劉愛國

（內(nèi)蒙古路橋集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

1 引言

近年來，乳化瀝青冷再生技術(shù)在瀝青路面的養(yǎng)護(hù)維修、升級改造中得到了廣泛應(yīng)用[1]。乳化瀝青冷再生混合料具有施工方便、成本低廉和環(huán)境友好等特點(diǎn)，因此使用該混合料對柔性路面進(jìn)行修復(fù)已成為一種普遍現(xiàn)象[2]。乳化瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量，可以綜合考慮溫度和荷載作用時(shí)間對材料性質(zhì)的影響，從而可以更好地模擬瀝青混合料在路面結(jié)構(gòu)中的實(shí)際力學(xué)行為。目前采用動(dòng)態(tài)模量的路面結(jié)構(gòu)分析方法中，絕大多數(shù)采用室內(nèi)單軸動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)進(jìn)行模擬，而在實(shí)際的路面結(jié)構(gòu)中瀝青混合料承受復(fù)雜的三維應(yīng)力狀態(tài)，為更好地模擬瀝青混合料的現(xiàn)場行為，需要了解圍壓對瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的影響[3]。

國內(nèi)外學(xué)者對乳化瀝青冷再生混合料性能進(jìn)行了相關(guān)研究。Fu P等[4]認(rèn)為，乳化瀝青冷再生混合料是一種粘結(jié)性較差的材料，但具有顯著的應(yīng)力依賴性。Leandri P 等[5]發(fā)現(xiàn)乳化瀝青冷再生混合料的熱敏感性和時(shí)間依賴性都低于普通熱拌瀝青混合料。Bocci M 等[6]發(fā)現(xiàn)，乳化瀝青冷再生混合料在高溫低模量和低溫高模量情況下具有顯著的溫度敏感性。有研究表明，乳化瀝青冷再生混合料難以承受高應(yīng)變，且與普通熱拌瀝青混合料相比，疲勞壽命較低。然而，Gao L等[7]的研究發(fā)現(xiàn)乳化瀝青冷再生混合料在小應(yīng)力水平下比普通熱拌瀝青混合料有更長的疲勞壽命。Semmaterials T等[8]基于乳化瀝青冷再生混合料的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，并利用MEPDG模型預(yù)測了乳化瀝青全深度冷再生路面的抗高溫變形、低溫開裂與抗疲勞裂縫性能。Cross S A等[9]分析了乳化瀝青冷再生混合料的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果，基于MEPDG預(yù)測乳化瀝青冷再生路面性能，試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測結(jié)果具有較好的一致性。Kim Y等[10，11]基于動(dòng)態(tài)模量的測試結(jié)果，分別對發(fā)泡瀝青冷再生混合料和乳化瀝青冷再生混合料的性能進(jìn)行了評估，結(jié)果顯示動(dòng)態(tài)模量測試與重復(fù)載荷測試對冷再生瀝青混合料高溫性能評價(jià)是一致的。

綜上，結(jié)合國內(nèi)外乳化瀝青冷再生混合料性能的研究現(xiàn)狀，開展乳化瀝青冷再生混合料在動(dòng)態(tài)荷載作用下的變化規(guī)律尤其是圍壓下的力學(xué)特性的研究具有重要的意義，是未來路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要發(fā)展趨勢。

2 原材料及方法

2.1 原材料

乳化瀝青冷再生采用的廢舊料摻量為100%，無新礦料的添加。廢舊瀝青混合料來自呼和浩特市某建筑項(xiàng)目。檢測得到廢舊瀝青混合料中的瀝青含量為4.1%，抽提回收后的廢舊瀝青各項(xiàng)基本指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》[12]要求，具體見表1。

表1 舊瀝青混合料抽提回收的老化瀝青基本性能

乳化瀝青采用陽離子緩凝乳化瀝青，性能指標(biāo)見表2。水泥使用PO42.5 普通硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)見表3。上述各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》要求[12]。乳化瀝青冷再生混合料中需添加預(yù)混水，預(yù)混水在壓實(shí)過程中起到潤滑混合料和加速水泥水化反應(yīng)的作用。

