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        熱拌及溫拌再生SMA瀝青混合料疲勞性能分析

        2015-11-28 08:40:54石越峰徐世法
        建筑材料學(xué)報 2015年6期
        關(guān)鍵詞:溫拌劑溫拌瀝青

        季 節(jié),索 智,石越峰,許 鷹,徐世法,奚 進(jìn)

        (北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院,北京 100044)

        疲勞開裂是瀝青路面主要的破壞模式之一,當(dāng)路面在重復(fù)荷載作用下達(dá)到一定次數(shù)后,就會產(chǎn)生疲勞開裂[1].目前,國內(nèi)外對瀝青混合料疲勞性能的研究方法大致分為現(xiàn)象學(xué)法、力學(xué)近似法和耗散能法3類,但這3類方法很難對瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行統(tǒng)一的預(yù)測.瀝青混合料疲勞性能的試驗(yàn)方法很多,如檢測實(shí)際瀝青路面在真實(shí)汽車荷載作用下的疲勞性能、用足尺路面結(jié)構(gòu)模擬汽車荷載作用下的疲勞性能、室內(nèi)小型材料試件的疲勞試驗(yàn)等,每種方法均有各自的優(yōu)、缺點(diǎn).SHRP通過對不同試驗(yàn)方法的優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行比較,認(rèn)為小梁彎曲疲勞試驗(yàn)最能代表路面實(shí)際受力狀況,是瀝青混合料疲勞性能試驗(yàn)的首選方法[2].JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》也規(guī)定瀝青混合料的疲勞性能應(yīng)采用四點(diǎn)梁彎曲疲勞試驗(yàn).

        從20世紀(jì)70年代開始,Monismith,van Dijk,Pronk等[2-4]就分別采用耗散能法分析了瀝青混合料的疲勞特性.李闖[5]采用耗散能法和四點(diǎn)梁彎曲疲勞試驗(yàn)分析了瀝青混合料在不同荷載頻率下的疲勞性能.張婧娜、唐雪松等[6-7]以耗散能法為基礎(chǔ),提出了瀝青混合料疲勞性能的能量方程,并用損傷力學(xué)法分析了裂縫的形成和擴(kuò)展.楊麗英等[8]對AC-20溫拌再生瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行了四點(diǎn)梁彎曲疲勞試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)該瀝青混合料的疲勞性能不及熱拌瀝青混合料.陳靜云等[9]對表面活性類溫拌再生SMA 瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)其具有一定的抗疲勞性能.

        綜上可見,對于普通瀝青混合料,國內(nèi)外學(xué)者早已采用耗散能法和四點(diǎn)梁彎曲疲勞試驗(yàn)對其疲勞性能進(jìn)行研究,但對于近年來興起的熱拌再生瀝青混合料(hot recycled asphalt mixture,簡稱HRAM)或溫拌再生瀝青混合料(warm recycled asphalt mixture,簡稱WRAM),雖然已有采用四點(diǎn)梁彎曲疲勞試驗(yàn)對其疲勞性能進(jìn)行的研究,但采用耗散能法的試驗(yàn)卻相對較少.

        本文試圖采用耗散能法和四點(diǎn)梁彎曲疲勞試驗(yàn)來分析熱拌及溫拌再生SMA 瀝青混合料的疲勞性能.

        1 材料性能

        1.1 RAP

        采用的RAP來自京沈高速公路北京段的上面層,混合料類型為SMA-13.由于RAP經(jīng)過銑刨,級配已經(jīng)發(fā)生較大改變,根據(jù)JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定,本文以4.75,9.5,16 mm 為界限,將RAP 破碎成0~5,5~10,10~16mm 三檔,去除16mm 以上超粒徑的RAP.對三檔RAP分別進(jìn)行抽提試驗(yàn),并測試其級配、密度及回收瀝青性能.

        1.2 新材料

        礦料為礦粉、0~3 mm 石灰?guī)r、5~10,10~15mm玄武巖,瀝青采用SBS改性瀝青.

        2 HRAM,WRAM 設(shè)計

        2.1 HRAM 設(shè)計

        首先,按照廠拌熱再生設(shè)計方法設(shè)計摻RAP(質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%,20%,30%)的3種HRAM,混合料類型仍為SMA-13,3種HRAM 的級配見表1.其次,在這3種混合料中添加木質(zhì)纖維,其添加量為混合料質(zhì)量的0.3%.

        表1 3種HRAM 的級配Table 1 Gradations(by mass)of three HRAMs %

        分別測試3種HRAM 的物理、力學(xué)性能,確定其最佳瀝青用量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為6.8%,6.0%,5.7%.

        2.2 WRAM 設(shè)計

        基于上述3 種級配和最佳瀝青用量,分別在HRAM 中加入瀝青總質(zhì)量3%的Sasobit溫拌劑(德國Sasol-Wax公司產(chǎn)品)來設(shè)計WRAM.

        2.3 HRAM 和WRAM 的制備

        按照HRAM 的制備工藝制備WRAM,其中新礦料的加熱及拌和溫度比HRAM 的新礦料加熱及拌和溫度低30℃以上,分別為155℃和145℃,并采用干拌法(DP)和濕拌法(WP)兩種拌和工藝進(jìn)行制備.

