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        乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能試驗研究

        2017-12-28 02:46:01張領(lǐng)先
        黑龍江交通科技 2017年11期
        關(guān)鍵詞:乳化壽命試件

        張領(lǐng)先

        (1.貴州省交通建設(shè)工程造價管理站;2.貴州省交通技術(shù)中心,貴州 貴陽 550000)

        乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能試驗研究

        張領(lǐng)先1,2

        (1.貴州省交通建設(shè)工程造價管理站;2.貴州省交通技術(shù)中心,貴州 貴陽 550000)

        乳化瀝青冷再生混合料是一種節(jié)能環(huán)保型瀝青路面材料,瀝青用料較低,施工便捷,同時其力學(xué)強度可達到高速公路基層或下面層的要求。為了詳細探究乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能,主要對乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能試驗過程進行詳細分析,探究再生混合料不同因素對混合料疲勞性能的影響。

        乳化瀝青;疲勞試驗;影響

        1 引 言

        乳化瀝青冷再生技術(shù)指的是將需要返修或廢棄路面進行銑刨、回收、破碎、篩分,并結(jié)合實際情況添加新集料,以乳化瀝青作為結(jié)合料,進行配合比設(shè)計,并重新拌合所形成的再生混合料,能夠有效滿足路用性能要求,適用于各種瀝青路面修筑,已經(jīng)成為主要的道路冷再生技術(shù)之一。因此,對乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能進行試驗研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。

        2 疲勞試驗設(shè)備

        在本次拉伸疲勞試驗研究中,試驗設(shè)備選擇英國CooperResearchTechnology有限公司制造的Cooper疲勞試驗機。在疲勞試驗中,試驗設(shè)備選擇英國CooperResearchTechnology有限公司生產(chǎn)的CooperNU多功能氣動伺服材料試驗系統(tǒng)。在該系統(tǒng)實際應(yīng)用中,其可以通過應(yīng)用壓縮、拉伸及動態(tài)波形等加載形式,加載頻率為0~100 Hz范圍的正弦、半正弦、方波、脈沖方波、正切波等。該系統(tǒng)的試驗內(nèi)容包括拉伸疲勞試驗、動態(tài)蠕變試驗、靜態(tài)蠕變試驗、四點彎曲小梁疲勞試驗等等。

        3 疲勞試驗條件的選擇與確定

        3.1 疲勞試驗應(yīng)力水平確定

        在本次試驗中,路面維修方案為銑刨原路面上面層6 cmAC-16、下面層8 cmAC-20及10 cm水穩(wěn)基層后,鋪設(shè)透層油后及時鋪撒稀漿封層,然后再進行13 cm乳化瀝青廠拌冷再生基層鋪筑施工,并鋪設(shè)一層7 cm廠拌熱再生AC-20C瀝青混合料下面層,最后加鋪新拌4 cmSMA-13改性瀝青混合料上面層。通過BISAR3.0軟件,反算出面層層底拉應(yīng)力為0.15 MPa,在本次疲勞試驗過程中,應(yīng)力水平分別確定為0.3、0.4、0.5。不同類型的乳化瀝青冷再生混合料劈裂強度及相應(yīng)的應(yīng)力水平如表1所示。

        表1 疲勞試驗應(yīng)力水平表(MPa)

        3.2 疲勞試驗加載控制模式確定

        在本次試驗研究中,為了探究乳化瀝青冷再生混合料的疲勞性能,采用控制應(yīng)力荷載方式進行試驗??刂茟?yīng)變試驗又可以被稱為常值應(yīng)變試驗,需要注意的是,在試驗過程中,必須保證在各次加載狀態(tài)下,常量應(yīng)變保持不變。隨著荷載重復(fù)次數(shù)的不斷增加,混合料強度會不斷降低,在這種情況下,作用荷載會逐漸降低,同時應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)試件作用的應(yīng)力下降至初始應(yīng)力的50%時,即可得出疲勞壽命,即荷載重復(fù)作用次數(shù)。

        3.3 疲勞試驗荷載波形和頻率的確定

        進行室內(nèi)的疲勞試驗時,荷載的加載時間按照Vanderpoel的公式來計算

        t=1/2πf

        (1)

        當(dāng)加載頻率為10 Hz時,加載時間為

        t=1/2πf=0.016s

        (2)

        其中,加載時間0.016 s相當(dāng)于在瀝青路面行駛中,車輛的形式速度控制在60~65 km/h之間,如果瀝青路面面層為20 cm,則大致相當(dāng)于在瀝青表面行駛中,行車速度為77 km/h,在我國《公路工程設(shè)計標(biāo)準》中明確規(guī)定,高等級路面的行車速度在60~120 km/h之間,因此,10 Hz的加載頻率比較適宜。

        3.4 疲勞試驗破壞狀態(tài)的判斷

        關(guān)于疲勞破壞的評定,通??紤],在應(yīng)變控制模式下,試件不會產(chǎn)生裂縫問題,因此,可以將疲勞破壞評定標(biāo)準定位試件的勁度模量下降到初始模量的50%;在應(yīng)力控制模式下,試件疲勞破壞評定標(biāo)準為試件發(fā)生斷裂。在本次試驗研究中,劈裂疲勞試驗疲勞壽命的評定標(biāo)準為:在試驗過程中,加載次數(shù)不斷增加,與此同時,試件的垂直變形速度越來越快,在此過程中,疲勞壽命指的是拐點所對應(yīng)的加載次數(shù),如圖1所示。

