不同成型方式乳化沥青冷再生混合料力学特性研究

易 勇，蒋应军，谭云鹏，胡永林，陈浙江

(1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064；2. 金华市金东区公路管理段，浙江 金华 321000；3. 金华市公路管理局，浙江 金华 321000)

随着中国经济水平提高，不可再生能源的消耗越来越快，国家及地方越来越重视环境资源保护问题。近几年乳化沥青冷再生施工技术在节能、环保、便捷等方面的优势得到道路工作者的广泛关注[1]。乳化沥青冷再生混合料是一种应用于面层、基层施工的道路材料[2]，在沥青路面结构中，冷再生混合料优良的力学性能是路面结构具有良好耐久性的保障[3]。冷再生混合料力学性能的提升对路面使用性能和使用年限的改善具有正向作用。国内外道路工作者研究了冷再生混合料作为路面材料的可行性，并研究了其力学性能。国外，Babagoli等[4]研究了煤渣和灰渣粉等添加剂对冷再生混合料力学性能的影响，结果表明煤渣、灰渣粉作为添加剂掺入冷再生混合料中可提高其力学性能；Godenzoni等[5]就冷再生混合料级配与沥青含量两方面研究冷再生混合料疲劳性能，结果表明在一定范围内冷再生混合料的疲劳特性随旧集料掺量增加而增大、冷再生沥青含量增加而减小；Leandri等[6]通过室内试验分析了冷再生混合料粘弹特性和抗疲劳特性，并与传统热拌沥青混合料进行了比较，结果表明冷再生混合料疲劳特性有所降低，但其热敏性及对施工时间的依赖性得到显著降低。Li等[7]研究了水泥用量对冷再生混合料疲劳性能的影响，表明初始假定应变水平与冷再生混合料疲劳性能息息相关。国内，蒋应军等[8]采用几种不同级配的冷再生混合料，并研究其力学性能和路用性能的变化规律，表明级配的改变对冷再生混合料的力学性能和路用性能都有显著影响，优化级配是提升其力学性能和路用性能的有效途径。李明欣等[9]研究了新加沥青类型对高RAP(reclaimed asphalt pavement)掺量冷再生混合料强度及疲劳特性的影响，结果表明选用合适标号沥青可有效改善冷再生混合料强度及疲劳特性。郝培文等[10]研究了水泥对冷再生混合料强度影响机理，结果表明水泥产物与沥青胶浆混合可形成的立体网状结构，进而促使混合料力学性能显著提高。上述冷再生混合料的研究中，主要针对级配、外加剂和沥青标号与用量等方面研究力学性能的变化规律，鲜有报道成型方法的影响。文章基于垂直振动成型方法，对比垂直振动成型试件与马歇尔法成型试件的疲劳性能，研究成果可作为后续研究的理论基础，具有参考价值。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料及矿料级配

1.1.1 原材料

路面RAP铣刨料采用金华曹岭线X115县道路沥青路面回收集料，RAP铣刨料筛分结果见表1。乳化沥青采用SBR改性乳化沥青；新集料采用山西柳林石灰岩；水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥。原材料各项技术性质均满足《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41—2008)的技术要求。

表1 路面铣刨料RAP级配筛分结果

1.1.2 矿料级配

乳化沥青冷再生混合料由新集料、RAP集料组成，新集料掺量为33%，由表1可知，铣刨料中粒径2.36～9.5 mm含量较高，达57%。粗集料含量较少。这是由于沥青路面在铣刨过程中，部分粗集料被破碎，使得铣刨料与原路面相比粒径偏细[11]。根据本课题组研究，优化出乳化沥青冷再生混合料级配。新集料掺量为33%(9.5～19 mm粗集料20%，机制砂10%，矿粉3%)；筛孔孔径为26.50，19.00，16.00，9.50，4.75，2.36，0.30，0.075 mm下，RAP矿料的通过百分率分别为100%，97.5%，91.7%，65.9%，47.4%，32.9%，10.5%，5%。

