基于分形理论的矿料级配对紫外光老化沥青混合料性能研究

刘金修， 童申家， 王　乾， 赫　鑫

(1.新疆交通科学研究院, 新疆 乌鲁木齐　830000;　2.西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安　710055)



基于分形理论的矿料级配对紫外光老化沥青混合料性能研究

刘金修1， 童申家2， 王乾2， 赫鑫2

(1.新疆交通科学研究院, 新疆 乌鲁木齐830000;2.西安建筑科技大学 土木工程学院， 陕西 西安710055)

为了研究不同级配对紫外光老化沥青混合料高低温性能的影响，采用分型级配理论，分别选取AC — 13和AC — 16各5种级配进行室内试验，分析不同级配对紫外光老化沥青混合料高低温性能的影响规律。试验结果表明：紫外光老化沥青混合料高低温性能与粒径分布分形维数D具有较好的相关性，粒径分布分形维数D越大，沥青混合料的动稳定度降幅越显著；粒径分布分形维数D越小，沥青混合料的低温劈裂强度降幅越小；其中AC — 13S5型、AC — 16S4型级配具有较好的高温抗紫外光老化性能，AC — 13S1型、AC — 16S2型级配具有较好的低温抗紫外光老化性能。

沥青混合料； 矿料级配； 紫外光老化； 分形理论； 路用性能

0　引言

沥青混凝土路面由于其优异的路用性能而被广泛应用，然而沥青混合料作为沥青路面的面层材料直接承受交通、环境等因素的综合作用，在使用过程中其性能会发生老化降低的现象，在强紫外光辐射地区，沥青混合料路用性能受其老化影响现象尤为突出[1，2]。

对于强紫外光辐射地区影响沥青混合料路用性能的影响因素有很多，其中包括沥青含量、沥青种类、辐射强度和矿料级配等，对于前3个影响因素国内外学者进行了大量试验与理论研究[3-5]。而针对矿料级配对紫外光老化沥青混合料路用性能影响研究相对较少。程培峰、张争奇等[6，7]做了矿料级配对沥青混合料路用性能的研究，但是没有考虑紫外光辐射影响；李惠霞等[8]人做了紫外光老化前后沥青混合料路用性能的对比而没有研究矿料级配对紫外光老化沥青混合料路用性能影响。

鉴于此，研究从矿料级配设计入手，分别选取AC — 13和AC — 16各5种S型级配进行室内试验，对比分析紫外光老化沥青混合料高低温性能与粒径分布分形维数D之间的相关性，系统阐述矿料级配对紫外光老化沥青混合料路用性能的影响规律，并提出适用于强紫外光辐射地区的矿料级配，以期为强紫外光辐射地区沥青路面的级配优化设计提供参考。

1　原材料及性能试验

1.1沥青

考虑到现有高等级沥青路面实际工程中的应用情况，本文试验中采用的沥青为陕西国创沥青材料有限公司生产的优质SBS I — C改性道路石油沥青。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20 — 2011)中相关规定，对所用沥青的各项性能指标进行测试，其基本性能和技术指标均满足规范要求。

1.2集料

本文试验所用的粗集料、细集料均为取自内蒙古苏宏图公路料场的优质石灰岩，包括20～40、10～20、5～10、3～5 mm、石屑五档集料，矿粉为碳酸钙粉末。根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42 — 2005)的规定，对集料进行性能试验，各指标结果表明所采用矿料各性能均满足规范要求。

2　矿料级配及最佳沥青用量的确定

2.1矿料级配类型

由于紫外光对沥青混合料的老化作用主要发生在表层较浅范围内，因此本文采用沥青路面上面层广泛使用的AC — 13和AC — 16密级配沥青混合料进行研究。在规范规定的级配范围内通过控制关键筛孔9.5、4.75、2.36 mm的通过率，适当减少公称最大粒径附近的粗集料用量和细集料用量，形成具有较多中等粒径集料的S型级配曲线，使通过调整所得的AC — 13和AC — 16沥青混合料在确保高温稳定性的同时也兼顾低温抗裂性的要求。根据上述原则分别拟定了5种AC — 13和5种AC — 16沥青混合料级配进行研究，分别记为AC — 13S1、S2、S3、S4、S5和AC — 16S1、S2、S3、S4、S5。各级配组成分别汇总见表1、表2。

