紫外老化对抗燃油沥青混凝土无损黏弹性能的影响

陈忠华 桑 帆 于晓贺 罗 蓉

(武汉理工大学交通与物流工程学院1) 武汉 430063) (湖北省公路工程技术研究中心2) 武汉 430063) (中南勘察设计院集团有限公司3) 武汉 430073)

0 引 言

停机坪的飞机加航空燃油、车辆的检修、抛锚等都可能造成停机坪的污染,这些污染会造成沥青集料相互分离,进而出现道路损害,影响路面使用寿命[1-2].研究抗燃油沥青混合料的无损线性黏弹性性质可以为后续研究疲劳开裂和永久变形提供参考力学状态[3].

薛羽等[4]进行四种温度下动态模量试验,采用WLF法和二次多项式法建立动态模量主曲线模型,得出动态模量和相位角变化趋势,并表明二次多项式法的预测精度较高.张飞等[5]进行复数模量试验,通过Kramers-Kronig关系构建动态模量和相位角主曲线两种模型,以此分析沥青混合料性质.李惠霞等[6]对AS-16沥青砂进行模拟自然老化过程试验,分为0,97,194,292,388,583 h紫外光照时长,并进行单轴压缩蠕变试验,结果表明:沥青砂黏性比例会随紫外老化时间的增加而变小,材料特性也表现为弹性.虽然国内在沥青混凝土无损粘弹性的研究方面已经取得了很多成果,但对机场道面的沥青混凝土的无损粘弹性研究仍然存在不足.同时在机场沥青混凝土抗紫外老化性能研究方面,也大多未考虑加入抗燃油剂后沥青混凝土的抗紫外老化性能.

文中针对埃塞俄比亚亚的斯亚贝巴BOLE机场改扩建项目中机场沥青道面铺装项目进行配合比设计,确定最佳抗燃油剂掺量,通过马歇尔体积指标确定最佳沥青含量.制作旋转压实试件,进行紫外老化前后的动态模量试验.分析紫外老化前后不同温度、频率下混合料的模量与相位角变化规律,并绘制两者主曲线,分析紫外老化对抗燃油沥青混合料的的无损黏弹性能的影响.

1 试件制备

1.1 矿料级配设计

采用的AC-13型沥青混合料主要用于铺筑机场道面上面层.AC-13混合料合成级配见图1.

图1 AC-13混合料级配合成曲线

1.2 抗燃油剂掺量的确定

计算质量损失比I,并以此评价混合料的抗燃油损失性能.

I=(M0-M1)/M0×100%

(1)

AC-13抗燃油沥青混凝土按照1.1所述的矿料配合比,变换不同含油量与不同PR AK抗燃油剂含量,并按照马歇尔击实75次制作马歇尔试件,试件浸泡在燃油中24 h的重量损失见表1.

表1 AC-13混合料马歇尔试件的抗燃油试验结果

规范要求抗燃油剂掺量需≤2.5%.法国的PR AK抗燃油改性剂占沥青混凝土0.6%时满足抗燃油的规范要求.因此,本文最终选定PR AK抗燃油改性剂掺量占沥青混凝土0.6%.根据AC-13混合料马歇尔击实75次的各项试验结果可以确定最佳沥青含量为5.0%.

1.3 试件制备步骤

将自动拌合仪温度调为170 ℃,将沥青和集料放在拌合仪中,开启拌和仪拌和.结束后放置在烘箱中养生2 h,温度为150 ℃,模拟运输老化;养生结束后利用旋转压实仪,成型高170 mm、直径150 mm的沥青混合料试件;再使用钻芯机钻芯,得到的试件直径为100 mm;钻芯后使用切割锯将试件进行切割,最终得到的试件高度为150 mm、直径为100 mm.最后空隙率还要满足3.9%±0.5%的要求.