        3 HRAM 和WRAM 的疲勞性能

        3.1 疲勞試驗(yàn)條件

        HRAM 和 WRAM 的疲勞試驗(yàn)按照J(rèn)TG E20—2011 規(guī)程進(jìn)行,試件尺寸為380.0mm×63.5mm×50.0mm.試驗(yàn)設(shè)備為澳大利亞生產(chǎn)的UTM,采用應(yīng)變控制模式,應(yīng)變分別為750×10-6,950×10-6,1 150×10-6,偏正弦波連續(xù)加載,頻率10Hz.

        3.2 HRAM 和WRAM 的疲勞性能分析

        HRAM 和WRAM 四點(diǎn)梁彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表2,其中N 為疲勞次數(shù),CDE為累積耗散能.

        表2 HRAM 和WRAM 的疲勞壽命及累積耗散能Table 2 Fatigue life and cumulative dissipated energy(CDE)of HRAM and WRAM

        由表2可見:

        (1)摻0%,20%,30% RAP 的 HRAM 和WRAM,其疲勞壽命與累積耗散能在雙對數(shù)坐標(biāo)下具有良好的線性關(guān)系,這種線性關(guān)系不隨RAP 摻量、拌和工藝的變化而改變.

        (2)基于HRAM 和WRAM 的疲勞壽命與累積耗散能之間良好的線性關(guān)系,完全可用HRAM 和WRAM 累積耗散能來表征疲勞性能,即HRAM 和WRAM 的累積耗散能越大,其疲勞性能越好.

        HRAM 和WRAM 的累積耗散能隨應(yīng)變變化曲線如圖1,2所示.

        圖1 HRAM 和WRAM 的累積耗散能隨應(yīng)變變化曲線Fig.1 Cumulative dissipated energies of HRAM and WRAM over strain

        由圖1,2可以看出:

        圖2 HRAM 和WRAM 的累積耗散能隨混合料類型變化曲線Fig.2 Cumulative dissipated energies of HRAM and WRAM over type of asphalt mixture

        (1)HRAM 和WRAM 的疲勞性能隨應(yīng)變增加而降低.當(dāng)應(yīng)變在低水平時,HRAM,WRAM 的累積耗散能與RAP 摻量的相關(guān)性較為明顯,即HRAM,WRAM 的累積耗散能隨RAP摻量的增加而顯著下降,相對而言,HRAM 的累積耗散能對RAP摻量變化更為敏感,其累積耗散能隨RAP摻量增加顯著下降.當(dāng)應(yīng)變在高水平時,HRAM,WRAM的累積耗散能與RAP 摻量之間的相關(guān)性不大,即HRAM,WRAM 的累積耗散能隨RAP摻量增加緩慢下降.

        (2)在同一應(yīng)變和RAP摻量下,HRAM 的累積耗散能大于WRAM 的累積耗散能.當(dāng)RAP摻量為0%時,HRAM 的累積耗散能明顯大于WRAM 的累積耗散能,而當(dāng)RAP 摻量為30%時,HRAM 的累積耗散能與WRAM 的累積耗散能相差不大,這說明Sasobit溫拌劑的加入,雖然對再生瀝青混合料本身的疲勞性能產(chǎn)生了不利影響,但這種負(fù)面作用會隨著RAP摻量的提高而逐漸減弱,即Sasobit溫拌劑的加入可減緩再生瀝青混合料中由于RAP 摻量增加帶來的混合料疲勞性能的下降.

        (3)對于同一應(yīng)變和RAP 摻量下的WRAM,拌和工藝對其累積耗散能有一定的影響,相對而言,采用DP法的WRAM 累積耗散能更高.這是因?yàn)榧尤氲腟asobit溫拌劑高溫熔融后在瀝青-礦料界面形成保護(hù)層,從而增加瀝青混合料的疲勞性能.

        4 結(jié)論

        (1)摻0%,20%,30%RAP的HRAM 和WRAM,其疲勞壽命與累積耗散能在雙對數(shù)坐標(biāo)下,具有良好的線性關(guān)系,因此,可用HRAM 和WRAM 的累積耗散能來表征其疲勞性能.

        (2)摻入RAP對HRAM 和WRAM 的疲勞性能影響較大,RAP摻量越高,HRAM 和WRAM 的疲勞性能越差.

        (3)從HRAM 和WRAM 累積耗散能的大小可知,加入Sasobit溫拌劑的溫拌技術(shù)對再生瀝青混合料的疲勞性能有一定的負(fù)面作用,即Sasobit溫拌劑可減緩再生瀝青混合料中由于RAP 摻量增加而帶來的混合料疲勞性能的下降.

        (4)拌和工藝對WRAM 的疲勞性能有一定的影響,相對而言,采用DP法的WRAM 其疲勞性能更好.

        [1]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001:131-147.SHEN Jin'an.The performances of asphalt and asphalt mixture[M].Beijing:Renming Communication Press,2001:131-147.(in Chinese)

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        [8]楊麗英,譚憶秋,董雨明,等.溫拌再生瀝青混合料的疲勞性能[J].公路交通科技,2012,29(10):7-11.YANG Liying,TAN Yiqiu,DONG Yuming,et al.Fatigue performance of warm recycled asphalt mixture[J].Journal of Highway and Transportation Research,2012,29(10):7-11.(in Chinese)

        [9]陳靜云,馬強(qiáng).溫拌再生改性瀝青SMA 混合料性能研究[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,28(2):286-291.CHEN Jingyun,MA Qiang.Research on the performance of warm recycled SMA asphalt mixture[J].Journal of Shenyang Jianzhu University:Natural Science,2012,28(2):286-291.(in Chinese)

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