再生沥青混合料路用性能研究

2019-04-16王明刚孙静

中外公路 2019年1期

王明刚，孙静

(1.林同棪国际工程咨询(中国)有限公司，重庆市 401121； 2.重庆能源职业学院)

再生沥青混合料(RAP)是一种循环利用的资源，应用于高等级公路上，最主要的问题是疲劳性能和永久变形。文献[5]研究表明新加沥青的标号较高制备的再生混合料试件具有较好的疲劳性能；文献[6]建立了再生沥青混合料虚应变能释放率和疲劳寿命的关系方程，并随着RAP掺量的增加，其疲劳性能下降；文献[7]建立了温拌再生沥青混合料的疲劳应变方程，其疲劳寿命大于普通热拌沥青混合料。目前相关文献研究再生沥青混合料的疲劳性能较多，而对再生沥青混合料的永久变形性能研究报道较少。该文以AC-25型再生沥青混合料为基础，通过劈裂强度试验、间接拉伸试验和三轴重复荷载试验对比分析新拌沥青混合料和再生沥青混合料的劈裂强度、疲劳性能和永久变形等路用性能，为再生沥青混合料的应用提供指导和参考。

1 试验准备

1.1 原材料

采用中海 AH-70#沥青，其技术性能指标满足规范规定要求。粗集料为碱性石灰岩，细集料为石灰岩石屑。填料采用碱性石灰岩矿粉。其技术性能指标均满足规范规定要求。

1.2 配合比

设计新拌AC-25型沥青混合料和再生AC-25型沥青混合料，其中再生沥青混合料掺旧料的量为30%。级配曲线如图1所示。

通过马歇尔试验确定了新拌AC-25型沥青混合料的最佳油石比为3.9%；通过抽提试验测得旧沥青混合料中沥青含量为4.2%，以90#沥青作为新加沥青再生旧沥青混合料，提升路用性能。根据式(1)计算得新沥青比例为0.682。掺加30%旧料的再生沥青混合料的最佳油石比为4.2%。

lglgηmix=(1-α)lglgηold+αlglgηnew

(1)

式中:ηmix为混合后沥青60 ℃的黏度(Pa·s)；ηold为旧沥青60 ℃的黏度(Pa·s)；ηnew为新沥青60 ℃的黏度(Pa·s)；α为新沥青比例。

2 力学性能

劈裂强度是评价沥青混合料力学性能的重要指标，同时也是沥青路面结构设计重要的技术参数。

劈裂试验采用圆柱体试件，旋转压实法成型，试件直径101.6 mm、高(40±2) mm。试验温度10、20和30 ℃。加载速率50 mm/min。压条宽度α=12.7 mm。劈裂试验可以较准确地测量试件的垂直变形yT，但测量试件中部水平变形时存在一定困难，不同试验条件下的试件水平变形xT、劲度模量按式(2)、(3)计算：

(2)

(3)

式中:yT为垂直变形(mm)；μ为泊松比；P为破坏荷载(N)；h为试件高度(mm)。

劈裂试验计算公式采用的泊松比如表1所示。

不同温度下试件的劈裂强度、水平变形、劲度模量分别如图2～4所示。

图3 劈裂试验水平变形

由图2～4可知：在温度10、20和30 ℃时，掺加 30%旧料的再生AC-25型沥青混合料的劈裂强度和劲度模量均较新拌沥青混合料大，水平变形略低。在温度10、20和30 ℃时，再生AC-25型沥青混合料比新拌AC-25型沥青混合料的劈裂强度分别提高了8.3%、10.9%和18.7%，劲度模量分别提高了25.9%、61.6%和36.2%。该现象主要是由于再生沥青混合料比新拌沥青混合料更加硬脆，掺入 30%旧料后使再生混合料的劲度模量增大，故劈裂强度增大、试件变形降低。

图4 劈裂试验劲度模量

3 疲劳性能

疲劳破坏是沥青路面最主要的破坏形式，因此，非常有必要进一步对比分析再生沥青混合料(RAP)与新拌沥青混合料的疲劳性能。间接拉伸试验适用于测定一定温度和加载频率条件下沥青混合料的疲劳性能。该文间接拉伸疲劳试验所用的设备为 CRT-NU14 气动伺服试验机。

3.1 试验方案

3.1.1 荷载加载模式

沥青混合料室内疲劳试验加载模式包括应力控制和应变控制两种。研究表明：当基层刚度较大或者路面厚度较小时，沥青混合料的受力状态与应变控制模式下相近，反之，与应力控制模式下相近。由于该文研究主要针对高速公路沥青路面结构，面层较厚，故采用应力控制模式作为荷载加载模式。