2 试验方案

2.1 抗燃油沥青混凝土动态模量试验

使用DTS进行动态模量试验,使用相位角动态模量主曲线分析混合料的无损黏弹性质[7].沥青混合料试件都在4种温度5、20、35、55 ℃,6个频率0.1、0.5、1、5、10、25 Hz下进行试验,温度不同时由低向高进行试验,频率不同时由高向低进行.试件上下各有一个压头,并在压头和试件间放置涂有润滑脂的纸,减小摩擦,保证径向变形自由.每个试件的侧面装有三个轴向位移传感器,使用轴向LVDT来测侧面轴向变形并记录,取平均值作为轴向变形.轴向变形幅度应满足(70～120)×10-6的要求[8-9].

2.2 模拟沥青混凝土自然紫外老化试验方案

项目地区月平均紫外线指数为12,通过换算关系可以得到项目地区的紫外线辐射强度为300 mW/m2.室内紫外线环境箱的紫外线强度设定为50 W/m2,模拟室外一年的紫外线辐射量时(设定平均日照时间为8 h)室内模拟需要的时间为0.73 d,即17.52 h.表2为相应的计算参数.

表2 室内紫外线老化方案计算参数

采用1.3的方法成型试件.试件制备完成后,室内紫外老化试验采用紫外老化箱进行.该环境箱由四个紫外汞灯构成,箱内的抽风系统可以控制环境箱内的温度维持稳定.本次设定的温度在50 ℃以下,紫外老化试验时试件放在旋转盘上,通过转速参数按钮可以控制旋转盘的转速,为了达到稳定均一的老化效果,转速设定为6圈/min.在试验开始前,采用紫外辐射计进行测试紫外老化灯辐射到试件表面的辐射强度.根据试验方案,调整紫外汞灯与试件的距离,最终试件表面的辐射强度达到50 W/m2.

3 试验结果分析

3.1 动态模量试验结果分析

沥青混合料复数模量的模定义为动态模量以此反应强度特性,为

(2)

式中:|E*(ω)|为动态模量,MPa.

复数模量中损失模量E″(ω)与储存模量E′(ω)的比值定义为相位角的正切值.相位角反映,在受到正弦波荷载时,沥青混合料一个周期内应变滞后于应力的程度.

tanφ=E″(ω)/E′(ω)

(3)

式中:φ为相位角,(°).

通过测试可以得到AC-13抗燃油沥青混合料在4种温度、6个频率下试验数据汇总见表3.

表3 AC-13混合料动态模量和相位角测量平均值

由表3可知:在温度和频率不同的情况下,混合料的动态模量处于300～16 000 MPa的范围内,相位角处于10°～30°的范围内.规范中规定,在温度为32℃下面层混合料的模量在1 380 MPa左右.通过试验结果可以得到,在35 ℃下,动态模量都在在900～4 500 MPa,由此可以估计,在32 ℃低频状态下时AC-13抗燃油沥青混合料的模量在1 380 MPa左右.

为预测沥青混合料在更广的频率域和温度域动态模量和相位角的变化规律,利用Kramers-Kronig关系绘制抗燃油沥青混合料动态模量与相位角主曲线.动态模量主曲线采用广义西格摩德模型进行拟合,为

(4)

式中:δ为动态模量最小值,MPa;α为动态模量最大值与最小值之差,MPa;λ、β和γ为动态模量主曲线形状参数;αT动态模量和相位角主曲线移位因子方程.

利用近似Kramers-Kronig关系建立相位角的主曲线模型,即

(5)

(6)

采用WLF方程作为移位因子方程,选取参考温度T0为20 ℃.

lgαT=-C1(t-t0)/[C2+(t-t0)]

(7)

根据动态模量与相位角两者拟合误差之和作为总误差方程,并用Excel求解最小总误差即可获得拟合参数,为

误差=误差∣E*∣+误差=

(8)

得到沥青混合料动态模量主曲线和相位角主曲线见图2.主曲线拟合参数汇总以及拟合优度和误差汇总分别见表4～5.

