錢如洋 季學(xué)文 沈菊男 戴偉軍 周 勇 沈 賢

(1.蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000； 2.常州市新北區(qū)市政綠化管理所，江蘇 常州 213002)

1 概述

就地?zé)嵩偕鸀r青混合料技術(shù)由于舊料利用率高，保護(hù)環(huán)境，節(jié)省投資，因而被許多公路管理部門逐漸采用。與傳統(tǒng)的瀝青鋪筑工藝相比，就地?zé)嵩偕梢怨?jié)省約50%的初期建設(shè)費(fèi)和40%的壽命維護(hù)費(fèi)[1]，且再生料的體積指標(biāo)和瀝青PG等級(jí)等都能達(dá)到常規(guī)熱拌瀝青混合料的要求[2]。但是由于設(shè)備及工藝的限制，就地?zé)嵩偕夹g(shù)在我國(guó)起步較晚，在2000年以后才有高校和科研機(jī)構(gòu)逐步深入研究[3]。

在已有的研究成果中，大多集中在混合料中舊料用量、舊瀝青再生、三點(diǎn)彎曲小梁疲勞壽命的研究上，而且許多是建立在輪碾成型基礎(chǔ)上來評(píng)價(jià)[4,5]，李偉聰?shù)萚6]采用CT掃描法和逐層切割法從微觀和宏觀兩個(gè)角度研究了空隙空間分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)基于有效高度比和空隙率變異系數(shù)的評(píng)判結(jié)果表明剪切壓實(shí)成型的試件相比于落錘擊實(shí)、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和輪碾壓實(shí)最均勻、變異性最小?？紤]到動(dòng)態(tài)荷載對(duì)瀝青路面的損傷大多是基于對(duì)瀝青混合料的彎拉作用，宋鑫等[7]研究發(fā)現(xiàn)四點(diǎn)彎曲小梁的梯形彎矩圖相比于三點(diǎn)彎曲小梁的三角形彎矩圖而言，試件中央1/3處彎矩為常量，變形更加均勻，也更加接近于道路受力實(shí)況。張清平等[8]研究了海南地區(qū)的就地?zé)嵩偕鸀r青混合料路用性能，但也只傾向于再生劑與舊料摻量對(duì)其疲勞壽命的提高，對(duì)于疲勞壽命變化規(guī)律并沒有展開研究。

本文以江蘇省常州市新北區(qū)長(zhǎng)江路就地?zé)嵩偕鸀r青混合料為基礎(chǔ)，通過剪切壓實(shí)成型的試件展開四點(diǎn)彎曲小梁疲勞試驗(yàn)。并與廠拌熱再生及新瀝青混合料對(duì)比，研究就地?zé)嵩偕鸀r青混合料疲勞壽命變化規(guī)律。

2 原材料與配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

試驗(yàn)采用SBS改性瀝青，取自江蘇省無錫市鑫路道路材料有限公司，測(cè)試結(jié)果見表1，所用瀝青均符合JTG F40—2004規(guī)范要求。

新料采用的石料為玄武巖，分為4檔，集料1(粒徑10 mm～15 mm)，集料2(粒徑5 mm～10 mm)，集料3(粒徑3 mm～5 mm)，集料4(粒徑0 mm～3 mm)，填料為石灰?guī)r磨成的礦粉，親水系數(shù)0.8，表觀相對(duì)密度2.700 g/cm3，含水量0.4%，均符合規(guī)范要求。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

RAP取自常州市新北區(qū)長(zhǎng)江路就地?zé)嵩偕F(xiàn)場(chǎng)加熱翻松后的行車道上面層，級(jí)配類型為AC-13改性瀝青混合料，利用阿布森法將RAP用三氯乙烯浸泡后萃取，經(jīng)分析計(jì)算舊瀝青含量為4.2%，所得回收瀝青性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 回收瀝青性能技術(shù)指標(biāo)

2.2 混合料配合比設(shè)計(jì)

瀝青的針入度和延度指標(biāo)均不符合要求，根據(jù)RAP篩分結(jié)果，集料也出現(xiàn)了細(xì)化，所以必須根據(jù)RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加相應(yīng)比例的再生劑來改善老化瀝青的物理和力學(xué)性能，同時(shí)增加新料來調(diào)整原路面的級(jí)配。經(jīng)過對(duì)比，擬采用復(fù)拌再生的方式進(jìn)行就地?zé)嵩偕┕?，新料與舊料礦料的添加比例為20%∶80%，復(fù)拌再生劑取自英達(dá)公路再生科技有限公司，添加用量為舊料中瀝青含量的5.0%，復(fù)拌新瀝青添加量為新料的5.3%。同時(shí)，為了進(jìn)一步了解就地?zé)嵩偕鸀r青混合料的疲勞性能，采用其他兩種AC-13瀝青混合料(廠拌熱再生瀝青混合料，舊料礦料和新料的添加比例為30%∶70%，不加再生劑，混合料總瀝青含量4.8%；新AC-13改性瀝青混合料，新料比例100%，混合料總瀝青含量4.8%)進(jìn)行對(duì)比。三種AC-13瀝青混合料的級(jí)配曲線如圖1所示。

