摘要
为解决现有室内老化模拟方法与实际沥青路面老化梯度和服役温度存在差异的问题,设计了一种基于纯氧加速老化的新型室内长期老化方法,以模拟服役温度范围内沥青混合料的老化行为。通过傅里叶变换红外光谱和动态剪切流变仪研究了沥青混合料老化性能随时间和空间的演变规律。研究结果表明,新方法能有效模拟服役温度范围内压实沥青混合料的老化行为,老化程度接近标准长期老化试验水平。随老化时间和温度的增加,沥青混合料AC‒13和SMA‒13老化程度加重,其中SMA‒13的老化程度仅为AC‒13的1/5。同时,两种混合料的高温性能随之改善,而疲劳寿命下降。随着老化深度的增加,两种混合料的老化指数和高温性能逐渐降低,而疲劳寿命显著增加。在不同老化条件下,SMA‒13表现出更优异的抗老化和抗疲劳性能,尤其在低应变水平下。方差分析表明,老化时间对亚砜基和高温性能的影响显著,但对羰基和疲劳寿命无显著影响;老化温度对老化指数、高温性能和疲劳寿命均无显著影响,而老化深度仅对0.1 kPa下不可恢复蠕变柔量有显著影响,对其余指标无显著影响。
沥青路面在长期服役过程中不可避免地受自然环境和交通荷载的双重作用,导致其性能逐渐劣化,尤其是沥青材料的老化劣化问题。沥青老化过程中,沥青的物化性质发生变化,表现为硬度增加和韧性降低,使得沥青路面在交通荷载作用下更易发生剥落和开裂等病害。沥青路面老化机制较为复杂,受混合料自身因素(如空隙率、级配、有效沥青含量等)和环境因素(如氧气浓度、温度、紫外线、湿度等)的共同影
相较于物理硬化、挥发性成分的损失和紫外线老化等其他老化机制,热氧老化在沥青老化过程中占据主导地
沥青路面实际老化过程极其缓慢,因此在相关研究中,研究人员通常采用不同的室内老化方法来模拟和加速沥青路面老化过程,如延长老化时间、提高老化温度、采用紫外线照射
尽管现有研究对沥青混合料室内长期老化方法进行了广泛探讨,但仍有以下几个方面未得到足够重视。首先,在高温环境下,沥青混合料因受自重作用而导致其内部孔隙率和几何形貌等发生变
基于上述考虑和限制,提出了一种新的沥青混合料室内长期老化方法,旨在更为准确地模拟沥青路面在实际服役期间的老化行为。本文采用傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)测试、多应力蠕变和恢复(multi-stress creep and recovery, MSCR)测试、线性振幅扫描(linear amplitude scanning, LAS)试验,探究了该长期老化方法的可行性,研究了老化时间、老化温度、老化深度、空隙率等因素对沥青性能的影响规律。研究成果不仅为室内研究沥青路面实际老化行为提供了新的思路和依据,也为提高沥青路面耐久性提供了重要的技术支持。
采用茂名石化生产的东海70号沥青,其技术性能见
针入度 (25°C) /0.1 mm | 软化点 / °C | 延度(15 °C) /cm | 闪点 /°C | 密度 (15 °C) /(g⋅c |
---|---|---|---|---|
67 | 48.0 | 126.0 | 292 | 1.032 |
为了模拟沥青路面实际服役时环境条件,在沥青路面服役温度范围内选择了3个温度(35、45和55 °C)作为老化温度。如果在空气条件下进行室内老化,只能通过高压的方式来加速沥青混合料的老化进程,然而,高压会改变试件内部孔隙形貌并诱发微裂

图1 自主设计老化装置
Fig. 1 Self-designed aging device
试验步骤如下:①在容器底部铺设10 cm厚的洁净干燥砂层,模拟沥青路面的基层。②将直径为150 mm的试件置于砂层之上,使试样与圆柱形容器的内壁之间的间隙尽可能均匀一致。③利用注射器将熔化的石蜡注入间隙中,防止气体由此处垂直向下扩散,如