表4 主曲线拟合参数

表5 主曲线拟合优度及误差

图2 动态模量和相位角主曲线

由图2可知:抗燃油沥青混合料动态模量主曲线与相位角主曲线分别为“S”型曲线形状和抛物线形状.通过分析动态模量主曲线能预测在32 ℃下,频率介于0.1～25 Hz范围内时,动态模量在1 191～5 203 MPa范围内变化,与FAA规范中规定的动态模量为1 380 MPa相符合.

从主曲线拟合参数看,抗燃油沥青混合料的λ值小于1,表明绘制的动态模量主曲线均不关于曲线拐点对称.C1和C2均处于10～102数量级间,满足文献要求,表明此次绘图是准确的.

从拟合误差和精确性上看,抗燃油沥青混合料动态模量的拟合优度均大于0.99,而相位角拟合优度均大于0.97,拟合优度较高.同时动态模量与相位角的拟合误差均小于1.5%,充分反映出绘制的主曲线能够准确体现出抗燃油沥青混合料的无损黏弹性能.

3.2 试验结果分析

按照3.1力学性能测试方法研究紫外老化后沥青混合料的无损黏弹性性质.测试得到紫外老化后AC-13抗燃油沥青混合料在4种温度、6个频率下的的动态模量和相位角数据,汇总见表6.

表6 动态模量和相位角测量平均值

由表6可知:沥青混合料紫外老化后,在不同温度和不同频率下混合料的动态模量处于200～18 000 MPa范围内,相位角处于10°～30°范围内.紫外老化后,模量的范围都在700～4 500 MPa.由此可以预估,在低频条件温度为32 ℃时紫外老化后AC-13抗燃油沥青混合料的模量符合规范要求.

预测动态模量和相位角的变化趋势,结果见图3,拟合结果见表7～8.

表7 主曲线拟合参数

表8 主曲线拟合优度及误差

图3 动态模量和相位角主曲线

从主曲线上看,紫外老化后动态模量主曲线也为“S”型曲线,相位角主曲线为抛物线形状.抗燃油沥青混合料的λ值小于1,这表明绘制的动态模量主曲线均不关于曲线拐点对称.从拟合误差和精确性上看,动态模量拟合优度均大于0.99,而相位角拟合优度均大于0.95,均具有较高的拟合优度.

3.3 无损黏弹性能对比分析

从表3和表6中老化前后动态模量试验数据整体上看,两者差别不大,老化后混合料在低温下的模量有所增加,所有相位角也有所增加,这反映出紫外老化后混合料黏性性质略有增加,而弹性性质略有减小.

此外,从绘制的主曲线结果上看,紫外老化前后主曲线变化不明显.但从表9两者的拟合参数上看,紫外老化后混合料的极值参数δ和α都有所增大,反映出动态模量在极端频率下有所变大,λ、β和γ等动态模量主曲线形状参数变化不大,时温等效因子αT的拟合参数C1和C2也几乎无变化.这些均说明紫外老化对混合料性能影响较为有限,紫外老化后混合料的整体无损黏弹性能差异较小.

表9 主曲线拟合参数对比

4 结 论

1) 依据FAA规范的要求,得出抗燃油沥青混凝土最佳配合比,确定了AC-13沥青混合料的合成级配.并使用规范中方法对混合料的抗燃油性能进行了检测,最终确定了PR AK抗燃油改性剂掺量占沥青混凝土0.6%,同时用马歇尔试验确定AC-13抗燃油沥青混合料的最佳沥青含量为5.0%.

2) 通过动态模量试验评价抗燃油沥青混凝土的无损黏弹性能,动态模量主曲线为“S”形状,相位角主曲线为抛物线形状.通过动态模量主曲线和相位角主曲线的预测结果发现抗燃油沥青混凝土可以满足FAA规范中规定的路面动态模量为1 380 MPa的要求.

3) 对紫外老化前后抗燃油沥青混凝土的无损黏弹性能进行对比分析,发现紫外老化后混合料在低温下的模量有所增加,所有相位角均有一定幅度的增加,这反映出紫外老化后混合料黏性性质略有增加,而弹性性质略有减小,但整体变化量较小,说明紫外老化对抗燃油沥青混凝土的无损黏弹性能的影响较为有限.