仓储时间对SMA-13温度散失及老化性能的影响

程德金，杨凯，王建党，戴征，白旭耀

（西北民航机场建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075）

0 引言

机场沥青道面较公路路面承受更大的机轮荷载、着陆冲击和转弯扭剪作用[1-2]，这对沥青道面的品质提出了更高的要求，因此机场道面主要使用性能较为优异的SBS改性沥青混合料，并掺加抗车辙剂、高模量剂等外加剂。通常机场沥青道面多为不停航施工[3-4]，为了不影响清晨机场正常通航，需将跑道全幅摊铺，4E及以上等级机场跑道宽度至少45 m，每日混合料用量至少1800 t，如此大的量现拌现铺来不及，需要将混合料提前拌好储存于成品仓中，储存时间一般短则5～6 h，长至8～10 h，而长时间高温储存会造成混合料温度散失和性能老化，影响其使用性能。

国内外学者对沥青混合料摊铺、碾压温度的影响因素及降温规律进行了一些研究[5-7]，而从成品仓角度出发研究混合料储存过程中温度散失情况鲜有报道。目前对于混合料老化的研究大多集中在老化方式的选择、混合料老化前后性能对比、老化对混合料某一性能的影响等[8-10]，以上研究并未涉及混合料在仓储过程中的老化。本文依托华北某机场沥青跑道“盖被”工程，以加盖常用的SMA-13为例，探究仓储时间对混合料温度散失及老化性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

温度记录器材为热电偶温度传感器、补偿导线、温度显示器；沥青混合料原材为SBS改性沥青、玄武岩集料、机制砂、矿粉、抗车辙剂、高黏剂及聚酯纤维。其中集料采用筛分的热料4号仓（11～16 mm）、3号仓（6～11 mm）、2号仓（3～6 mm）、1号仓（0～3 mm）。

1.2 试验方法

1.2.1 安装传感器

在40 t成品仓3个面上分别安装温度传感器，2个侧面各安装4个，正视面上安装2个，如图1所示，传感器的编号为1号—10号，其中1号、4号、5号、8号、9号传感器长度为2 m，2号、3号、6号、7号、10号传感器长度为1 m，用补偿导线将10个传感器连接在温度显示器上。

图1 成品仓传感器安装三视图Fig.1 The three views of sensor installation in finished product bin

1.2.2 生产配合比设计

以目标配合比为基准，进行生产配合比设计，得到SMA-13的热料级配组成质量比为4号仓∶3号仓∶2号仓∶1号仓∶矿粉=44.0%∶27.0%∶8.0%∶11.0%∶10%（外掺聚酯纤维为混合料质量的0.4%，抗车辙剂和高黏剂均为混合料质量的0.5%），最佳油石比为6.1%。

1.2.3 温度记录与测试方法

将不同拌和温度（180℃、190℃、200℃）的SMA-13混合料置于成品仓中储存至12 h，每隔0.5 h记录1次温度，每隔4 h取料成型马歇尔试件与车辙板，通过混合料车辙试验、小梁弯曲试验、浸水马歇尔和冻融劈裂试验评价混合料老化性能。

2 试验结果与分析

2.1 混合料温度衰减分析

以10个温度传感器采集的温度平均值为纵坐标，以时间为横坐标作图，通过多项式拟合，得到混合料温度随时间衰减关系，如图2和表1所示。

图2 混合料温度随时间变化曲线Fig.2 Temperature variation curve of mixture with time

表1 混合料温度衰减曲线Table 1 Temperature attenuation curve of mixture

从图2和表1看出，随着仓储时间延长，沥青混合料的温度基本呈二次多项式衰减，且拌和温度升高，混合料的温衰系数下降，即温度衰减速率下降。因为在成品仓密封环境里，温度越高，混合料和易性越好，即流动度越好，SMA-13集料易于流动堆积形成致密的保护层，层层包裹降低混合料内部温度散失，利于混合料保温。分析数据发现仓储12 h后，不同拌和温度下混合料温度衰减幅度排序为10.9℃（180℃）>9.4℃（190℃）>8.4℃（200℃），说明混合料在180℃条件下仓储，温度衰减最为严重。

根据仓储过程中的温度衰减曲线可以预估混合料储存过程中温度变化规律，预测某一时刻温度值或衰减到某一温度值所需时间，结合混合料老化性能、现场摊铺温度综合选择适宜的储存时间，确保混合料的使用性能。

2.2 高温稳定性

不同仓储时间下SMA-13的车辙试验结果如图3所示。

图3 动稳定度与时间关系Fig.3 Relationship between dynamic stability and time

根据图3可知，拌和温度相同时，混合料动稳定度随仓储时间延长而增大，前8 h内，动稳定度增长率变化幅度不大，但8 h后增长率显著提升，12 h增长率是8 h的2倍以上；长时间高温储存会加速沥青轻质组分挥发、变质及发生化学反应，使沥青变得黏稠，混合料劲度增大，车辙板变硬变脆，推断在8～12 h之间某一时刻沥青混合料老化程度已较为明显，现场观察车辙板表面还未老化到松散的程度，但其他路用性能可能已受到较大损害。仓储时间相同时，拌和温度升高，混合料动稳定度和动稳定度增长率均增大。

根据MH/T 5011—2019《民用机场沥青道面施工技术规范》[11]及技术要求，SMA-13动稳定度需不小于10000次/mm，只考虑混合料高温性能，仓储12 h后的动稳定度均能满足使用要求。老化在一定程度上会增强混合料抗车辙能力，但对其他路用性能的影响还需结合低温和水稳定性试验结果进行总体评价。