表2 乳化瀝青基本性能

表3 PO42.5普通硅酸鹽水泥基本性能

本研究的主要目的是通過室內(nèi)試驗(yàn)評估不同的圍壓對乳化瀝青冷再生混合料線性粘彈性的影響。乳化瀝青冷再生混合料的各個(gè)材料組成是由該項(xiàng)目直接提供，具體見表4。

表4 乳化瀝青冷再生混合料的各個(gè)材料組成比例

2.2 試驗(yàn)試樣準(zhǔn)備

首先采用攪拌機(jī)將舊料、預(yù)混水、水泥和乳化瀝青拌合均勻。之后采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀將松散的混合料壓實(shí)成直徑為150mm、高度為180mm 的圓柱形試樣。混合料在室溫下進(jìn)行拌和和壓實(shí)。壓實(shí)后在室溫下養(yǎng)護(hù)12h，然后置于60°C 烘箱中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)48h，之后冷卻到室溫以備進(jìn)一步處理。將養(yǎng)護(hù)好的試樣經(jīng)取芯、切割后得到直徑100mm、高150mm的動(dòng)態(tài)模量測試標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣。

2.3 測試方法及原理

乳化瀝青冷再生混合料的線性粘彈性特性可用動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)來研究，本文選用AASHTO TP 79-10 規(guī)定的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)方法進(jìn)行測試[13]，測試儀器為動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)（DTS）。同時(shí)為更好地模擬瀝青混合料實(shí)際受力情況，在傳統(tǒng)單軸動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上增加了三個(gè)圍壓（0kPa、100kPa和206kPa），進(jìn)行了三軸動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)。

乳化瀝青冷再生混合料在不同溫度和加載頻率下的勁度可通過主曲線來描述。根據(jù)時(shí)間-溫度等效原理，可獲得任意參考溫度下的主曲線。采用廣義Sigmoidal數(shù)學(xué)模型來構(gòu)建主曲線，數(shù)學(xué)模型的函數(shù)形式見式（1），模型中縮減頻率的計(jì)算公式見式（2），移位因子的函數(shù)形式見式（3），相位角主曲線的計(jì)算表達(dá)式根據(jù)廣義Sigmoidal 動(dòng)態(tài)模量模型和K-K 關(guān)系來獲得，最終相位角主曲線的表達(dá)式見式（4），模型參數(shù)可采用Matlab 的非線性最優(yōu)化工具箱來獲得。

式中，10δ為動(dòng)態(tài)模量的最小值，MPa；10δ＋α為動(dòng)態(tài)模量的最大值，MPa；β、γ、λ為動(dòng)態(tài)模量主曲線的形狀參數(shù)；為相對參考溫度的縮減頻率，Hz。

式中，C1、C2為相對參考溫度的移位因子擬合參數(shù)；T、Tr分別為試驗(yàn)溫度和參考溫度，℃。

松弛和蠕變性能也是評價(jià)乳化瀝青冷再生混合料應(yīng)力松弛能力和抗變形能力的重要指標(biāo)，本文通過動(dòng)態(tài)模量的測試結(jié)果，進(jìn)一步求出松弛模量和蠕變?nèi)崃?，進(jìn)而評價(jià)乳化瀝青冷再生混合料的松弛能力和抗變形能力。其中，松弛模量由式（5）計(jì)算獲得，蠕變?nèi)崃坑墒剑?）計(jì)算獲得。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為研究圍壓在全頻域范圍對乳化瀝青冷再生混合料的動(dòng)態(tài)模量及相位角的影響，有必要對不同圍壓下的動(dòng)態(tài)模量及相位角主曲線展開研究。這里采用非對稱的廣義Sigmoidal模型來描述再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量主曲線，基于近似K-K關(guān)系構(gòu)造基于廣義Sigmoidal模型的“鐘形”相位角主曲線，其中廣義Sigmoidal 主曲線模型及“鐘形”相位角主曲線模型的表達(dá)式分別見式（2）和式（4），相位角主曲線的推導(dǎo)過程可直接參考Zhang[14]的結(jié)果。按照最小二乘法即可求出式（1）中廣義Sigmoidal的五個(gè)參數(shù)并同時(shí)獲得WLF公式的移位因子參數(shù)C1和C2。乳化瀝青冷再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量主曲線的模型參數(shù)、相位角主曲線的模型參數(shù)及WLF公式的移位因子參數(shù)結(jié)果見表5。