表1 AC—13各级配的矿料组成Table1 TheaggregatecompositionofAC—13级配类型通过下列筛孔(方孔筛,mm)的质量百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075S110094765435251915128S21009882603218121075S31009882533018121075S41009570483624181284S5100906838241510754

表2 AC—16各级配的矿料级配组成Table2 TheaggregatecompositionofAC—16级配类型通过下列筛孔(方孔筛,mm)的质量百分率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075S110010091644428201512107S21009685704833251812107S3100988977542716111087S41009076603420139754S5100928170513724181396

2.2最佳沥青用量的确定

本文通过歇尔试验确定沥青混合料各级配的最佳沥青用量，对于以上确定的AC — 13与AC — 16的各级配，分别与SBS I — C改性沥青制作成标准试件，沥青用量的选用原则为根据经验以0.5%的间隔选取油石比。对以上沥青混合料按照击实法制作成标准的马歇尔试件进行试验，通过毛体积密度、矿料间隙率、孔隙率、稳定度、沥青饱和度和流值6大指标确定各级配的最佳油石比。在此基础上进行路用性能试验，综合试验结果确定沥青混合料的最佳油石比，结果如表3所示。

表3 沥青混合料最佳油石比Table3 Theoptimumasphaltaggregateratioofasphaltmixture级配沥青最佳油石比/%S1S2S3S4S5AC—13SBSI—C5.15.35.45.25.1AC—16SBSI—C5.05.55.45.35.4

3　室内模拟紫外光老化方案

采用室内紫外光老化环境箱对试验试件按照室内、室外紫外光辐射总量相等的原则进行老化试验。环境箱采用1500 W的高压汞灯，保证试件所受辐射强度为250 W·m-2，老化时长取为81 h，即相当于拉萨地区自然老化2个月。将不同级配的沥青混合料按照试验规程分别制成马歇尔试件和车辙板试件，将试件分为两组: 一组进行室内紫外光老化试验，一组作为对照组不进行老化。

4　试验结果及分析

为系统分析不同级配对沥青混合料紫外光老化前后动稳定度和低温劈裂强度的影响规律，将紫外光老化前后试件的动稳定度和低温劈裂强度结果汇总如见表4、表5。

表4 AC—13与AC—16级配车辙试验结果Table4 TheresultofruttingtestofAC—13,AC—16级配级配类型动稳定度/(次·mm-1)紫外光老化前紫外光老化后动稳定度变化/%AC—13S18850.494615.24-47.85AC—13S29254.686509.74-29.66AC—13AC—13S39254.685912.61-36.25AC—13S49041.725694.48-37.02AC—13S59770.297440.08-23.85AC—16S18295.744707.83-43.25AC—16S28083.053850.77-52.36AC—16AC—16S39595.585784.22-39.72AC—16S411852.678970.10-24.32AC—16S59934.295880.11-40.81

表5 AC—13与AC—16各级配低温劈裂试验结果Table5 TheresultofLowcleavagestrengthtestofAC—13,AC—16级配级配类型劈裂强度/MPa紫外光老化前紫外光老化后劈裂强度变化/%AC—13S14.07183.2125-21.1AC—13S22.78711.7124-38.56AC—13AC—13S32.95292.0157-31.74AC—13S43.00842.0923-30.45AC—13S52.04641.1865-42.02AC—16S13.50712.7404-21.86AC—16S23.69033.0419-17.57AC—16AC—16S32.69372.0334-24.51AC—16S42.40241.4638-39.07AC—16S52.95682.1747-26.45

