孫良鈺， 王盟， 張喜倫， 田朋濤， 馬慶偉， 郭平， 楊法勇

(1.中交二公局東盟工程有限公司，陜西 西安 710005；2.西安公路研究院有限公司，陜西 西安 710065)

近年來，隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的高速發(fā)展，道路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)得到了更多的關(guān)注，公路養(yǎng)護(hù)行業(yè)規(guī)模也隨之?dāng)U大[1]?，F(xiàn)存道路在重載交通反復(fù)作用下出現(xiàn)各種各樣的病害，中國(guó)老舊瀝青路面在維修、重建過程中產(chǎn)生了大量廢舊集料，若未經(jīng)處理隨意丟棄會(huì)造成嚴(yán)重污染，因此廢舊集料回收再生利用技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2-4]。再生瀝青混合料(RAP)的利用指從老舊路面回收的廢舊集料，通過一系列處理后，與再生劑、新瀝青和新集料按照一定的配比混合、拌和形成的混合料[5-7]。目前，在RAP回收利用中，由于其疲勞性能受限，RAP摻量主要控制在15%～25%，從而限制了高摻量RAP瀝青路面熱再生技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用以及推廣[8-9]。在提高RAP摻量的同時(shí)，保證回收舊料再生瀝青路面的疲勞性能顯得尤為重要[10]。

YAN Jinhai[11]等通過對(duì)熱拌再生瀝青混合料的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)RAP摻量更高時(shí)，瀝青混合料的水穩(wěn)定性和抗疲勞性能提升較大；林翔[12]等通過一系列試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響再生瀝青混合料耐久性的眾多因素中，RAP中瀝青的老化程度對(duì)其影響最大，其次是RAP中的瀝青含量，再者是RAP的分級(jí)；姜嚴(yán)旭[13]發(fā)現(xiàn)，再生瀝青混合料通過多次凍融循環(huán)的作用后，其高低溫性能和疲勞性能都有所下降。再生瀝青混合料的耐久性在長(zhǎng)期水、溫循環(huán)的作用下變差；賈立術(shù)[14]等研究發(fā)現(xiàn)，熱再生混合料的低溫抗裂性和抗疲勞開裂性隨著RAP摻量的增加而降低；秦卓文[15]等提出再生瀝青混合料的疲勞性能會(huì)隨著RAP摻量的提高而出現(xiàn)一定程度的降低；Norouzi A[16]研究發(fā)現(xiàn)，路面的抗疲勞性隨著RAP摻量的提高而降低，這可能是由于添加了使瀝青混合料變硬的老化黏結(jié)劑所致；Tomlinson C[17]表明，在一定范圍內(nèi)隨著瀝青混凝土中RAP含量的增加，動(dòng)態(tài)模量和疲勞壽命都會(huì)增加。疲勞壽命與RAP百分比、黏合劑類型、頻率和溫度有很大關(guān)系；Arsenie I M[18]使用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果和有限元建模來描述疲勞行為；Hou T[19]研究發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)化的黏彈性連續(xù)損傷(VECD)模型可以很好地預(yù)測(cè)瀝青混合料疲勞壽命，可以在各種溫度條件和各種應(yīng)變水平下相當(dāng)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)疲勞測(cè)試結(jié)果；Mannan U A[20]對(duì)傳統(tǒng)的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了修改，以便將RAP的影響納入疲勞方程。

為全面描述在較高RAP摻量水平下再生瀝青混合料疲勞性能的變化規(guī)律，預(yù)估再生瀝青混合料的疲勞壽命，為再生瀝青混合料的實(shí)際應(yīng)用提供參考，該文采用間接拉伸試驗(yàn)，將包括RAP摻量和應(yīng)力比在內(nèi)的內(nèi)在因素以及溫度和頻率等外部控制因素作為變量，研究再生瀝青混合料的疲勞性能，通過數(shù)據(jù)分析，建立適合于再生瀝青混合料的疲勞預(yù)估模型。

1 材料及方法

1.1 材料

(1) 瀝青

所用RAP材料來源于道路上面層經(jīng)銑刨而得的舊料，對(duì)RAP中經(jīng)過加熱蒸餾回收得到的舊瀝青進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表1。新添加的70#基質(zhì)瀝青試驗(yàn)指標(biāo)見表2。

表1 回收瀝青和70#瀝青性能指標(biāo)

表2 新瀝青技術(shù)指標(biāo)

(2) 集料

RAP經(jīng)抽提篩分后得到所用集料，表3、4為集料的性能測(cè)試結(jié)果。表5～7為新集料和礦粉的性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果。

表5 新集料與新瀝青密度指標(biāo)

表6 粗集料性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

表7 細(xì)集料性質(zhì)指標(biāo)