表5 動(dòng)態(tài)模量及相位角主曲線的參數(shù)結(jié)果

3.1 圍壓對乳化瀝青冷再生混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線的影響

根據(jù)不同圍壓下乳化瀝青冷再生混合料動(dòng)態(tài)模量，以及表5中動(dòng)態(tài)模量主曲線參數(shù)可得動(dòng)態(tài)模量主曲線，具體如圖1所示。

圖1 不同圍壓下乳化瀝青冷再生混合料的動(dòng)態(tài)模量主曲線

由圖1 可知，當(dāng)圍壓恒定且縮減頻率較小時(shí)，混合料的動(dòng)態(tài)模量趨于一個(gè)較小的穩(wěn)定值；當(dāng)縮減頻率較大時(shí)，混合料的動(dòng)態(tài)模量趨于一個(gè)較大的穩(wěn)定值；當(dāng)縮減頻率適中時(shí)，混合料的動(dòng)態(tài)模量體現(xiàn)出強(qiáng)烈的縮減頻率依賴性，在雙對數(shù)坐標(biāo)系中二者近似呈線性關(guān)系。也就是說隨縮減頻率的增加，混合料的動(dòng)態(tài)模量主曲線呈S形。這是由于當(dāng)縮減頻率較高時(shí)，乳化瀝青冷再生混合料體現(xiàn)較好的彈性性能，因此表現(xiàn)出較大的模量和較低的頻率依賴性；當(dāng)縮減頻率較低時(shí)，混合料體現(xiàn)較好的粘性性能，因此表現(xiàn)出較小的模量和較低的頻率依賴性；只有當(dāng)縮減頻率適中時(shí)，混合料體現(xiàn)較好的粘彈性能，因此動(dòng)態(tài)模量表現(xiàn)出強(qiáng)烈的縮減頻率依賴性。比較不同圍壓下的乳化瀝青冷再生混合料的動(dòng)態(tài)模量主曲線發(fā)現(xiàn)，隨圍壓的增大，混合料的動(dòng)態(tài)模量主曲線在較低的縮減頻率范圍向上移動(dòng)，這也體現(xiàn)為動(dòng)態(tài)模量主曲線的參數(shù)δ隨圍壓的增加而增加；而在較高的縮減頻率范圍并無明顯變化，這也體現(xiàn)為動(dòng)態(tài)模量主曲線的參數(shù)（δ+α）隨圍壓的增加并無明顯變化；參數(shù)γ 的絕對值隨圍壓的增加呈減小的趨勢，這是由于參數(shù)γ決定了主曲線在轉(zhuǎn)變點(diǎn)的斜率，圍壓增加主曲線的下漸近線向上移動(dòng)（即δ 增加）而上漸近線并無明顯變化（即δ+α幾乎不變），從而導(dǎo)致主曲線在轉(zhuǎn)變點(diǎn)的斜率變?。处?的絕對值減?。?；參數(shù)λ 均大于1說明再生瀝青混合料的主曲線形狀是非對稱的，隨圍壓增加主曲線的非對稱變得更加顯著。綜上可知，圍壓對混合料動(dòng)態(tài)模量的影響依賴于縮減頻率，當(dāng)在較低的縮減頻率范圍時(shí)圍壓對混合料動(dòng)態(tài)模量具有顯著的影響，反之在較高的縮減頻率范圍時(shí)圍壓對混合料動(dòng)態(tài)模量并無顯著的影響。