采用馬歇爾試件設(shè)計(jì)的方法，測(cè)試三種瀝青混合料的體積指標(biāo)，結(jié)果如表3所示。三種瀝青混合料的體積指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表3 三種瀝青混合料的體積指標(biāo)

3 試驗(yàn)方法

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)瀝青混合料的疲勞性能研究大都基于輪碾成型，在剪切壓實(shí)成型基礎(chǔ)上進(jìn)行的疲勞小梁試驗(yàn)較少。不同于傳統(tǒng)的壓實(shí)方法，剪切壓實(shí)主要通過施加恒定的豎向力和橫向剪切力來壓實(shí)試件，壓實(shí)尺寸為長(zhǎng)450 mm×寬150 mm×高(145～185)mm，試件更大，空隙率更為均勻，整個(gè)試件內(nèi)部差異小于1%，相比于其他壓實(shí)方法，剪切壓實(shí)法可以更為真實(shí)的模擬瀝青混合料施工現(xiàn)場(chǎng)輪子的揉搓和碾壓狀況，整個(gè)瀝青混合料剪切壓實(shí)儀的工作過程如圖2[6]所示。

剪切儀設(shè)備精密，記錄數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，在壓實(shí)過程中豎向垂直壓力一直保持不變，通過施加水平向的推力和拉力使剪切壓實(shí)模具發(fā)生固定角度的剪切變形，且自動(dòng)記錄下試件的高度，毛體積密度，通過預(yù)設(shè)的空隙率指標(biāo)，試驗(yàn)自動(dòng)停止。按照美國(guó)規(guī)范AASHTO T321-03[7]規(guī)范要求，將剪切壓實(shí)儀成型好的試件(如圖3所示)切割成長(zhǎng)(380 mm±5 mm)×寬(63 mm±5 mm)×高(50 mm±5 mm)的小梁(見圖4)，利用IPC公司UTM-130四點(diǎn)小梁設(shè)備進(jìn)行加載，研究就地?zé)嵩偕趬勖兓?guī)律。試驗(yàn)加載波形為半正矢波，加載頻率為10 Hz，溫度為15 ℃～25 ℃，加載方式為三分點(diǎn)并控制應(yīng)變，微應(yīng)變采用為500 με，700 με，900 με，具體小梁加載方式見表4。

表4 試驗(yàn)小梁加載方式及數(shù)量

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)就地?zé)嵩偕鸀r青混合料，廠拌熱再生瀝青混合料，新瀝青混合在15 ℃進(jìn)行四點(diǎn)小梁試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。

表5 三種瀝青混合料15 ℃四點(diǎn)彎曲疲勞壽命試驗(yàn)值

4.1 疲勞壽命方程的建立

許多學(xué)者研究了瀝青混合料彈性模量對(duì)疲勞特性的影響，并用方程式表示出了它們之間的關(guān)系，L.L.史密斯，F(xiàn).N.芬英，G.B.維分別建立了彈性模量E、應(yīng)變?chǔ)苔藕推趬勖麼f之間的關(guān)系[8],如式(1)～式(3)所示。

lgNf=-1.984lgE-3.181lgμε+5.53

(1)

lgNf=-0.87(lgE-3)-3.291(lgμε-6)+15.947

(2)

lgNf=-0.584lgE-3.29lgμε-1.234

(3)

由于再生料的類型和拌合方式的不同，疲勞方程公式修正為:

(4)

其中，A，B，C為相關(guān)系數(shù)；E為瀝青混合料初始彈性模型，試驗(yàn)取第50次循環(huán)所得彈性模量[7]。

利用1stopt統(tǒng)計(jì)分析軟件，采用麥夸特法(Levenberg-Marquardt)迭代，最大迭代次數(shù)10 000，收斂判斷指標(biāo)為1.00E-10，重復(fù)迭代100次，控制迭代數(shù)50次，得到彎曲疲勞壽命方程，如表6所示。