1.2 方法

(1) 新舊集料比例及配合比

采用AC-20級(jí)配類型進(jìn)行再生瀝青混合料試驗(yàn)研究。表8為不同摻量RAP的再生瀝青混合料各檔集料配比。

表8 不同摻量RAP下各檔集料配比

(2) 間接拉伸疲勞試驗(yàn)

使用UTM-30試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)，研究瀝青混合料的疲勞壽命。在加載頻率為2、5、10 Hz、應(yīng)力比為0.3～0.6以及試驗(yàn)溫度設(shè)置為5、15、25 ℃的條件下進(jìn)行試驗(yàn)操作，試驗(yàn)儀器如圖1所示。

圖1 UTM-30儀器

(3) 疲勞預(yù)估模型

研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力比C與對(duì)數(shù)疲勞壽命lnNf之間存在較強(qiáng)的線性關(guān)聯(lián)性，將RAP摻量R設(shè)定為不同的摻量時(shí)，加載頻率H也相應(yīng)變化，試驗(yàn)溫度T控制不同，發(fā)現(xiàn)三者對(duì)再生混合料疲勞壽命Nf以及應(yīng)力比C存在一定的影響，這種影響可以對(duì)數(shù)形式呈現(xiàn)，同時(shí)，通過對(duì)Nf和應(yīng)力比C的這種關(guān)系的系數(shù)修正可建立以下形式的疲勞預(yù)估模型：

lnNf=a+blnC

(1)

a=f1(R,H,T)

(2)

b=f2(R,H,T)

(3)

式中：Nf為試件破壞時(shí)的疲勞壽命(次)；C為施加的應(yīng)力比；R為RAP摻量(%)；T為試驗(yàn)溫度(℃)；H為加載頻率(Hz)；a和b分別為三參數(shù)R、T和H的函數(shù)。

2 疲勞性能影響因素分析

2.1 RAP摻量對(duì)疲勞性能的影響

在15 ℃和10 Hz條件下，進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)，不同RAP摻量的再生瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果如表9所示，圖2為對(duì)數(shù)疲勞壽命隨RAP摻量的變化曲線。

表9 混合料在不同RAP摻量下的疲勞壽命(15 ℃)

從圖2中可以看出：RAP摻量在0～30%之間的再生瀝青混合料的對(duì)數(shù)疲勞壽命變化很小。研究表明：低摻量的RAP對(duì)疲勞性能影響很小，RAP摻量增加，影響相關(guān)性變大，圖形的趨勢(shì)逐漸下降，尤其當(dāng)摻量大于30%后，對(duì)數(shù)疲勞壽命下降幅度較大，且隨著越來越多RAP的摻入，對(duì)數(shù)疲勞壽命的下降趨勢(shì)也隨之越來越大，這說明30%的摻量是影響RAP的一個(gè)臨界摻量。造成這種現(xiàn)象的原因主要是，隨著舊瀝青在再生瀝青混合料中比重的增加，新瀝青含量相對(duì)降低，但新舊瀝青無法全部相融，因此再生瀝青混合料的疲勞性能顯著下降。

圖2 不同RAP摻量下的疲勞壽命

2.2 應(yīng)力水平對(duì)疲勞性能的影響

圖3為不同應(yīng)力比時(shí)AC-20混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 不同應(yīng)力比下疲勞壽命曲線

從圖3可以看出：當(dāng)應(yīng)力比為不同值時(shí)，0%摻量和30%摻量RAP的混合物有著幾乎相同的疲勞壽命曲線，說明低摻量RAP對(duì)混合料疲勞壽命影響較小。當(dāng)應(yīng)力水平從0.3增加到0.4且RAP摻量不同時(shí)，各個(gè)水平的混合料疲勞壽命都出現(xiàn)較大的降低，這說明當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，應(yīng)力比對(duì)再生瀝青混合料的疲勞壽命影響較大，對(duì)比0%和60%摻量RAP時(shí)的疲勞壽命曲線發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力水平的變化在RAP摻入后對(duì)疲勞性能有顯著影響，使其比新瀝青混合料更敏感。

2.3 加載頻率對(duì)疲勞性能的影響

圖4為不同加載頻率下的疲勞壽命變化特征。

圖4 不同加載頻率下的疲勞壽命曲線

由圖4可以看出：疲勞壽命與加載頻率呈現(xiàn)出正相關(guān)的趨勢(shì)，加載頻率的降低會(huì)導(dǎo)致疲勞壽命的降低，2 Hz時(shí)，疲勞壽命最小?？刂萍虞d頻率不變，疲勞壽命與應(yīng)力比呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，隨著應(yīng)力比的增加，疲勞壽命減小。當(dāng)應(yīng)力比超過0.4時(shí)，降幅趨于平穩(wěn)。此外，當(dāng)荷載頻率增大到一定范圍時(shí)，其疲勞壽命差值更小。