2.3 低温抗裂性

不同仓储时间下SMA-13小梁弯曲试验结果如表2所示，试验温度分别为-10℃和-20℃。

表2 小梁低温弯曲试验结果Table 2 Low temperature bending test results of trabecula

由表2可知，拌和温度相同时，沥青混合料最大弯拉应变随仓储时间延长而减小；仓储12 h后SMA-13低温性能衰减幅度达40%以上，且拌和温度越高低温性能衰减幅度越大。仓储时间相同时，沥青混合料的最大弯拉应变随温度升高而减小；当拌和温度从180℃升到200℃时，仓储12 h的混合料最大弯拉应变分别降低24.5%（-10℃测试）和31.0%（-20℃测试）。-10℃和-20℃的试验结果表明老化对混合料低温性能影响显著，沥青混合料长时间处于高温环境中，随着仓储时间延长，沥青中轻质组分逐渐挥发、氧化及发生聚合反应等物理和化学作用，使轻质组分迅速减少，沥青质含量增加，沥青黏度增大，导致沥青劲度增大，沥青变硬、脆性增强、弹性变形能力减弱，从而降低混合料的低温抗裂能力，而且拌和温度升高会加剧沥青轻质组分的挥发速率和反应速率，从而加快、加重混合料的老化。

根据《民用机场沥青道面施工技术规范》要求，按最高标准不小于3000 με控制，采用线性内插法预估SMA-13的仓储时间为不大于10.7h（180℃）、不大于8.6 h（190℃）、不大于4.3 h（200℃）。

2.4 水稳定性

不同仓储时间下SMA-13浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验结果如图4和图5所示。

图4 残留稳定度与时间关系图Fig.4 Relationship between residual stability and time

图5 TSR与时间关系图Fig.5 Relationship between TSR and time

由图4和图5可知，拌和温度相同时，混合料的残留稳定度和TSR均随仓储时间延长而下降，在前8 h内，混合料的残留稳定度和TSR变化不大，但8 h后，混合料的残留稳定度和TSR降幅明显增大；说明混合料在仓储8 h后，水稳定性衰减出现转折点，混合料的老化速率加快，现场仓储时要注意控制时间，尤其是高温储存时间。仓储时间相同时，随拌和温度升高混合料残留稳定度和TSR总体呈下降趋势。比较SMA-13的水稳定性试验结果可知，混合料TSR的衰减程度大于残留稳定度，因为冻融试验条件相比浸水试验条件更加严苛，先冻后融对马歇尔试件的损伤更大，水分子更易进入混合料内部，侵蚀沥青与集料的界面，使集料与沥青发生剥离，故对混合料的破坏更大。

根据《民用机场沥青道面施工技术规范》要求，以残留稳定度作为评价指标时，建议SMA-13的仓储时间为不大于8.4 h（180℃）、不大于8.3 h（190℃）、不大于5.2 h（200℃）；以TSR作为评价指标时，建议仓储时间为不大于7.6 h（180℃）、不大于6.3 h（190℃）、不大于4.7 h（200℃）。

综合仓储过程中混合料温度衰减曲线和路用性能测试结果，结合现场摊铺温度和混合料老化性能选择合理的仓储时间。通过试验段得出SMA-13现场最佳摊铺温度不低于175℃，将175℃代入混合料温度衰减方程可得出不同温度下的极限仓储时间，以SMA-13的摊铺温度、低温和水稳定性作为仓储的控制指标，采用线性内插法可知180℃时建议SMA-13仓储时间为不大于10.7 h（最大弯拉应变）、不大于9.1 h（摊铺温度）、不大于8.4 h（残留稳定度）、不大于7.6 h（TSR）；同理，190℃时建议仓储时间为不大于20.6 h（摊铺温度）、不大于8.6 h（最大弯拉应变）、不大于8.3 h（残留稳定度）、不大于6.3 h（TSR）；200℃时建议仓储时间为不大于35.9 h（摊铺温度）、不大于5.2 h（残留稳定度）、不大于4.7 h（TSR）、不大于4.3 h（最大弯拉应变）。

通常情况下，机场SMA-13混合料中要添加高模量剂、高黏剂等外加剂，根据现场施工经验，混合料出厂温度要略高于《民用机场沥青道面施工技术规范》要求，故推荐SMA-13的拌和温度为180～190℃，以混合料的TSR作为老化性能关键控制指标，建议仓储时间为6.3～7.6 h；对于高寒高海拔的极端环境下，可选择拌和温度大于190℃，此时推荐以混合料TSR和最大弯拉应变双指标来控制仓储时间。

3 结语

依托实体工程，通过分析混合料仓储过程中温度散失规律和老化性能指标，得到结论如下：

1）随着仓储时间延长，SMA-13温度基本呈二次多项式衰减，仓储12 h后，混合料温度衰减范围为8.4～10.9℃，根据温度衰减曲线可预测混合料某一时刻温度值或衰减到某一温度值所需的时间。

2）SMA-13动稳定度随仓储时间延长而增大，动稳定度增长率随拌和温度升高而增加，仓储12 h后的动稳定度均在10000次/mm以上。混合料低温性能随仓储时间延长而降低，随拌和温度升高而降低，仓储12 h后SMA-13低温性能衰减幅度达40%以上。混合料的残留稳定度和TSR均随时间延长而降低，且TSR的衰减程度大于残留稳定度。

3）综合施工现场摊铺温度和混合料老化性能，当SMA-13的拌和温度为180～190℃，推荐以混合料的TSR作为老化性能关键控制指标，其仓储时间为6.3～7.6 h；对高寒高海拔的极端环境下，建议以混合料TSR和最大弯拉应变双指标控制仓储时间。