表6 三種瀝青混合料15°四點(diǎn)彎曲疲勞壽命方程

通過對(duì)疲勞壽命、應(yīng)變水平、彈性模量進(jìn)行雙對(duì)數(shù)線性回歸，得到三種瀝青混合料AC-13的疲勞方程如表6所示，其中Nf表示疲勞壽命?；貧w結(jié)果表明：在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，三種瀝青混合料疲勞壽命與應(yīng)變水平、初始彈性模量具有較好的相關(guān)性，且雙對(duì)數(shù)直線走向大致相同。隨著初始彈性模量的提高和應(yīng)變值的增大，疲勞壽命減小。系數(shù)A表明：初始彈性模量值將極大影響就地?zé)嵩偕旌狭系钠趬勖?，?duì)廠拌熱再生混合料影響次之，對(duì)新瀝青混合料的影響較小。系數(shù)B表明：應(yīng)變值大小對(duì)新瀝青混合料的疲勞壽命影響最大，對(duì)就地?zé)嵩偕鸀r青混合料和廠拌熱再生瀝青混合料影響大致相當(dāng)，都較小。因?yàn)榫偷責(zé)嵩偕鸀r青混合料和廠拌熱再生瀝青混合料骨料內(nèi)部、骨料和老化后的瀝青粘結(jié)界面都有一定的疲勞損傷。所以它們的疲勞壽命很大程度上取決于材料的初始損傷程度，用以初始彈性模量體現(xiàn)。而新瀝青混合料無初始損傷，所以它的疲勞壽命主要取決于應(yīng)變值大小。三種瀝青混合料疲勞方程的截距C值逐漸增加，表明抗疲勞性能逐漸增加，新瀝青混合料的抗疲勞性好于前兩者，這和實(shí)際工程情況相契合。

4.2 基于耗散能分析疲勞壽命

能量法是荷蘭殼牌研究所(KSLA)提出來的一種方法，由于粘彈性材料疲勞試驗(yàn)時(shí)其應(yīng)變峰值滯后于應(yīng)力峰值，其應(yīng)力應(yīng)變曲線會(huì)形成滯后環(huán)，積分一個(gè)周期內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變滯后回線，可得累計(jì)耗散能W(kPa)(見圖5)。

無論何種試驗(yàn)溫度與頻率，都可以通過lgW-lgNf來表示疲勞特性，見式(5)[8]。

lgW=mlgNf+lgC

(5)

對(duì)式(5)進(jìn)行變換得到公式：

lgNf=algW+b

(6)

其中，a為累積耗散能敏感性系數(shù)；b為抗疲勞性能因子；Nf為疲勞循環(huán)次數(shù)；W為累計(jì)耗散能，kPa。

采用表6中列出了UTM四點(diǎn)彎曲小梁疲勞試驗(yàn)程序自動(dòng)計(jì)算出來的三種瀝青混合料累積耗散能，利用1stopt統(tǒng)計(jì)分析軟件，代入到式(6)中，得到疲勞壽命方程如表7所示。

每個(gè)荷載循環(huán)的過程中，耗散能主要可以分成兩個(gè)部分，一個(gè)部分是用于瀝青材料黏彈性的延展，該延展性變形會(huì)以熱能的形式表現(xiàn)，另一個(gè)部分的為損傷性的耗散能，這部分的耗散能的產(chǎn)生主要是由于材料發(fā)生損傷性的破壞，包括裂縫以及不可恢復(fù)的塑性形變。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，疲勞壽命與累積耗散能具有較好的相關(guān)性。就地?zé)嵩偕鸀r青混合料的累積耗散能敏感性系數(shù)a較其他兩種混合料大，因?yàn)椴牧掀趽p傷是一個(gè)遞增過程，在初始損傷較大情況下，發(fā)生等值應(yīng)變時(shí)累積疲勞損傷會(huì)更大，故而對(duì)疲勞損傷更為敏感；就地?zé)嵩偕鸀r青混合料抗疲勞性能因子b較其他兩種混合料小，因?yàn)榕f料摻量較大，而舊料對(duì)疲勞作用較敏感，且抗疲勞性能較差，這也與實(shí)際工程相符。

表7 耗散能與疲勞壽命關(guān)系表

5 結(jié)論

1)就地?zé)嵩偕鸀r青混合料的初始疲勞損傷較大，疲勞壽命較低，抗疲勞性能較差。

3)應(yīng)變控制模式下的就地?zé)嵩偕鸀r青混合料與累計(jì)耗散能呈現(xiàn)良好的雙對(duì)數(shù)線性回歸關(guān)系，疲勞壽命修正方程為：lgNf=2.042lgW+1.474 9，R2=0.990。