2.4 試驗(yàn)溫度對(duì)疲勞性能的影響

圖5為不同試驗(yàn)溫度下疲勞壽命變化規(guī)律。

圖5 不同溫度下的疲勞壽命曲線

由圖5可知：在應(yīng)力比相同的情況下，再生瀝青混合料的疲勞壽命受溫度變化的影響較大，當(dāng)應(yīng)力比較小時(shí)，溫度的降低導(dǎo)致了疲勞壽命的較大增長(zhǎng)。主要原因是再生瀝青混合料的勁度會(huì)隨著試驗(yàn)溫度在一定范圍內(nèi)的降低而增大，當(dāng)應(yīng)力條件相同時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)變就變得更小，由此導(dǎo)致疲勞壽命增加。

3 再生瀝青混合料疲勞預(yù)估模型的建立及評(píng)估

3.1 RAP摻量對(duì)疲勞預(yù)估模型參數(shù)影響

在條件為H=10 Hz、T=15 ℃的情況下，疲勞預(yù)估模型中的試驗(yàn)結(jié)果顯示，RAP摻量的變化可以決定疲勞壽命的變化，并且在這種RAP摻量變化下的疲勞壽命，可以用Nf=a·Cb來模擬擬合與應(yīng)力比的關(guān)系，如圖6所示。從圖6可以看出：不同配比的再生瀝青混合料和不同應(yīng)力水平下的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以利用這種模型很好地?cái)M合。圖7表達(dá)了利用該模型得到的疲勞方程擬合參數(shù)a、b與不同RAP摻量之間的關(guān)系。

圖6 混合料疲勞壽命與應(yīng)力比在不同RAP摻量下的擬合曲線

圖7 擬合參數(shù)a、b值與RAP摻量的擬合曲線圖

從圖7可以看出：RAP摻量小于30%時(shí)，RAP與a、b的變化值存在一定的關(guān)系，故采用一次函數(shù)a=A1+B1·x，b=A2+B2·x來表達(dá)，而R≥30%時(shí)，a、b不再滿足線性關(guān)系而滿足一種非線性關(guān)系，擬采用三次多項(xiàng)式的方式來擬合疲勞方程參數(shù)，從而提高參數(shù)擬合的準(zhǔn)確度，分別為a=C1+D1·x+E1·x2+F1·x3，b=C2+D2·x+E2·x2+F2·x3，表10為得到的疲勞方程各擬合參數(shù)。

表10 疲勞方程參數(shù)a、b的擬合值

由上述分析可知：在H=10 Hz、T=15 ℃的情況下，當(dāng)疲勞預(yù)估模型的RAP摻量變化時(shí)，方程參數(shù)a、b變化特征為：

a=

(4)

b=

液氮冷浸前后煤粒表面掃描電鏡結(jié)果如圖6所示，干燥與飽水煤樣各取2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)于干燥煤樣(圖6a)，液氮冷浸作用導(dǎo)致煤樣表面部分煤粒剝落(觀測(cè)點(diǎn)1、觀測(cè)點(diǎn)2)，但煤樣原有孔、裂隙結(jié)構(gòu)改變并不明顯，對(duì)于飽水煤樣(圖6b)，煤樣表面出現(xiàn)了原生裂隙延伸(觀測(cè)點(diǎn)3)、裂隙加寬(觀測(cè)點(diǎn)4)等現(xiàn)象，增加寬度約為5 μm，煤體結(jié)構(gòu)破壞較干燥煤樣嚴(yán)重，可見，液氮冷浸作用下水分對(duì)煤巖體的孔裂隙破壞尤為重要。

(5)

3.2 加載頻率對(duì)疲勞預(yù)估模型參數(shù)影響

在條件為T=15 ℃、R=30%的情況下，從疲勞預(yù)估模型試驗(yàn)結(jié)果中可以看出：加載頻率的變化能夠決定疲勞壽命的變化，這種變化關(guān)系也可以采用Nf=a·Cb來擬合，關(guān)系如圖8所示。圖8疲勞方程中擬合參數(shù)a、b值在加載頻率不同時(shí)的變化趨勢(shì)如圖9所示。

圖8 混合料疲勞壽命與應(yīng)力比在不同加載頻率下的擬合曲線

圖9 擬合參數(shù)a、b值與加載頻率的擬合曲線

由圖9中曲線的變化趨勢(shì)看出，當(dāng)加載頻率不同時(shí)，可用近似二次函數(shù)來擬合疲勞方程中參數(shù)a、b變化值，分別為a=A3+B3·H+C3·H2，b=A4+B4·H+C4·H2，表11為得到的擬合參數(shù)在疲勞方程中的數(shù)據(jù)。

表11 不同加載頻率下疲勞方程參數(shù)a、b的擬合值

由上述分析可以得到：在R=30%、T=15 ℃的情況下，可用下列公式表征疲勞預(yù)估模型中a、b在不同加載頻率下的變化特征：

(6)