1.2 设计方法

1.2.1 传统试验方法

乳化沥青冷再生混合料传统方法是采用重型击实法确定最佳含水率，采用马歇尔法确定密度与乳化沥青最佳用量。重型击实法确定最佳含水率分3层击实，每层击实98次，落高45 cm；马歇尔法试件成型，击实50次后，连同试模置于60 ℃鼓风烘箱中养生至恒重(一般不少于40 h)，然后击实25次。

1.2.2 垂直振动法(VVTM, vertical vibration test method)

所采用的振动压实仪基本参数：工作频率35 Hz、名义振幅1.2 mm、上车系统质量108 kg、下车系统质量167 kg；采用垂直振动击实确定最大干密度和最佳含水率，振动成型时间60 s；采用垂直振动成型直径100 mm×高63.5 mm圆柱体试件，即VVTM试件，振动成型时间60 s。

1.3 测试方法

1.3.1 劈裂试验方法

成型好的冷再生混合料试件放入恒温水浴箱中15 ℃水浴1 h，取出试件进行劈裂试验，试验过程按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中(T0716—2011)进行。

1.3.2 疲劳试验

研究[12]表明，间接拉伸疲劳试验能较好地模拟实际路面荷载下路面内部应力状态，与路面钻芯取样试件对比更直观，且具有操作方便、结果稳定等特点，相比其他疲劳试验方法具有优越性，故本文采用圆柱体试件间接拉伸疲劳试验方法。动态伺服液压试验系统(UTM, university testing machine)与夹具及试件安装如图1和图2所示。

图1 UTM动态伺服液压试验系统

图2 疲劳试验夹具图

为使疲劳试验中试件应力变化与波形变化与行车荷载下路面接近，文中采用半正矢正弦波荷载以应力控制模式加载。疲劳试验参数如下：加载频率为10 Hz，加载时间间隔为0，循环特征值(高低应力比)R为0.1，应力水平S分别为0.3，0.4，0.5，0.6，0.7等5种。

2 设计结果与对比

2.1 物理力学指标设计结果

表2 不同设计方法下试件物理力学指标

2.2 路用性能对比

2种设计方法下，乳化沥青冷再生混合料路用性能如表3所示。其中DS表示动稳定度，τd表示抗剪强度，RB表示弯拉强度，MS0表示残留马歇尔稳定度，PV/PM指VVTM试件与Marshall试件路用性能比值。

表3 不同设计方法下冷再生混合料路用性能

根据表3可以得出，与马歇尔法设计结果相比，VVTM设计的乳化沥青冷再生混合料动稳定度可提高48%，抗剪强度提高16%，弯拉强度提高21%，残留马歇尔稳定度影响不大。这是由于VVTM设计的乳化沥青混合料在振动压力波的作用下，粗、细骨料得到充分的移动和排列，进而获得更为稳定的强骨架密实结构，混合料具有较高粘结力和内摩阻力。因此，VVTM设计的乳化沥青冷再生混合料路用性能优于马歇尔试验方法。

3 疲劳试验结果及分析

3.1 劈裂强度

劈裂强度试验结果见表4，其中PV/PM表示VVTM试件与Marshall试件劈裂强度比值。

表4 不同成型方式劈裂强度试验结果

由表4可知，VVTM试件的劈裂强度大于马歇尔试件，是马歇尔试件劈裂强度的1.20倍。这主要是由于VVTM试件骨架结构更加密实，混合料具有较高粘结力和内摩阻力，使冷再生混合料的力学强度得到极大的提高[13]。

