热拌及温拌再生SMA沥青混合料疲劳性能分析

季 节，索 智，石越峰，许 鹰，徐世法，奚 进

（北京建筑大学 土木与交通工程学院，北京 100044）

疲劳开裂是沥青路面主要的破坏模式之一，当路面在重复荷载作用下达到一定次数后，就会产生疲劳开裂［1］.目前，国内外对沥青混合料疲劳性能的研究方法大致分为现象学法、力学近似法和耗散能法3类，但这3类方法很难对沥青混合料的疲劳性能进行统一的预测.沥青混合料疲劳性能的试验方法很多，如检测实际沥青路面在真实汽车荷载作用下的疲劳性能、用足尺路面结构模拟汽车荷载作用下的疲劳性能、室内小型材料试件的疲劳试验等，每种方法均有各自的优、缺点.SHRP通过对不同试验方法的优、缺点进行比较，认为小梁弯曲疲劳试验最能代表路面实际受力状况，是沥青混合料疲劳性能试验的首选方法［2］.JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》也规定沥青混合料的疲劳性能应采用四点梁弯曲疲劳试验.

从20世纪70年代开始，Monismith，van Dijk，Pronk等［2－4］就分别采用耗散能法分析了沥青混合料的疲劳特性.李闯［5］采用耗散能法和四点梁弯曲疲劳试验分析了沥青混合料在不同荷载频率下的疲劳性能.张婧娜、唐雪松等［6－7］以耗散能法为基础，提出了沥青混合料疲劳性能的能量方程，并用损伤力学法分析了裂缝的形成和扩展.杨丽英等［8］对AC－20温拌再生沥青混合料的疲劳性能进行了四点梁弯曲疲劳试验，发现该沥青混合料的疲劳性能不及热拌沥青混合料.陈静云等［9］对表面活性类温拌再生SMA 沥青混合料的疲劳性能进行了试验，发现其具有一定的抗疲劳性能.

综上可见，对于普通沥青混合料，国内外学者早已采用耗散能法和四点梁弯曲疲劳试验对其疲劳性能进行研究，但对于近年来兴起的热拌再生沥青混合料（hot recycled asphalt mixture，简称HRAM）或温拌再生沥青混合料（warm recycled asphalt mixture，简称WRAM），虽然已有采用四点梁弯曲疲劳试验对其疲劳性能进行的研究，但采用耗散能法的试验却相对较少.

本文试图采用耗散能法和四点梁弯曲疲劳试验来分析热拌及温拌再生SMA 沥青混合料的疲劳性能.

1 材料性能

1.1 RAP

采用的RAP来自京沈高速公路北京段的上面层，混合料类型为SMA－13.由于RAP经过铣刨，级配已经发生较大改变，根据JTG F41—2008《公路沥青路面再生技术规范》中的相关规定，本文以4.75，9.5，16 mm 为界限，将RAP 破碎成0～5，5～10，10～16mm 三档，去除16mm 以上超粒径的RAP.对三档RAP分别进行抽提试验，并测试其级配、密度及回收沥青性能.

1.2 新材料

矿料为矿粉、0～3 mm 石灰岩、5～10，10～15mm玄武岩，沥青采用SBS改性沥青.

2 HRAM，WRAM 设计

2.1 HRAM 设计

首先，按照厂拌热再生设计方法设计掺RAP（质量分数分别为0%，20%，30%）的3种HRAM，混合料类型仍为SMA－13，3种HRAM 的级配见表1.其次，在这3种混合料中添加木质纤维，其添加量为混合料质量的0.3%.

表1 3种HRAM 的级配Table 1 Gradations（by mass）of three HRAMs %

分别测试3种HRAM 的物理、力学性能，确定其最佳沥青用量（质量分数）分别为6.8%，6.0%，5.7%.

2.2 WRAM 设计

基于上述3 种级配和最佳沥青用量，分别在HRAM 中加入沥青总质量3%的Sasobit温拌剂（德国Sasol－Wax公司产品）来设计WRAM.

2.3 HRAM 和WRAM 的制备

按照HRAM 的制备工艺制备WRAM，其中新矿料的加热及拌和温度比HRAM 的新矿料加热及拌和温度低30℃以上，分别为155℃和145℃，并采用干拌法（DP）和湿拌法（WP）两种拌和工艺进行制备.

3 HRAM 和WRAM 的疲劳性能

3.1 疲劳试验条件

HRAM 和 WRAM 的疲劳试验按照JTG E20—2011 规程进行，试件尺寸为380.0mm×63.5mm×50.0mm.试验设备为澳大利亚生产的UTM，采用应变控制模式，应变分别为750×10－6，950×10－6，1 150×10－6，偏正弦波连续加载，频率10Hz.

3.2 HRAM 和WRAM 的疲劳性能分析

HRAM 和WRAM 四点梁弯曲疲劳试验结果见表2，其中N 为疲劳次数，CDE为累积耗散能.

表2 HRAM 和WRAM 的疲劳寿命及累积耗散能Table 2 Fatigue life and cumulative dissipated energy（CDE）of HRAM and WRAM

由表2可见：

（1）掺0%，20%，30% RAP 的 HRAM 和WRAM，其疲劳寿命与累积耗散能在双对数坐标下具有良好的线性关系，这种线性关系不随RAP 掺量、拌和工艺的变化而改变.

（2）基于HRAM 和WRAM 的疲劳寿命与累积耗散能之间良好的线性关系，完全可用HRAM 和WRAM 累积耗散能来表征疲劳性能，即HRAM 和WRAM 的累积耗散能越大，其疲劳性能越好.