3.2 圍壓對乳化瀝青冷再生混合料相位角主曲線的影響

根據(jù)不同圍壓下乳化瀝青冷再生混合料相位角，以及表5 中動(dòng)態(tài)模量主曲線參數(shù)可得相位角主曲線如圖2所示。

圖2 不同圍壓下乳化瀝青冷再生混合料的相位角主曲線

由圖2 可知，當(dāng)圍壓恒定且縮減頻率較小時(shí)，混合料的相位角趨于一個(gè)較小的穩(wěn)定值；當(dāng)縮減頻率較大時(shí)，混合料的相位角也趨于一個(gè)較小的穩(wěn)定值；當(dāng)縮減頻率適中時(shí)，混合料的相位角體現(xiàn)出強(qiáng)烈的縮減頻率依賴性。在半對數(shù)坐標(biāo)下隨縮減頻率的增加，乳化瀝青冷再生混合料的相位角主曲線呈鐘形。這是由于當(dāng)縮減頻率較高時(shí)，混合料體現(xiàn)較好的彈性性能，因此表現(xiàn)出較小的相位角和較低的頻率依賴性；當(dāng)縮減頻率較低時(shí)，盡管混合料一定程度上表現(xiàn)出粘性性能，但此時(shí)集料也會(huì)影響混合料的相位角，縮減頻率越小集料的影響效果越顯著，因此混合料依然表現(xiàn)出較小的相位角和較低的頻率依賴性；只有當(dāng)縮減頻率適中時(shí)，混合料體現(xiàn)較好的粘彈性性能，因此相位角表現(xiàn)出強(qiáng)烈的縮減頻率依賴性。比較不同圍壓下的乳化瀝青冷再生混合料的相位角主曲線發(fā)現(xiàn)，隨圍壓的增大，混合料的相位角主曲線在較低的縮減頻率范圍略有向上移動(dòng)，在較高的縮減頻率范圍并無明顯變化，在適當(dāng)?shù)念l率范圍呈現(xiàn)出顯著的降低趨勢。說明圍壓對混合料相位角的影響依賴于縮減頻率，較低的縮減頻率范圍，圍壓對混合料相位角具有明顯的影響，反之較高的縮減頻率范圍，圍壓對混合料相位角也無明顯的影響，只有在適當(dāng)?shù)念l率范圍，圍壓的增加會(huì)顯著降低混合料的相位角。文中的相位角主曲線是按照動(dòng)態(tài)模量與相位角之間的K-K 從動(dòng)態(tài)模量主曲線的模型來獲得，因此采用動(dòng)態(tài)模量主曲線的五個(gè)模型參數(shù)δ、α、β、γ、λ即可準(zhǔn)確描述相位角主曲線，鑒于采用這種方法表示的相位角主曲線的形狀參數(shù)較為復(fù)雜，且與動(dòng)態(tài)模量主曲線的五個(gè)模型參數(shù)難以建立直接的對應(yīng)關(guān)系，這里不在進(jìn)一步研究。由動(dòng)態(tài)模量主曲線及相位角主曲線的變化規(guī)律可知，當(dāng)圍壓超過138kPa 主曲線的變化不再顯著，因此設(shè)計(jì)使用時(shí)圍壓推薦采用138kPa。

3.3 圍壓對乳化瀝青冷再生混合料移位因子的影響

由表5 計(jì)算得到不同圍壓下乳化瀝青冷再生混合料相對于參考溫度Tr為21.2℃時(shí)的移位因子變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 不同圍壓下乳化瀝青冷再生混合料的移位因子

由圖3 中不同圍壓下的乳化瀝青冷再生混合料的對數(shù)移位因子-溫度關(guān)系可知，相同圍壓條件下，隨著溫度的升高，對數(shù)移位因子逐漸降低，參考溫度下的對數(shù)移位因子等于0，低于參考溫度的移位因子大于0，而高于參考溫度的移位因子小于0。相同溫度條件下，除較高溫度下圍壓對移位因子產(chǎn)生輕微影響外，其它溫度下圍壓對移位因子并沒有顯著影響，這也進(jìn)一步表現(xiàn)為不同圍壓下的移位因子參數(shù)C1和C2并無顯著差異，因此可以用單軸試驗(yàn)條件（0kPa）下獲得的移位因子來代替三軸狀態(tài)下的移位因子而不會(huì)引起較大的誤差。