图 2 不同老化阶段的沥青混合料试件
Fig. 2 Compacted asphalt mixtures at different aging stages
为了研究室内长期老化过程中氧气扩散对沥青混合料老化梯度的影响,首先使用钻芯机从直径为150 mm的试件中钻取直径为100 mm的试件,以消除石蜡对150 mm试件外围沥青的影响。然后,将直径为100 mm的试件沿径向均匀切割为3层,每层厚度大约为18 mm,并将每层试件敲碎,并按照规范步骤来抽提和回收老化沥青,如

图3 老化沥青抽提和回收流程及其处理后试件
Fig. 3 Extraction and recovery process of aged asphalt binders and specimens after being treated
基于FTIR试验获得的羰基指数和亚砜基指数,研究了AC‒13和SMA‒13混合料在3种老化温度(35、45和55 °C)下,老化程度随老化时间的变化规律,如

图4 AC‒13和SMA‒13混合料老化指数随老化时间的变化规律
Fig. 4 Aging indexes of AC‒13 and SMA‒13 mixtures versus aging time
采用MSCR试验评价AC‒13和SMA‒13混合料中不同老化状态下沥青的弹性恢复性能与老化时间的关系。由

图5 AC‒13和SMA‒13混合料R值随老化时间的变化规律
Fig. 5 R values of AC‒13 and SMA‒13 mixtures versus aging time

图6 AC‒13和SMA‒13混合料Jnr值随老化时间的变化规律
Fig. 6 Jnr values of AC‒13 and SMA‒13 mixtures changeover aging time
计算了AC‒13和SMA‒13混合料在不同老化状态下的完整性指数(C)和累计损伤强度(D),如

图7 AC‒13和SMA‒13混合料完整性指数(C)和累计损伤(D)随老化时间的变化规律
Fig. 7 Integrity indexes (C) and damage accumulation (D) of AC‒13 and SMA‒13 mixtures versus aging time
为了进一步研究老化时间对AC‒13和SMA‒13混合料疲劳寿命的影响,在0.5%、1.0%、2.5%、5.0%、10.0%、20.0%的应变水平下,分别计算了4种老化状态下AC‒13和SMA‒13混合料的疲劳寿命,结果如

图8 AC‒13和SMA‒13混合料疲劳寿命随老化时间的变化规律
Fig. 8 Fatigue life of AC‒13 and SMA‒13 mixtures versus aging time
基于FTIR试验获得的羰基指数和亚砜基指数,研究了AC‒13和SMA‒13混合料在55 °C老化后的老化程度随深度的变化规律,如

图9 AC‒13和SMA‒13混合料老化指数随老化深度的变化规律
Fig. 9 Aging indexes of AC‒13 and SMA‒13 mixtures versus aging depth
采用R和Jnr来评价AC‒13和SMA‒13混合料中沥青高温性能随老化位置的变化规律,如

图10 AC‒13和SMA‒13混合料R值和Jnr值随老化位置的变化规律
Fig. 10 R and Jnr values of AC‒13 and SMA‒13 mixtures versus aging depth
AC‒13和SMA‒13混合料在不同老化位置处的完整性指数(C)和累计损伤强度(D),如

图11 AC‒13和SMA‒13混合料完整性指数(C)和累计损伤(D)随老化位置的变化规律
Fig. 11 Integrity indexes and damage accumulation of AC‒13 and SMA‒13 mixtures versus aging depth
为了深入研究AC‒13和SMA‒13混合料的疲劳寿命随老化深度的变化规律,对两种混合料在5种应变水平下的疲劳寿命进行计算,如

