王明剛， 孫靜

(1.林同棪國際工程咨詢(中國)有限公司， 重慶市 401121； 2.重慶能源職業(yè)學院)

再生瀝青混合料(RAP)是一種循環(huán)利用的資源，應(yīng)用于高等級公路上，最主要的問題是疲勞性能和永久變形。文獻[5]研究表明新加瀝青的標號較高制備的再生混合料試件具有較好的疲勞性能；文獻[6]建立了再生瀝青混合料虛應(yīng)變能釋放率和疲勞壽命的關(guān)系方程，并隨著RAP摻量的增加，其疲勞性能下降；文獻[7]建立了溫拌再生瀝青混合料的疲勞應(yīng)變方程，其疲勞壽命大于普通熱拌瀝青混合料。目前相關(guān)文獻研究再生瀝青混合料的疲勞性能較多，而對再生瀝青混合料的永久變形性能研究報道較少。該文以AC-25型再生瀝青混合料為基礎(chǔ)，通過劈裂強度試驗、間接拉伸試驗和三軸重復荷載試驗對比分析新拌瀝青混合料和再生瀝青混合料的劈裂強度、疲勞性能和永久變形等路用性能，為再生瀝青混合料的應(yīng)用提供指導和參考。

1 試驗準備

1.1 原材料

采用中海 AH-70#瀝青，其技術(shù)性能指標滿足規(guī)范規(guī)定要求。粗集料為堿性石灰?guī)r，細集料為石灰?guī)r石屑。填料采用堿性石灰?guī)r礦粉。其技術(shù)性能指標均滿足規(guī)范規(guī)定要求。

1.2 配合比

設(shè)計新拌AC-25型瀝青混合料和再生AC-25型瀝青混合料，其中再生瀝青混合料摻舊料的量為30%。級配曲線如圖1所示。

通過馬歇爾試驗確定了新拌AC-25型瀝青混合料的最佳油石比為3.9%；通過抽提試驗測得舊瀝青混合料中瀝青含量為4.2%，以90#瀝青作為新加瀝青再生舊瀝青混合料，提升路用性能。根據(jù)式(1)計算得新瀝青比例為0.682。摻加30%舊料的再生瀝青混合料的最佳油石比為4.2%。

lglgηmix=(1-α)lglgηold+αlglgηnew

(1)

式中:ηmix為混合后瀝青60 ℃的黏度(Pa·s)；ηold為舊瀝青60 ℃的黏度(Pa·s)；ηnew為新瀝青60 ℃的黏度(Pa·s)；α為新瀝青比例。

2 力學性能

劈裂強度是評價瀝青混合料力學性能的重要指標，同時也是瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計重要的技術(shù)參數(shù)。

劈裂試驗采用圓柱體試件，旋轉(zhuǎn)壓實法成型，試件直徑101.6 mm、高(40±2) mm。試驗溫度10、20和30 ℃。加載速率50 mm/min。壓條寬度α=12.7 mm。劈裂試驗可以較準確地測量試件的垂直變形yT，但測量試件中部水平變形時存在一定困難，不同試驗條件下的試件水平變形xT、勁度模量按式(2)、(3)計算：

(2)

(3)

式中:yT為垂直變形(mm)；μ為泊松比；P為破壞荷載(N)；h為試件高度(mm)。

劈裂試驗計算公式采用的泊松比如表1所示。

不同溫度下試件的劈裂強度、水平變形、勁度模量分別如圖2～4所示。

圖3 劈裂試驗水平變形

由圖2～4可知：在溫度10、20和30 ℃時，摻加 30%舊料的再生AC-25型瀝青混合料的劈裂強度和勁度模量均較新拌瀝青混合料大，水平變形略低。在溫度10、20和30 ℃時，再生AC-25型瀝青混合料比新拌AC-25型瀝青混合料的劈裂強度分別提高了8.3%、10.9%和18.7%，勁度模量分別提高了25.9%、61.6%和36.2%。該現(xiàn)象主要是由于再生瀝青混合料比新拌瀝青混合料更加硬脆，摻入 30%舊料后使再生混合料的勁度模量增大，故劈裂強度增大、試件變形降低。