3.2 试件疲劳破坏过程

冷再生混合料疲劳破坏过程分为6个阶段：

1)完整应力阶段。试验开始时试件加载次数较少，其表面未发生破坏，整体结构也未出现裂纹及局部损伤。如图3(a)所示。

2)裂纹萌生阶段。随着循环应力加载次数的增加，试件底面中心位置处开始出现细微疲劳裂纹，如图3(b)所示。

3)裂纹缓慢扩展阶段。此阶段试件的裂纹沿径向、轴线逐渐延伸，直至试件底部，如图3(c)所示。

4)裂纹迅速扩展阶段。此阶段试件承载力逐渐降低，当承载力降低到一定程度时，裂纹迅速扩展，如图3(d)所示。

5)裂纹贯通阶段。裂纹沿径向贯穿整个试件，然后沿轴线迅速扩展，如图3(e)所示。

6)失稳破坏阶段。裂纹贯穿整个试件，并完成疲劳试验，如图3(f)所示。

图3 试件破坏过程

3.3 疲劳试验结果及分析

3.3.1 疲劳试验结果

疲劳试验结果见表5所示。

表5 疲劳试验结果

3.3.2 疲劳寿命预估模型

由表5可知，室内疲劳试验数据离散性较大，因此，采用数据统计方法进一步分析研究冷再生混合料的疲劳寿命规律。

(1)

(2)

式中：α为形状参数；u为尺度参数；n为随机变量N的特征值。

表6 Weibull分布检验结果

表7 不同失效概率下的等效疲劳寿命

采用式(3)对表7数据进行回归分析，求得不同失效概率下的疲劳方程回归系数和相关系数，结果见表8所示，其中R2为相关系数。

表8 疲劳方程回归系数及相关系数

(3)

冷再生混合料疲劳方程式(3)中的回归系数a越大，表征应力作用下材料抗疲劳性能越好；回归系数b越小，表征材料对应力变化越不敏感，材料的抗疲劳性能越好[14-15]。

根据表8绘制不同成型方式，在5%和50%失效概率下的疲劳特性曲线，如图4所示。

图4 不同成型方法及失效概率下的疲劳特性曲线

结合表7及图4可知：

1)不同成型方法及失效概率下，lgσ随lgN均呈线性变化趋势，相关性系数R2均大于0.90，且不同成型方法对冷再生混合料的疲劳性能影响显著。

2)对比分析失效概率为5%及50%时VVTM试件下的疲劳预估寿命曲线可知，在不同失效概率下乳化沥青冷再生混合料的疲劳寿命存在较大差异，当失效概率由5%增大为50%时，混合料的疲劳寿命显著增大，在进行混合料疲劳寿命分析时，应根据实际情况确定合适的失效概率进行评价。

3)在不同失效概率下，VVTM试件疲劳曲线的回归系数a取值均最大，b取值均最小，说明VVTM设计冷再生混合料的疲劳特性良好，对应力变化敏感性良好，具有一定的抗疲劳优势。这是由于VVTM成型试件时，在振动压力波作用下，不同公称粒径间的集料更容易相互错动滑移，粗、细骨料更容易相互靠拢，以致达到紧密接触状态，形成密实的后期结构，试件疲劳特性与混合料结构密切相关[7-8,13,16]，因此，VVTM设计冷再生混合料疲劳特性优于马歇尔法。

综上，VVTM振动压实方式比Marshall击实方式更加合理，且有利于提高乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能。

4 结 论

1)与马歇尔设计的乳化沥青冷再生混合料相比，VVTM设计的冷最佳含水率降低约10%，乳化沥青最佳用量降低约10%，最大干密度提高约1.021倍，与马歇尔试件相比，VVTM试件的马歇尔稳定度、劈裂强度、冻融劈裂强度分别至少提高40%，32%和57%。

2)乳化沥青冷再生混合料劈裂寿命服从双参数Weibull分布，建立的不同成型方式下的乳化沥青冷再生混合料疲劳方程能够较为准确地反映乳化沥青冷再生混合料劈裂寿命。

3)不同失效概率下，VVTM乳化沥青冷再生混合料在应力作用下抗疲劳性能及对应力变化敏感性优于马歇尔法，主要体现在VVTM成型试件的疲劳方程的截距a值均大于马歇尔法，而斜率b值正好相反。