3.4 圍壓對乳化瀝青冷再生混合料松弛模量主曲線的影響

不同圍壓下乳化瀝青冷再生混合料松弛模量主曲線如圖4所示。

圖4 不同圍壓下乳化瀝青冷再生混合料的松弛模量主曲線

由圖4 中不同圍壓下的乳化瀝青冷再生混合料松弛模量主曲線可知，當(dāng)圍壓恒定且松弛時(shí)間較小時(shí)，混合料的松弛模量趨于一個(gè)較大的穩(wěn)定值；當(dāng)松弛時(shí)間較大時(shí)，混合料的松弛模量趨于一個(gè)較小的穩(wěn)定值；當(dāng)松弛時(shí)間適中時(shí)，混合料的動(dòng)態(tài)模量體現(xiàn)出強(qiáng)烈的松弛時(shí)間依賴性。也就是說隨松弛時(shí)間的增加，乳化瀝青冷再生混合料的松弛模量主曲線呈倒S 形。這是由于當(dāng)松弛時(shí)間較大或較小時(shí)，混合料分別趨于粘性和彈性，此時(shí)粘彈性均不顯著，只有在適中松弛時(shí)間范圍，混合料才能體現(xiàn)出良好的粘彈性性能。隨圍壓的增加，較低松弛時(shí)間下的松弛模量也在增大，而較長松弛時(shí)間下的松弛模量變化不大，這說明增加圍壓有助于提高再生瀝青混合料的低溫松弛能力，此時(shí)混合料內(nèi)部的應(yīng)力不容易累積，從而提高乳化瀝青冷再生混合料的低溫性能。

3.5 圍壓對乳化瀝青冷再生混合料蠕變?nèi)崃恐髑€的影響

由圖5 中不同圍壓下的乳化瀝青冷再生混合料蠕變?nèi)崃恐髑€可知，當(dāng)圍壓恒定且延遲時(shí)間較小時(shí)，混合料的蠕變?nèi)崃口呌谝粋€(gè)較小的穩(wěn)定值；當(dāng)延遲時(shí)間較大時(shí)，混合料的蠕變?nèi)崃口呌谝粋€(gè)較大的穩(wěn)定值；當(dāng)延遲時(shí)間適中時(shí)，混合料的蠕變?nèi)崃矿w現(xiàn)出強(qiáng)烈的延遲時(shí)間依賴性。也就是說隨延遲時(shí)間的增加，混合料的蠕變?nèi)崃恐髑€呈S 形。這是由于當(dāng)延遲時(shí)間較大或較小時(shí)，混合料分別趨于粘性和彈性，此時(shí)粘彈性均不顯著，只有在適中延遲時(shí)間范圍，混合料才能體現(xiàn)出良好的粘彈性性能。隨圍壓的增加，較高延遲時(shí)間下的蠕變?nèi)崃侩S之降低，而較短延遲時(shí)間下的蠕變?nèi)崃孔兓淮?，這說明增加圍壓有助于提高混合料的高溫抗變形能力。這是因?yàn)樵诟邷貤l件下，集料對乳化瀝青冷再生混合料的抗變形能力起主導(dǎo)作用，圍壓越大，集料嵌擠越好，乳化瀝青冷再生混合料的高溫性能也越好。

圖5 不同圍壓下乳化瀝青冷再生混合料蠕變?nèi)崃恐髑€

4 結(jié)語

通過不同溫度、不同頻率及不同圍壓下的三軸動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)研究了乳化瀝青冷再生混合料的線性粘彈性，并分析了圍壓對乳化瀝青冷再生混合料動(dòng)態(tài)模量及相位角主曲線的影響，結(jié)論如下：

①隨圍壓增加，動(dòng)態(tài)模量主曲線參數(shù)δ 增大，說明混合料在低頻高溫下的動(dòng)態(tài)模量增大，參數(shù)（δ+α）之和并無明顯變化，說明混合料在高頻低溫下的動(dòng)態(tài)模量并無顯著變化；參數(shù)γ的絕對值減小說明動(dòng)態(tài)模量最大值與最小值之差減小，參數(shù)λ 增大，動(dòng)態(tài)模量主曲線的非對稱特性更加顯著，宏觀上表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)模量主曲線向上移動(dòng)尤其是低頻段的曲線；而相位角主曲線向下移動(dòng)尤其是中間頻域段的曲線。

②不同圍壓條件下的移位因子并無顯著差異，也就是說可用單軸試驗(yàn)條件下獲得的移位因子來代替三軸狀態(tài)下的移位因子而不會(huì)引起較大的誤差，結(jié)合主曲線及移位因子的變化規(guī)律推薦可用138kPa作為設(shè)計(jì)使用時(shí)的圍壓。

③隨圍壓增加松弛模量主曲線在較短的松弛時(shí)間范圍向下移動(dòng)而蠕變?nèi)崃恐髑€在較長的延遲時(shí)間范圍也向下移動(dòng)，這樣的結(jié)果也充分說明增加圍壓有助于提高混合料的低溫松弛能力和高溫抗變形能力，尤其是高溫低頻率條件下。