HRAM 和WRAM 的累积耗散能随应变变化曲线如图1，2所示.

图1 HRAM 和WRAM 的累积耗散能随应变变化曲线Fig.1 Cumulative dissipated energies of HRAM and WRAM over strain

由图1，2可以看出：

图2 HRAM 和WRAM 的累积耗散能随混合料类型变化曲线Fig.2 Cumulative dissipated energies of HRAM and WRAM over type of asphalt mixture

（1）HRAM 和WRAM 的疲劳性能随应变增加而降低.当应变在低水平时，HRAM，WRAM 的累积耗散能与RAP 掺量的相关性较为明显，即HRAM，WRAM 的累积耗散能随RAP掺量的增加而显著下降，相对而言，HRAM 的累积耗散能对RAP掺量变化更为敏感，其累积耗散能随RAP掺量增加显著下降.当应变在高水平时，HRAM，WRAM的累积耗散能与RAP 掺量之间的相关性不大，即HRAM，WRAM 的累积耗散能随RAP掺量增加缓慢下降.

（2）在同一应变和RAP掺量下，HRAM 的累积耗散能大于WRAM 的累积耗散能.当RAP掺量为0%时，HRAM 的累积耗散能明显大于WRAM 的累积耗散能，而当RAP 掺量为30%时，HRAM 的累积耗散能与WRAM 的累积耗散能相差不大，这说明Sasobit温拌剂的加入，虽然对再生沥青混合料本身的疲劳性能产生了不利影响，但这种负面作用会随着RAP掺量的提高而逐渐减弱，即Sasobit温拌剂的加入可减缓再生沥青混合料中由于RAP 掺量增加带来的混合料疲劳性能的下降.

（3）对于同一应变和RAP 掺量下的WRAM，拌和工艺对其累积耗散能有一定的影响，相对而言，采用DP法的WRAM 累积耗散能更高.这是因为加入的Sasobit温拌剂高温熔融后在沥青－矿料界面形成保护层，从而增加沥青混合料的疲劳性能.

4 结论

（1）掺0%，20%，30%RAP的HRAM 和WRAM，其疲劳寿命与累积耗散能在双对数坐标下，具有良好的线性关系，因此，可用HRAM 和WRAM 的累积耗散能来表征其疲劳性能.

（2）掺入RAP对HRAM 和WRAM 的疲劳性能影响较大，RAP掺量越高，HRAM 和WRAM 的疲劳性能越差.

（3）从HRAM 和WRAM 累积耗散能的大小可知，加入Sasobit温拌剂的温拌技术对再生沥青混合料的疲劳性能有一定的负面作用，即Sasobit温拌剂可减缓再生沥青混合料中由于RAP 掺量增加而带来的混合料疲劳性能的下降.

（4）拌和工艺对WRAM 的疲劳性能有一定的影响，相对而言，采用DP法的WRAM 其疲劳性能更好.

［1］沈金安.沥青及沥青混合料路用性能［M］.北京：人民交通出版社，2001：131－147.SHEN Jin'an.The performances of asphalt and asphalt mixture［M］.Beijing：Renming Communication Press，2001：131－147.（in Chinese）

［2］MONISMITH C L.Asphalt mixture behavior in repeated flexure［R］.Berkeley：University of California，1968.

［3］van DIJK W，VISSER W.The energy approach to fatigue for pavement design［C］∥Proceedings Association of Asphalt Paving Technologists.Washington，D.C.：［s.n.］，1977：1－40.

［4］PRONK A C，HOPMAN P C.Energy dissipation：The leading factor of fatigue［C］∥Proceedings of the Conference the United States Strategic Highway Research：Sharing the Benefits.London：Thomas Telford Limited，1991：255－267.

［5］李闯.不同影响因素下沥青混合料疲劳性能试验研究［D］.大连：大连理工大学，2009.LI Chuang.The experimental study of asphalt mixture fatigue property under different impact factor［D］.Dalian：Dalian University of Technology，2009.（in Chinese）

［6］张婧娜，谭忆秋，张肖宁.应用能量原理预测沥青混合料的疲劳破坏［J］.中国公路学报，1998，11（4）：11－17.ZHANG Jingna，TAN Yiqiu，ZHANG Xiaoning.Predicting fatigue failure of bituminous mixture using energy dissipation［J］.China Journal of Highway and Transport，1998，11（4）：11－17.（in Chinese）

［7］唐雪松，蒋持平，郑健龙.沥青混合料疲劳过程的损伤力学分析［J］.应用力学学报，2000，17（4）：31－37.TANG Xuesong，JIANG Chiping，ZHENG Jianlong.Damage mechanical analysis for fatigue failure process of bituminous mixtures［J］.Chinese Journal of Applied Mechanics，2000，17（4）：31－37.（in Chinese）

［8］杨丽英，谭忆秋，董雨明，等.温拌再生沥青混合料的疲劳性能［J］.公路交通科技，2012，29（10）：7－11.YANG Liying，TAN Yiqiu，DONG Yuming，et al.Fatigue performance of warm recycled asphalt mixture［J］.Journal of Highway and Transportation Research，2012，29（10）：7－11.（in Chinese）

［9］陈静云，马强.温拌再生改性沥青SMA 混合料性能研究［J］.沈阳建筑大学学报：自然科学版，2012，28（2）：286－291.CHEN Jingyun，MA Qiang.Research on the performance of warm recycled SMA asphalt mixture［J］.Journal of Shenyang Jianzhu University：Natural Science，2012，28（2）：286－291.（in Chinese）