高掺量RAP 结合料温拌沥青胶浆的疲劳性能评价

2021-10-13赵晓荷

甘肃科技 2021年15期

赵晓荷

（会宁县县乡公路养护站，甘肃白银 730799）

近年来，再生沥青路面（RAP）以其环境效益和经济效益在沥青路面建设中得到了广泛的应用。一些研究表明，在再生沥青混合料中使用RAP 的百分比一般不超过30%，由于RAP 含量较高可能会对低温抗裂性、抗疲劳性、混合效率等产生不利影响，此外，热再生过程中应考虑较高的施工温度，这可能导致原结合料的老化和RAP 的二次老化[1]。还有研究表明：温拌沥青混合料（WMA）和高RAP 用量的组合可能会提高车辙和抗疲劳性能双赢的局面，可降低生产温度，同时允许RAP 在道路施工中的最大利用率，有助于减少绿色气体的排放和能源成本[2]。

抗疲劳性能仍然是高掺量RAP 沥青混合料（包括高强度沥青混合料）的主要问题[3]。因此，有必要对高掺量RAP 结合料的疲劳性能进行系统的研究，以更好地设计相应的混合料。

1 试内试验

1.1 材料

本文采用原沥青结合料PG58-22，根据AASHTOT240 和R28，通过RTFO 和PAV 老化制备了RAP 人工结合料。选择了改性机理不同的两种WMA 添加剂R 和M。R 为白色聚乙烯蜡，M 为深棕色粘性液体表面活性剂，用量分别为供应商推荐的沥青结合料总质量的3%和0.5%。沥青胶浆的制备选用石灰石粉，矿物填料，基本物理性能均满足要求。

沥青胶浆的制备分为两步。首先，在135℃温度下，将原沥青结合料、人工RAP 结合料和WMA 外加剂混合，用高剪切搅拌机搅拌15min，得到高掺量人工RAP 的温拌沥青混合料同时,以未添加WMA添加剂的50%人造RAP 结合料和PG58-22 原沥青结合料作为两种对照结合料。然后对这些沥青结合料进行RTFO 和PAV 老化试验，共制备了12 种不同老化条件下的再生沥青和基层沥青混合料，用于制备沥青胶浆。第二,石灰石填料在105℃的烘箱中处理5h，以确保内部水分完全蒸发。混合前，将矿物填料预热30min，并将沥青结合料加热至150℃下呈流动状态。然后将两种组分混合15min 至均匀；在150℃下，使用高剪切搅拌机以10000rpm 的速度搅拌。选择0.0、0.5、1.0 和1.5 四种填料/沥青比（以重量为基础）制备沥青胶浆，其涵盖了传统沥青混合料中通常使用的整个F/a 范围（0.6-1.2），有助于建立F/a 和沥青胶浆性能之间可靠的关系。此外，F/a0.0 的下限可以用来研究高掺量人造RAP 结合料的疲劳性能，而F/a1.5 的上限可以用来研究沥青胶浆在某些极限设计条件下的性能。

综上所述，共制备了48 个样品，使用四种沥青结合料、四种填料/沥青比和三种老化等级（原始沥青、RTFO、PAV）。为了简洁起见，本文将两种添加RAP 结合料的WMA 胶浆和两种不含WMA 添加剂的控制沥青胶浆分别命名为RAP-R、RAP-M、RAPC 和90#。

1.2 试验方案

1.2.1 线性振幅扫描（LAS）试验

LAS 试验是一种加速试验，用于表征沥青结合料或胶浆在长期老化后的疲劳性能。试验在20℃下进行，共包括两个阶段。第一，在应变控制模式（0.1%）下对样品进行频率扫描（0.2-30Hz），使用8mm 平行板和2mm 间隙来确定未损坏的材料特性。

在第二阶段，在10hz 的频率下，采用振幅扫描法，在300s 内应变水平从0.1%线性增加到30%，以获得疲劳损伤特性。应用粘弹性连续损伤理论（VECD）计算了试件的疲劳寿命。

1.2.2 时间扫描试验

时间扫描试验是研究沥青材料疲劳性能的常规疲劳试验。工程实践表明，应变控制荷载模式适用于薄路面沥青材料，而应力控制荷载模式适用于厚路面沥青材料的疲劳性能分析。选用10hz 正弦连续加载的应力控制加载模式，在0.5MPa 的应力水平下进行时间扫描试验，并结合LAS 试验分析了不同加载模式下沥青胶浆的疲劳性能。本文在20℃下进行了试验，在RTFO 和PAV 时效后制备了直径为8mm、厚度为2mm 的试样。采用四种疲劳破坏准则确定沥青胶浆的疲劳寿命：刚度降低50%，SN 峰值，耗散能比法（DER），耗散能变化率（RDEC）法。