圖4 劈裂試驗勁度模量

3 疲勞性能

疲勞破壞是瀝青路面最主要的破壞形式，因此，非常有必要進一步對比分析再生瀝青混合料(RAP)與新拌瀝青混合料的疲勞性能。間接拉伸試驗適用于測定一定溫度和加載頻率條件下瀝青混合料的疲勞性能。該文間接拉伸疲勞試驗所用的設(shè)備為 CRT-NU14 氣動伺服試驗機。

3.1 試驗方案

3.1.1 荷載加載模式

瀝青混合料室內(nèi)疲勞試驗加載模式包括應(yīng)力控制和應(yīng)變控制兩種。研究表明：當基層剛度較大或者路面厚度較小時，瀝青混合料的受力狀態(tài)與應(yīng)變控制模式下相近，反之，與應(yīng)力控制模式下相近。由于該文研究主要針對高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)，面層較厚，故采用應(yīng)力控制模式作為荷載加載模式。

3.1.2 加載波形和加載頻率

研究表明：半正弦波加載波形更接近于路面的實際受力狀態(tài)，且加載頻率越高，材料的疲勞壽命越長。加載頻率為 10 Hz時，試件受力狀態(tài)接近于車輛行駛速度65 km/h。故該文選擇的加載波形為半正弦波，加載頻率為10 Hz。

3.1.3 應(yīng)力水平

應(yīng)力水平是瀝青混合料的疲勞壽命至關(guān)重要的影響因素。隨著應(yīng)力水平的增大，瀝青混合料的疲勞壽命不斷減少。為了更接近路面的實際受力情況，該文選取應(yīng)力比為0.3、0.4、0.5、0.6。

3.1.4 試驗溫度

瀝青混合料是一種典型的黏彈性材料，其力學特性對荷載作用時間和溫度具有較強的依賴性。為了更好地揭示瀝青混合料的疲勞性能，應(yīng)合理選擇試驗溫度。研究表明：15 ℃疲勞試驗?zāi)軌蜉^好地反映瀝青的黏彈塑性。該文試驗溫度為10、20和30 ℃，覆蓋了更寬的路面溫度。

3.2 試驗結(jié)果

摻加 30%舊料的AC-25型再生瀝青混合料與新拌瀝青混合料的疲勞試驗結(jié)果如圖5所示。

(a) 10 ℃

(b) 20 ℃

(c) 30 ℃

選用經(jīng)典的應(yīng)力疲勞方程，如式(4)所示。結(jié)合圖5，建立不同溫度下新拌和再生AC-25型瀝青混合料的疲勞方程，相關(guān)系數(shù)最小值為0.91，從而可以預測不同應(yīng)力、不同溫度情況下的疲勞壽命：

(4)

式中:N為荷載作用次數(shù)(次)；σ0為應(yīng)力(MPa)；K、n為擬合參數(shù)。

由圖5可知:在相同溫度下，新拌AC-25型瀝青混合料的疲勞性能要優(yōu)于再生AC-25型瀝青混合料。

為了更好地分析再生瀝青混合料的疲勞性能，該文同時進行了應(yīng)變疲勞方程的研究。采用經(jīng)典的應(yīng)變疲勞方程如式(5)所示。根據(jù)線彈性理論中的胡克定律可推導出水平方向最大應(yīng)變方程如式(6)所示。

(5)

(6)

式中:ε為水平應(yīng)變；R為截面半徑(mm)。

根據(jù)式(5)計算的水平最大應(yīng)變和試驗得到的疲勞壽命，繪制新拌和再生AC-25型瀝青混合料的應(yīng)變疲勞曲線(圖6)。

(a) 新拌AC-25型瀝青混合料

(b) 再生AC-25型瀝青混合料

由圖6可知:瀝青混合料應(yīng)變疲勞方程消除了溫度的影響，疲勞應(yīng)變方程呈現(xiàn)較高的相關(guān)性，為瀝青路面不同溫度下疲勞壽命預估提供了支撐。