运用分形级配理论[9-11]，将级配分布分形维数D与老化前后沥青混合料动稳定度及劈裂强度的变化建立联系，来研究矿料级配对沥青混合料抗紫外光老化性能的影响规律。根据分型级配理论将表3、表4中的级配数据按照下式进行计算。

(1)

式中：m(r)为粒径不大于r的集料质量；m0为集料总质量；P(r)为粒径为r的集料质量通过率；D为集料粒径分布分形维数；rmin为集料最小粒径尺寸；rmax为集料最大粒径尺寸。

在密级配中，因rmin远小于rmax，故rmin可以忽略，从而式(1)可简写为：

P(r)=(r/rmax)3-D

(2)

对式(2)两边同取对数可得：

lgP(r)=(3-D)lg(r/rmax)

(3)

将计算结果作对数化处理并绘于lgP(r)-lg(r/rmax)双对数坐标系中(见图1)。

图1　级配双对数图Figure 1　Graded double logarithmic plot

在双对数坐标系中，按最小二乘法对级配曲线进行线性拟合，根据拟合直线斜率k，即可算得D值。按相同方法计算其余各级配的粒径分布分形维数D，结果见表6。

表6 不同级配沥青混合料的粒径分布分形维数Table6 Differentgradedasphaltmixtureoftheparticlesizedistributionfractaldimension级配类型斜率k相关系数R2分布分形维数DS10.47130.99222.5287S20.59160.98682.4084AC—13S30.58640.98832.4136S40.56340.99122.4366S50.62260.98742.3774S10.49890.98292.5011S20.48680.9972.5132AC—16S30.53870.9642.4613S40.60490.98212.3951S50.50050.99912.4995

为了更加系统直观的描述不同级配对紫外光老化沥青混合料高低温性能的影响，分别利用表4、表5中的试验结果与表6中粒径分布分维数建立联系，对动稳定度降幅、低温劈裂强度降幅与粒径分布分形维数D的相关性分析，结果见图2、图3。

图2　动稳定度降幅与D值关系Figure 2　Dynamic stability decline and the D value relationship

图3　低温劈裂强度降幅与D值关系Figure 3　　　　Low cleavage strength decline and the D value relationship

由图2可知: 紫外光老化后沥青混合料动稳定度的降幅与粒径分布分形维数D有较好的相关性，其相关系数达到0.8746，随着粒径分布分形维数D的增大，动稳定度的降幅呈增大的趋势。表明在S型级配矿料组成中，粗集料含量越多，紫外光老化后沥青混合料的动稳定度下降越少。原因在于粒径分布分形维数D越小，级配所含粗骨料越多，所形成的沥青混合料更趋向于骨架空隙结构，而构成混合料抗车辙能力主要部分的粗骨料间嵌挤作用受紫外光老化的影响相对较小，因此与细集料含量较多时的悬浮密实结构相比，其动稳定度降幅较小。其中AC — 13S5型、AC — 16S4型级配具有较好的高温抗紫外光老化性能。

由图3可知: 紫外光老化后沥青混合料低温劈裂强度的降幅与粒径分布分形维数D有较好的相关性，其相关系数达到0.8912，随着粒径分布分形维数D的增大，低温劈裂强度的降幅呈减小的趋势，表明在S型级配矿料组成中，细集料含量越多，紫外光老化后沥青混合料的低温劈裂强度下降越少。原因在于粒径分布分形维数D越大，级配所含细集料越多，所形成的沥青混合料更趋向于悬浮密实结构，而构成混合料低温抗劈裂能力主要部分的细集料间粘结作用受紫外光老化的影响相对较小，因此与粗骨料含量较多时的骨架空隙结构相比，细集料含量较多的悬浮密实结构沥青混合料的低温劈裂强度受紫外光老化的影响相对较小。其中AC — 13S1型、AC — 16S2型级配具有较好的低温抗紫外光老化性能。