2 试验结果分析

2.1 LAS 测试分析

2.1.1 应变响应曲线

由LAS 试验结果可以得到剪切应力与剪切应变之间的关系。如图1 所示，由于各类型沥青胶浆的趋势相似，仅给出了90# 沥青胶浆和四种F/A 为0.5 的沥青胶浆的结果。图1（a）旨在研究不同F/a 沥青胶浆的应变响应，图1（b）说明了WMA 添加剂和人工RAP 结合料对疲劳性能的影响。

图1 应力应变：（a）90＃沥青胶浆；（b）F/A 为0.5 的四种沥青胶浆

图1（a）表明，F/a-0.0 沥青胶浆具有最宽的峰值和最低的应变依赖性；但是，随着矿物填料含量的增加，峰值宽度急剧减小，表示对施加应变的依赖性增加。同样，当应力达到最大值时，破坏应变也从9.8%下降到7.8%、6.4%和4.1%，F/A 在0.0～1.5之间。矿物填料导致沥青胶浆最大允许应变的降低，最终降低相应沥青混合料的疲劳损伤潜力。但峰值应力随着F/A 的增大而增大，表明高F/A 沥青混合料更适合于交通量较大的道路。

如图1（b）所示，人工RAP 结合料和WMA 添加剂都会导致应变响应曲线的更宽峰值，并有助于降低应变依赖性。同样，再生沥青胶浆的破坏应变也高于90#。这些都表明，添加人造RAP 结合料和WMA添加剂可以提供更好的抗疲劳性能。此外，RAP-C能够承受由于加入人工RAP 结合料而产生的最高剪切应力。相反，WMA 添加剂R 的峰值应力最低，甚至低于90#，完全抵消了RAP 结合料的优点。

2.1.2 疲劳寿命

采用VECD 法（如图2 所示）计算了F/A 分别为0.0 和0.5 的沥青胶浆在3%应变水平下的疲劳寿命。图2（a）显示，由于较低的应变敏感性和增加的峰值应力，人造RAP 结合料的疲劳寿命从5987 显著增加到11316。说明在一定含量下的RAP 结合料有利于某些类型沥青结合料的疲劳寿命，而再生沥青混合料疲劳性能的劣化可能是由于RAP 集料与原结合料的混合效率差、界面强度差等因素造成的。同样，与RAP-C 相比，RAP-R 和RAP-M 都表现出更高的疲劳寿命。因此，WMA 添加剂有助于提高疲劳潜力，M 的作用更为明显。同时，F/A 为0.5 的沥青胶浆的疲劳寿命降低表明：矿物填料会降低应变控制载荷下的疲劳性能，与应变响应曲线的结果一致。不同矿物掺合料对沥青混合料疲劳寿命的影响也不同。

图2 F/A 为0 和0.5 时的疲劳寿命

2.2 时间扫描测试分析

在应力控制载荷模式下，沥青胶浆的疲劳寿命由SN 峰值疲劳破坏规律与使用其他三种方法获得的疲劳寿命的关系如图3 所示。Nf-DER、Nf-RDEC与NfS×N的趋势线吻合良好，表明这三种失效定义方法之间有很好的一致性。除Nf50的这种方法外，其余三种疲劳破坏准则均基于能量理论，因此可以得到较好的相关性，疲劳寿命Nf50与NfS×N的偏差最大，研究结果表明50%刚度折减破坏规律可以任意确定沥青材料的疲劳破坏行为，基于能量的方法对沥青材料的疲劳寿命评估更为可取。

图3 NfS×N 与Nf-DER、Nf-RDEC 和Nf50 的相关关系

然而，用LAS 和时间扫描试验评价沥青胶浆的疲劳性能还存在一些不足。由于矿物填料分布不均匀，LAS 试验不适用于高F/A 沥青胶浆。此外，复剪切模量过高的高F/A 沥青胶浆的疲劳性能在某些情况下可能无法用时间扫描试验来评价，由于这类材料的硬度过大，超出了DSR 的测试能力，矿物填料的不均匀分布也会在一定程度上影响时间扫描试验结果。