4 永久變形性能

永久變形是瀝青路面最主要的病害之一，嚴重降低路面的服務(wù)質(zhì)量，威脅行車安全。該文通過三軸重復加載試驗分析新拌和再生AC-25型瀝青混合料的永久變形性能。

三軸重復加載試驗采用圓柱體試件，采用旋轉(zhuǎn)壓實儀(SGC)搓揉成型，鉆芯取樣后直徑100 mm，高度150 mm。試驗溫度為60 ℃，圍壓為138 kPa，加載波形為半正弦波，軸向加載頻率為1 Hz，加載時間為0.1 s，荷載間歇時間為0.9 s。試驗之前，采用預應(yīng)力15 kPa進行預壓，取荷載作用次數(shù)為10 000次或永久應(yīng)變?yōu)?%時試驗停止。

在溫度60 ℃時不同偏應(yīng)力下新拌和再生AC-25型瀝青混合料永久應(yīng)變曲線如圖7所示。

圖7 60 ℃時新拌和再生AC-25型瀝青混合料永久應(yīng)變曲線

由圖7可知：新拌和再生瀝青混合料均隨著荷載作用次數(shù)的增多，永久應(yīng)變逐漸增大；相同瀝青混合料在溫度60 ℃下，均隨著應(yīng)力水平的增大，永久應(yīng)變增大；在溫度60 ℃、相同應(yīng)力水平下，再生AC-25瀝青混合料的永久應(yīng)變小于新拌AC-25型瀝青混合料。由此可見，再生瀝青混合料的抗永久變形性能要優(yōu)于新拌瀝青混合料。

重復荷載作用下瀝青混合料黏彈性力學模型，如式(7)所示。

εP,N=σ0P0(1-e-0.2P2N)+σ0P3(1-e-P4N)

(7)

式中:εP,N為永久應(yīng)變；σ0為偏應(yīng)力(MPa)；N為荷載作用次數(shù)(次)；P1、P2、P3、P4為擬合參數(shù)。

采用式(7)對圖7中的試驗數(shù)據(jù)進行擬合，采用1stOpt15軟件進行擬合，可得60 ℃時新拌和再生AC-25型瀝青混合料黏彈性力學模型擬合參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

新拌和再生AC-25型瀝青混合料黏彈性力學模型擬合曲線和實測曲線對比分別如圖8、9所示。

由表2、圖8、9可知：新拌和再生AC-25型瀝青混合料黏彈性力學模型擬合曲線和實測曲線吻合較好，相關(guān)系數(shù)達0.99，該模型能夠精確地表達瀝青混合料永久變形的規(guī)律，可用于瀝青路面永久變形的計算與預估。

表2 瀝青混合料黏彈性力學模型擬合參數(shù)

圖8 新拌AC-25型瀝青混合料黏彈性力學模型擬合

圖9 再生AC-25型瀝青混合料黏彈性力學模型擬合

5 結(jié)論

(1) 在相同溫度時，再生瀝青混合料的劈裂強度和勁度模量均比新拌瀝青混合料要大，水平變形略低。再生AC-25型瀝青混合料比新拌AC-25型瀝青混合料的劈裂強度、勁度模量分別提高了10%～20%和25%～60%。

(2) 依據(jù)間接拉伸疲勞試驗，在溫度10、20和30℃下，新拌AC-25型瀝青混合料的疲勞性能要優(yōu)于再生AC-25型瀝青混合料。建立了新拌和再生AC-25型瀝青混合料的應(yīng)力疲勞方程和應(yīng)變疲勞方程，其擬合相關(guān)系數(shù)R2均大于0.91，相關(guān)性較好。

(3) 在溫度60 ℃、相同應(yīng)力水平下，再生AC-25型瀝青混合料的永久應(yīng)變小于新拌AC-25型瀝青混合料。再生瀝青混合料的抗永久變形性能要優(yōu)于新拌瀝青混合料。

(4) 建立了新拌和再生AC-25型瀝青混合料重復荷載作用下的黏彈性力學模型，相關(guān)系數(shù)達0.99，可為再生瀝青混合料路面永久變形預估提供參考。