5　结论

① 紫外光老化后沥青混合料动稳定度及低温劈裂强度的降幅与粒径分布分形维数D具有较好的相关性，通过粒径分布分形维数D来研究矿料级配对沥青混合料高低温性能紫外光老化的影响规律是可行的。

② 粒径分布分形维数D越大，沥青混合料动稳定度受紫外光老化作用的影响越强烈，动稳定度降幅越大。在强紫外线辐射地区，对高温稳定性要求较高的路段，应优先选用粒径分布分形维数D较小的级配组成。

③ 粒径分布分形维数D越小，沥青混合料低温劈裂强度受紫外光老化作用的影响越强烈，低温劈裂强度降幅越大。在强紫外光辐射地区，对低温抗裂性要求较高的路段，应优先选用粒径分布分形维数D较大的级配组成。

④ AC — 13S5型、AC — 16S4型级配具有较好的高温抗紫外光老化性能，AC — 13S1型、AC — 16S2型级配具有较好的低温抗紫外光老化性能。

[1]彭浩,王福成,杨涛,等.矿料级配对沥青混合料路用性能影响的试验分析[J].公路工程,2013,38(2):36-40.

[2]徐秀维.BRA改性沥青及混合料路用性能评价[J].中外公路,2013,33(3):273-275.

[3]朱洪洲,黄晓明.沥青混合料高温稳定性影响因素分析[J].公路交通科技,2004,21(4):1-3,8.

[4]赵丽华,徐刚.矿物纤维对沥青混合料路用性能影响及机理分析[J].公路工程,2013，38(1):203-207.

[5]黄宝涛,李家春,催娥,等.基于路用性能的沥青混合料的最佳沥青用量[J].长安大学学报:自然科学版,2009,29(2):28-32.

[6]程培峰,范平.矿料级配对温拌橡胶沥青混合料性能的影响[J].公路交通科技,2014,31(3):32-37.

[7]张争奇,赵战利,张卫平.矿料级配对沥青混合料低温性能的影响[J].长安大学学报:自然科学版,2005,25(2):1-5.

[8]李惠霞,郭金敏,童申家.紫外光老化沥青混合料高温稳定性影响因素研究[J].公路工程,2014,39(2):72-75.

[9]李俊,谢军.基于分型级配理论的沥青混合料剪切性能试验研究[J].公路工程，2013，38(1):75-81.

[10]杨瑞华,许志鸿,张 超.沥青混合料分形级配理论[J].同济大学学报:自然科学版,2008,36(12):1642-1646.

[11]李虎,陈永云,张诚.基于级配分型理论的AC-13型混合料路用性能研究[J].公路工程，2013，38(1):124-128.

Research on Effect of Aggregate Gradation on Performance of UV Aging Asphalt Mixture Based on Fractal Theory

LIU Jinxiu1, TONG Shenjia2, WANG Qian2, HE Xin2

(1.Xinjiang Academy of Transportation Sciences, Urumchi, Xinjiang 830000, China;2.School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology ,Xi’an， Shanxi 710055, China)

In order to investigate the effect of different gradation on high and low temperature performance of UV aging asphalt mixture ,using the classification theory,AC — 13 and AC — 16 were selected for each of 5 graded indoor test, analysis of different gradation of UV aging asphalt Mixture influence of high and low temperature performance.The results show that:UV aging asphalt mixture high temperature performance and size distribution of the fractal dimension D has a good correlation, the larger the particle size distribution of the fractal dimension D, asphalt mixture dynamic stability more significant decline; the distribution fractal dimension D is smaller, low-temperature asphalt mixture splitting strength decline is smaller; where AC — 13S5 type, AC — 16S4 type gradation has good high temperature anti-aging properties of ultraviolet light, AC — 13S1 type, AC-16S2 type gradation has good low-temperature UV anti-aging properties.

asphalt mixture; aggregate gradation; UV aging; fractal theory; road performance

2015 — 04 — 10

刘金修(1989 — )，男，山东滨州人，研究生，从事沥青路面材料研究。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)04 — 0256 — 05