3.1.2 加载波形和加载频率

研究表明：半正弦波加载波形更接近于路面的实际受力状态，且加载频率越高，材料的疲劳寿命越长。加载频率为 10 Hz时，试件受力状态接近于车辆行驶速度65 km/h。故该文选择的加载波形为半正弦波，加载频率为10 Hz。

3.1.3 应力水平

应力水平是沥青混合料的疲劳寿命至关重要的影响因素。随着应力水平的增大，沥青混合料的疲劳寿命不断减少。为了更接近路面的实际受力情况，该文选取应力比为0.3、0.4、0.5、0.6。

3.1.4 试验温度

沥青混合料是一种典型的黏弹性材料，其力学特性对荷载作用时间和温度具有较强的依赖性。为了更好地揭示沥青混合料的疲劳性能，应合理选择试验温度。研究表明：15 ℃疲劳试验能够较好地反映沥青的黏弹塑性。该文试验温度为10、20和30 ℃，覆盖了更宽的路面温度。

3.2 试验结果

掺加 30%旧料的AC-25型再生沥青混合料与新拌沥青混合料的疲劳试验结果如图5所示。

(a) 10 ℃

(b) 20 ℃

选用经典的应力疲劳方程，如式(4)所示。结合图5，建立不同温度下新拌和再生AC-25型沥青混合料的疲劳方程，相关系数最小值为0.91，从而可以预测不同应力、不同温度情况下的疲劳寿命：

(4)

式中:N为荷载作用次数(次)；σ0为应力(MPa)；K、n为拟合参数。

由图5可知:在相同温度下，新拌AC-25型沥青混合料的疲劳性能要优于再生AC-25型沥青混合料。

为了更好地分析再生沥青混合料的疲劳性能，该文同时进行了应变疲劳方程的研究。采用经典的应变疲劳方程如式(5)所示。根据线弹性理论中的胡克定律可推导出水平方向最大应变方程如式(6)所示。

(5)

(6)

式中:ε为水平应变；R为截面半径(mm)。

根据式(5)计算的水平最大应变和试验得到的疲劳寿命，绘制新拌和再生AC-25型沥青混合料的应变疲劳曲线(图6)。

(a) 新拌AC-25型沥青混合料

(b) 再生AC-25型沥青混合料

由图6可知:沥青混合料应变疲劳方程消除了温度的影响，疲劳应变方程呈现较高的相关性，为沥青路面不同温度下疲劳寿命预估提供了支撑。

4 永久变形性能

永久变形是沥青路面最主要的病害之一，严重降低路面的服务质量，威胁行车安全。该文通过三轴重复加载试验分析新拌和再生AC-25型沥青混合料的永久变形性能。

三轴重复加载试验采用圆柱体试件，采用旋转压实仪(SGC)搓揉成型，钻芯取样后直径100 mm，高度150 mm。试验温度为60 ℃，围压为138 kPa，加载波形为半正弦波，轴向加载频率为1 Hz，加载时间为0.1 s，荷载间歇时间为0.9 s。试验之前，采用预应力15 kPa进行预压，取荷载作用次数为10 000次或永久应变为5%时试验停止。

在温度60 ℃时不同偏应力下新拌和再生AC-25型沥青混合料永久应变曲线如图7所示。

图7 60 ℃时新拌和再生AC-25型沥青混合料永久应变曲线

由图7可知：新拌和再生沥青混合料均随着荷载作用次数的增多，永久应变逐渐增大；相同沥青混合料在温度60 ℃下，均随着应力水平的增大，永久应变增大；在温度60 ℃、相同应力水平下，再生AC-25沥青混合料的永久应变小于新拌AC-25型沥青混合料。由此可见，再生沥青混合料的抗永久变形性能要优于新拌沥青混合料。

重复荷载作用下沥青混合料黏弹性力学模型，如式(7)所示。

εP,N=σ0P0(1-e-0.2P2N)+σ0P3(1-e-P4N)

(7)

式中:εP,N为永久应变；σ0为偏应力(MPa)；N为荷载作用次数(次)；P1、P2、P3、P4为拟合参数。

采用式(7)对图7中的试验数据进行拟合，采用1stOpt15软件进行拟合，可得60 ℃时新拌和再生AC-25型沥青混合料黏弹性力学模型拟合参数，结果如表2所示。

新拌和再生AC-25型沥青混合料黏弹性力学模型拟合曲线和实测曲线对比分别如图8、9所示。

由表2、图8、9可知：新拌和再生AC-25型沥青混合料黏弹性力学模型拟合曲线和实测曲线吻合较好，相关系数达0.99，该模型能够精确地表达沥青混合料永久变形的规律，可用于沥青路面永久变形的计算与预估。