        圖1 疲勞壽命判斷標(biāo)準

        在本次試驗中,綜合考慮貴州地區(qū)高溫多雨條件,試驗溫度選為5 ℃、15 ℃、20 ℃,在不同溫度條件下進行試驗,詳細探究再生瀝青混合料的疲勞特性。

        4 疲勞壽命方程與性能分析

        4.1 乳化瀝青含量對疲勞壽命的影響

        在進行間接拉伸疲勞試驗過程中,再生瀝青混合料乳化瀝青含量分別為2%、3%和4%,試驗溫度15 ℃,加載頻率為10 Hz,試驗應(yīng)力比控制在0.3~0.5之間。在試驗過程中,如果瀝青含量相同,則隨著應(yīng)力比的不斷增加,再生混合料的疲勞壽命會不斷減小,本文采用單對數(shù)方程進行回歸擬合。

        lgNf=K-nσ

        (3)

        在公式(3)中,σ指的是應(yīng)力水平,式中σ為指的是應(yīng)力水平,系數(shù)n值指的是再生混合料疲勞壽命對施加應(yīng)力的敏感程度,如果n值比較大,則說明疲勞壽命對應(yīng)力水平的敏感程度也比較大,系數(shù)值指的是疲勞曲線的位置,如果值比較大,則曲線越靠向上方,這就說明材料具有良好的抗疲勞性能。

        圖2 不同瀝青含量的疲勞壽命

        對于疲勞方程,采用F進行回歸檢驗,在本次試驗中,在所有再生瀝青混合料疲勞試驗結(jié)果回歸后,均需要應(yīng)用該方程進行檢驗,如圖2所示。

        通過對圖2分析可見,隨著瀝青含量的不斷增加,疲勞曲線之間的間距也會越來越大,而疲勞方程系數(shù)值和n值的降幅逐漸增加,由此可見,再生瀝青混合料的抗疲勞性能逐漸降低,而疲勞壽命對應(yīng)力的敏感程度也在隨之降低。除此以外,通過圖2分析可見,4%的再生混合料以及3%再生瀝青混合料與比2%的乳化瀝青含量混合料相比,疲勞曲線的間距比較小,并且疲勞方程系數(shù)值和n值相差比較小。

        4.2 水泥含量對疲勞壽命的影響

        對再生瀝青混合料水泥含量分別為1%、2%、3%的再生瀝青混合料進行間接拉伸疲勞試驗。將試驗溫度控制在15 ℃,加載頻率為10 Hz,試驗應(yīng)力比在0.3~0.5之間。隨著水泥含量的增加,n不斷減小,在不同的應(yīng)力比下,疲勞壽命變化的劇烈,隨著水泥含量增加,疲勞壽命減小,由此可見,如果水泥含量比較高,則混合料的脆性會比較大,容易產(chǎn)生脆性斷裂。

        4.3 溫度對疲勞壽命的影響

        為了探究溫度對于疲勞壽命的影響,可以采用混合料的勁度進行描述,在一定范圍內(nèi),隨著溫度的不斷下降,瀝青混合料的勁度會不斷增加,在控制應(yīng)力的加載模式下,在承受一定盈利條件下,應(yīng)變逐漸降低,這就會造成疲勞壽命增長;如果對試件采用在控制應(yīng)變模式,則試件為粘彈狀,其所產(chǎn)生的破壞主要為塑性變形,因此,很難判斷試件是否發(fā)生破壞。對此,為了詳細探究溫度因素對于疲勞試驗結(jié)果的影響,對乳化瀝青含量3.7%、水泥含量2%下的再生混合料分別進行5 ℃、15 ℃、20 ℃間接拉伸疲勞試驗。在應(yīng)力控制影響下,隨著溫度的升高,再生混合料的疲勞阻抗會不斷降低,與此同時,疲勞壽命對應(yīng)力水平的敏感程度也有所減弱。

        5 結(jié) 語

        根據(jù)本次試驗,再生混合料壽命對乳化瀝青、水泥均敏感,過多或過少的瀝青和水泥含量都將對疲勞壽命產(chǎn)生較大的影響。水泥含量增加時,再生混合料疲勞壽命降低。綜合考慮,建議水泥不能過高,最好不超過2%。4%乳化瀝青含量比3%在乳化瀝青含量的混合料疲勞壽命大。

        [1] 周源.水泥含量對乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能的影響[J].中外公路,2013,33(1):226-229.

        [2] 汪德才,郝培文,魏新來.乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能及影響因素[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,42(4):541-546.

        [3] 黃磊.水泥乳化瀝青多次冷再生混合料的路用性能研究[J].中外公路,2013,33(5):235-238.

        U416.217

        C

        1008-3383(2017)11-0069-02

        2017-10-17

        張領(lǐng)先(1979-),男,黑龍江人,高級工程師,研究方向:道路工程。

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