图12 AC‒13和SMA‒13混合料疲劳寿命随老化深度的变化规律
Fig. 12 Fatigue life of AC‒13 and SMA‒13mixtures versus aging time
采用单因素方差分析(one-way ANOVA)方法,对老化时间、老化温度、老化深度对沥青混合料老化特性的影响进行统计分析,结果汇总于
评价指标 | 老化因素 | 均方和 | F值 | 显著性 |
---|---|---|---|---|
羟基指数 | 温度 |
2.999 0×1 | 0.328 5 | 0.722 8 |
时间 |
1.797 6×1 | 2.488 9 | 0.069 1 | |
位置 |
2.220 1×1 | 0.235 5 | 0.793 1 | |
亚砜基指数 | 温度 |
2.202 9×1 | 1.064 0 | 0.359 1 |
时间 |
6.273 7×1 | 4.454 3 | 0.007 4 | |
位置 |
1.590 7×1 | 0.703 6 | 0.510 4 | |
R0.1 | 温度 | 7.229 9 | 1.999 3 | 0.155 0 |
时间 | 20.015 1 | 15.618 9 | 0 | |
位置 | 9.932 9 | 9.249 4 | 0.052 1 | |
R3.2 | 温度 | 5.975 4 | 1.558 9 | 0.2287 |
时间 | 14.192 2 | 6.046 9 | 0.001 5 | |
位置 | 8.138 6 | 2.729 6 | 0.211 2 | |
Jnr_0.1 | 温度 | 2.527 5 | 3.350 9 | 0.050 1 |
时间 | 4.569 0 | 15.988 5 | 0 | |
位置 | 6.669 6 | 12.632 3 | 0.034 6 | |
Jnr_3.2 | 温度 | 3.059 3 | 1.936 1 | 0.163 8 |
时间 | 9.542 9 | 22.481 5 | 0 | |
位置 | 4.538 4 | 9.154 4 | 0.052 8 | |
疲劳寿命 | 时间 |
1.527 4×1 | 0.480 3 | 0.697 7 |
位置 |
3.834 7×1 | 0.378 7 | 0.687 7 | |
应变水平 |
2.420 6×1 | 3.289 6 | 0.017 4 |
由
提出了一种新的沥青混合料长期老化室内模拟方法,模拟了沥青混合料在服役温度范围内的老化行为,通过FTIR、MSCR和LAS试验研究了老化时间、老化温度、老化深度对沥青老化性能的影响规律。得出以下结论:
(1)提出了一种新型室内长期老化装置及其方法,可在实际路面温度范围内模拟沥青路面的热氧老化过程,并使沥青混合料老化程度接近标准试验条件下的水平。在55 °C条件下对AC‒13和SMA‒13混合料老化28 d,两种混合料的羰基和亚砜基指数可达标准试验条件下指数的89%以上。
(2)AC‒13和SMA‒13混合料的老化程度和高温性能随老化时间及温度的增加而增加,但SMA‒13混合料的老化程度及高温性能变化程度均小于AC‒13混合料,表明SMA‒13混合料的抗老化性能优于AC‒13混合料。
(3)AC‒13和SMA‒13混合料的老化程度和高温性能随试件深度的增加而降低。同一深度位置,SMA‒13混合料的老化程度和高温性能均优于AC‒13混合料,再次验证了SMA‒13混合料的抗老化性能优势。
(4)AC‒13和SMA‒13混合料的疲劳寿命随老化时间的增加而下降,随老化深度的增加而上升,且在低应变水平下疲劳平均下降速率分别为35%和78%,平均增加幅度分别为101.1%和93.4%。同样,SMA‒13混合料的疲劳寿命大于AC‒13混合料。
(5)老化时间对亚砜基和高温性能影响显著,但对羰基含量和疲劳寿命影响不显著。老化温度对老化指数、高温性能和疲劳寿命的影响均不显著。然而,老化深度仅对Jnr_0.1有显著影响,对其他评价指标的影响则不显著。
作者贡献声明
温 永:论文构思与修订,项目资助。
孙丽君:数据处理,论文撰写。
王雪松:试验测试,数据处理。
裴建中:论文审阅,项目资助。
参考文献
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