彈性能的影響.

1 試件制備

1.1 礦料級配設計

采用的AC-13型瀝青混合料主要用于鋪筑機場道面上面層.AC-13混合料合成級配見圖1.

圖1 AC-13混合料級配合成曲線

1.2 抗燃油劑摻量的確定

計算質量損失比I,并以此評價混合料的抗燃油損失性能.

I=(M0-M1)/M0×100%

(1)

AC-13抗燃油瀝青混凝土按照1.1所述的礦料配合比,變換不同含油量與不同PR AK抗燃油劑含量,并按照馬歇爾擊實75次制作馬歇爾試件,試件浸泡在燃油中24 h的重量損失見表1.

表1 AC-13混合料馬歇爾試件的抗燃油試驗結果

規范要求抗燃油劑摻量需≤2.5%.法國的PR AK抗燃油改性劑占瀝青混凝土0.6%時滿足抗燃油的規范要求.因此,本文最終選定PR AK抗燃油改性劑摻量占瀝青混凝土0.6%.根據AC-13混合料馬歇爾擊實75次的各項試驗結果可以確定最佳瀝青含量為5.0%.

1.3 試件制備步驟

將自動拌合儀溫度調為170 ℃,將瀝青和集料放在拌合儀中,開啟拌和儀拌和.結束后放置在烘箱中養生2 h,溫度為150 ℃,模擬運輸老化;養生結束后利用旋轉壓實儀,成型高170 mm、直徑150 mm的瀝青混合料試件;再使用鉆芯機鉆芯,得到的試件直徑為100 mm;鉆芯后使用切割鋸將試件進行切割,最終得到的試件高度為150 mm、直徑為100 mm.最后空隙率還要滿足3.9%±0.5%的要求.

2 試驗方案

2.1 抗燃油瀝青混凝土動態模量試驗

使用DTS進行動態模量試驗,使用相位角動態模量主曲線分析混合料的無損黏彈性質[7].瀝青混合料試件都在4種溫度5、20、35、55 ℃,6個頻率0.1、0.5、1、5、10、25 Hz下進行試驗,溫度不同時由低向高進行試驗,頻率不同時由高向低進行.試件上下各有一個壓頭,并在壓頭和試件間放置涂有潤滑脂的紙,減小摩擦,保證徑向變形自由.每個試件的側面裝有三個軸向位移傳感器,使用軸向LVDT來測側面軸向變形并記錄,取平均值作為軸向變形.軸向變形幅度應滿足(70～120)×10-6的要求[8-9].

2.2 模擬瀝青混凝土自然紫外老化試驗方案

項目地區月平均紫外線指數為12,通過換算關系可以得到項目地區的紫外線輻射強度為300 mW/m2.室內紫外線環境箱的紫外線強度設定為50 W/m2,模擬室外一年的紫外線輻射量時(設定平均日照時間為8 h)室內模擬需要的時間為0.73 d,即17.52 h.表2為相應的計算參數.

表2 室內紫外線老化方案計算參數

采用1.3的方法成型試件.試件制備完成后,室內紫外老化試驗采用紫外老化箱進行.該環境箱由四個紫外汞燈構成,箱內的抽風系統可以控制環境箱內的溫度維持穩定.本次設定的溫度在50 ℃以下,紫外老化試驗時試件放在旋轉盤上,通過轉速參數按鈕可以控制旋轉盤的轉速,為了達到穩定均一的老化效果,轉速設定為6圈/min.在試驗開始前,采用紫外輻射計進行測試紫外老化燈輻射到試件表面的輻射強度.根據試驗方案,調整紫外汞燈與試件的距離,最終試件表面的輻射強度達到50 W/m2.

3 試驗結果分析

3.1 動態模量試驗結果分析

瀝青混合料復數模量的模定義為動態模量以此反應強度特性,為

(2)

式中:|E*(ω)|為動態模量,MPa.

復數模量中損失模量E″(ω)與儲存模量E′(ω)的比值定義為相位角的正切值.相位角反映,在受到正弦波荷載時,瀝青混合料一個周期內應變滯后于應力的程度.

tanφ=E″(ω)/E′(ω)

(3)

式中:φ為相位角,(°).

通過測試可以得到AC-13抗燃油瀝青混合料在4種溫度、6個頻率下試驗數據匯總見表3.