3.3 試驗(yàn)溫度對(duì)疲勞預(yù)估模型參數(shù)影響

在條件為R=30%、H=10 Hz的情況下，疲勞預(yù)估模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)溫度變化影響疲勞壽命變化規(guī)律，并且不同試驗(yàn)溫度變化的疲勞壽命與加載應(yīng)力比的關(guān)系同樣可以用Nf=a·Cb來模擬擬合，關(guān)系如圖10所示。

圖10 混合料疲勞壽命與應(yīng)力比在不同試驗(yàn)溫度下的擬合曲線

將圖10疲勞方程擬合參數(shù)a、b值與不同試驗(yàn)溫度之間的關(guān)系繪制成圖11。

圖11 擬合參數(shù)a、b值與試驗(yàn)溫度的擬合曲線

由圖11中曲線的變化趨勢(shì)看出：同樣可用二次函數(shù)來描述不同試驗(yàn)溫度對(duì)a、b變化值的影響，分別為a=A5+B5·T+C5·T2,b=A6+B6·T+C6·T2，表12為得到的疲勞方程的擬合參數(shù)。

表12 疲勞參數(shù)a、b在不同試驗(yàn)溫度下的擬合值

(7)

3.4 RAP摻量、加載頻率和試驗(yàn)溫度對(duì)疲勞預(yù)估模型參數(shù)的綜合影響

在高摻量RAP(R≥30%)的情況下，加載頻率H、試驗(yàn)溫度T以及RAP摻量R都是影響參數(shù)a和b的主要因素，可通過不同公式的建立來擬合它們的關(guān)系。同時(shí)研究上述3個(gè)不同變量對(duì)再生瀝青混合料的疲勞方程影響規(guī)律，建立如下疲勞參數(shù)方程：

(8)

現(xiàn)擬采用曲線擬合計(jì)算前沿的全局優(yōu)化算法和麥夸特法獲得在再生瀝青混合料疲勞方程中得到的參數(shù)，且相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)99.99%。所得參數(shù)如表13所示。

表13 疲勞壽命預(yù)估方程各參數(shù)取值

統(tǒng)計(jì)上述數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在高RAP摻量(R≥30%)下，再生瀝青混合料的疲勞預(yù)估模型可以表示為：

(9)

3.5 基于再生瀝青混合料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)估效果評(píng)估

可將該文所述的試驗(yàn)條件代入上述公式，以檢驗(yàn)該文提出的疲勞壽命預(yù)估模型，以此判斷加載應(yīng)力比C在不同RAP摻量R、試驗(yàn)溫度T和加載頻率H下與預(yù)估模型的疲勞壽命Nf的關(guān)系，疲勞壽命預(yù)測(cè)曲線如圖12～14所示。

圖12 不同RAP摻量下疲勞壽命Nf的預(yù)測(cè)曲線圖

圖13 不同溫度下疲勞壽命Nf的預(yù)測(cè)曲線圖

圖14 不同加載頻率下疲勞壽命Nf的預(yù)測(cè)曲線圖

從圖12～14可以看出：當(dāng)影響因素改變時(shí)，該文得到的所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)都能對(duì)應(yīng)所建立的預(yù)估模型預(yù)測(cè)出的數(shù)據(jù)，得到的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)差異很小，且能夠得到在低應(yīng)力比下的疲勞壽命，從而為再生瀝青混合料在路面設(shè)計(jì)與驗(yàn)算中提供參考經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)論

(1) RAP摻量為0和RAP摻量為30%的瀝青混合料的對(duì)數(shù)疲勞壽命曲線幾乎相同，疲勞性能受RAP摻量影響較小。當(dāng)摻量大于30%后，對(duì)數(shù)疲勞壽命降幅較大，且隨著RAP摻量的增加而下降，30%為臨界摻量。

(2) 當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，疲勞壽命的敏感性較強(qiáng)，疲勞壽命在應(yīng)力比增大時(shí)降低。再生瀝青混合料的疲勞壽命在低頻時(shí)更小，且隨著加載頻率的增加趨于穩(wěn)定。疲勞壽命隨著溫度的降低而急劇增長(zhǎng)。

(3) 利用對(duì)數(shù)函數(shù)可以描述疲勞壽命Nf與應(yīng)力比C的相互關(guān)系，利用二次曲線函數(shù)描述疲勞方程參數(shù)a、b與T、H的關(guān)系，而利用三次函數(shù)描述與R的關(guān)系，最終以R、H、T、C作為自變量建立了疲勞預(yù)估方程。當(dāng)影響因素變化時(shí)，該文給出的預(yù)估模型的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相符，提出的模型能夠較好地預(yù)測(cè)估計(jì)再生瀝青混合料的疲勞壽命。