表3 AC-13混合料動態模量和相位角測量平均值

由表3可知:在溫度和頻率不同的情況下,混合料的動態模量處于300～16 000 MPa的范圍內,相位角處于10°～30°的范圍內.規范中規定,在溫度為32℃下面層混合料的模量在1 380 MPa左右.通過試驗結果可以得到,在35 ℃下,動態模量都在在900～4 500 MPa,由此可以估計,在32 ℃低頻狀態下時AC-13抗燃油瀝青混合料的模量在1 380 MPa左右.

為預測瀝青混合料在更廣的頻率域和溫度域動態模量和相位角的變化規律,利用Kramers-Kronig關系繪制抗燃油瀝青混合料動態模量與相位角主曲線.動態模量主曲線采用廣義西格摩德模型進行擬合,為

(4)

式中:δ為動態模量最小值,MPa;α為動態模量最大值與最小值之差,MPa;λ、β和γ為動態模量主曲線形狀參數;αT動態模量和相位角主曲線移位因子方程.

利用近似Kramers-Kronig關系建立相位角的主曲線模型,即

(5)

(6)

采用WLF方程作為移位因子方程,選取參考溫度T0為20 ℃.

lgαT=-C1(t-t0)/[C2+(t-t0)]

(7)

根據動態模量與相位角兩者擬合誤差之和作為總誤差方程,并用Excel求解最小總誤差即可獲得擬合參數,為

誤差=誤差∣E*∣+誤差=

(8)

得到瀝青混合料動態模量主曲線和相位角主曲線見圖2.主曲線擬合參數匯總以及擬合優度和誤差匯總分別見表4～5.

表4 主曲線擬合參數

表5 主曲線擬合優度及誤差

圖2 動態模量和相位角主曲線

由圖2可知:抗燃油瀝青混合料動態模量主曲線與相位角主曲線分別為“S”型曲線形狀和拋物線形狀.通過分析動態模量主曲線能預測在32 ℃下,頻率介于0.1～25 Hz范圍內時,動態模量在1 191～5 203 MPa范圍內變化,與FAA規范中規定的動態模量為1 380 MPa相符合.

從主曲線擬合參數看,抗燃油瀝青混合料的λ值小于1,表明繪制的動態模量主曲線均不關于曲線拐點對稱.C1和C2均處于10～102數量級間,滿足文獻要求,表明此次繪圖是準確的.

從擬合誤差和精確性上看,抗燃油瀝青混合料動態模量的擬合優度均大于0.99,而相位角擬合優度均大于0.97,擬合優度較高.同時動態模量與相位角的擬合誤差均小于1.5%,充分反映出繪制的主曲線能夠準確體現出抗燃油瀝青混合料的無損黏彈性能.

3.2 試驗結果分析

按照3.1力學性能測試方法研究紫外老化后瀝青混合料的無損黏彈性性質.測試得到紫外老化后AC-13抗燃油瀝青混合料在4種溫度、6個頻率下的的動態模量和相位角數據,匯總見表6.

表6 動態模量和相位角測量平均值

由表6可知:瀝青混合料紫外老化后,在不同溫度和不同頻率下混合料的動態模量處于200～18 000 MPa范圍內,相位角處于10°～30°范圍內.紫外老化后,模量的范圍都在700～4 500 MPa.由此可以預估,在低頻條件溫度為32 ℃時紫外老化后AC-13抗燃油瀝青混合料的模量符合規范要求.

預測動態模量和相位角的變化趨勢,結果見圖3,擬合結果見表7～8.

表7 主曲線擬合參數

表8 主曲線擬合優度及誤差

圖3 動態模量和相位角主曲線

從主曲線上看,紫外老化后動態模量主曲線也為“S”型曲線,相位角主曲線為拋物線形狀.抗燃油瀝青混合料的λ值小于1,這表明繪制的動態模量主曲線均不關于曲線拐點對稱.從擬合誤差和精確性上看,動態模量擬合優度均大于0.99,而相位角擬合優度均大于0.95,均具有較高的擬合優度.

3.3 無損黏彈性能對比分析

從表3和表6中老化前后動態模量試驗數據整體上看,兩者差別不大,老化后混合料在低溫下的模量有所增加,所有相位角也有所增加,這反映出紫外老化后混合料黏性性質略有增加,而彈性性質略有減小.

此外,從繪制的主曲線結果上看,紫外老化前后主曲線變化不明顯.但從表9兩者的擬合參數上看,紫外老化后混合料的極值參數δ和α都有所增大,反映出動態模量在極端頻率下有所變大,λ、β和γ等動態模量主曲線形狀參數變化不大,時溫等效因子αT的擬合參數C1和C2也幾乎無變化.這些均說明紫外老化對混合料性能影響較為有限,紫外老化后混合料的整體無損黏彈性能差異較小.