冻融循环对热再生沥青混合料耐久性能的影响

2023-01-18刁锡刚陈智勇朱云升王开凤李华聪

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2022年6期

刁锡刚陈智勇朱云升王开凤李华聪

(四川省交通建设集团股份有限公司1) 成都 610047) (武汉理工大学交通与物流工程学院2) 武汉 430063)

0 引言

热再生技术的运用为产生病害的沥青路面进行局部补修、大修，以及路面改建提供了新的方法和途径，而厂拌热再生沥青路面在实际工程应用中，往往比新沥青路面更容易出现裂化现象，导致再生沥青路面过早的进入维修养护阶段[1].

陈雅雯[2]研究了热再生沥青混合料的路用性能，发现其主要和RAP(reclaimed asphalt pavement)掺量有关，但总体和新拌沥青混合料路用性能相差不大.李兆生等[3]比较了未冻融和冻融后的沥青混合料的高温性能、抗压强度、回弹模量及疲劳性能的性能衰变规律，对冻融作用下沥青混合料的损伤特性进行了定性分析.结果表明：冻融循环作用使得沥青混合料的蠕变速率增大，且应力敏感性增大；沥青混合料的抗压强度及回弹模量均随冻融循环次数的增加而降低，损伤变量的呈现3阶段特征.

文中采用冻融循环来模拟水温作用对厂拌热再生沥青混合料性能的影响，冻融循环次数设置为0、1、3和6次，通过劈裂试验、动态蠕变试验、半圆弯曲试验来评价厂拌热再生沥青混合料的抗水损害能力、高温稳定性、低温抗裂性.

1 材料和试验方法

1.1 原材料

试验所用沥青原材料类型为70号基质沥青，基本性能指标见表1，试验所用粗细新集料均为石灰岩，基本性能指标检测结果见表2，填料为石灰岩矿粉，基本性能指标检测结果见表3.

表1 70号基质沥青基本性能指标检测结果

表2 粗细新集料基本性能指标试验结果

表3 矿粉基本性能指标试验结果

本研究使用的回收RAP料来源于山西省某高速路段养护维修过程中铣刨的回收料，采用燃烧法可以得到RAP中的旧集料的级配和旧沥青的含量，旧集料级配见图1，基本性能指标检测结果见表4～5，旧沥青含量为4.5%，通过三大指标试验获取旧沥青的老化程度指标，见表6.

图1 级配筛分曲线

表4 旧细集料主要检测指标

表5 旧粗集料主要检测指标

表6 旧沥青与70号基质沥青指标对比

1.2 级配及最佳沥青用量

RAP原级配为AC-13，因此热再生沥青混合料和新拌沥青混合料配合比采用规范规定的AC-13中级配，其中热再生沥青混合料中RAP掺量为35%，最佳沥青用量为4.46%，新拌沥青混合料最佳沥青用量为4.45%.

1.3 试验方法

1.3.1试件冻融循环处理

采用冻融循环处理模拟外部水温的作用，采用多次冻融加深长期水温作用对再生料的性能影响[4]，冻融循环处理具体步骤为：对试件进行15 min的真空饱水，然后在常压下浸水30 min，再将试件放入塑料袋，加入10 mL的水，放入到-10 ℃的低温箱中保温16 h，最后放入60 ℃的恒温箱中解冻24 h，此为一次.设置循环次数为0，1，3和6次，再对试件分别进行劈裂试验、动态蠕变试验和低温半圆弯曲试验(semi-circular bending test, SCB).

1.3.2试验条件

劈裂试验的试验温度为25 ℃，加载速率设置为50 mm/min；动态蠕变试验采用单轴加载方式，轴向压力为0.7 MPa，加载周期为1s，其中包括0.1 s的半正弦压力荷载和0.9 s的间隔时间，试验温度控制在60 ℃，试验终止条件为荷载作用次数达10 000次或轴向累计应变达试件高度的5%或蠕变曲线进入第3阶段[5]；SCB试验试验温度为-5 ℃，加载速率设置为1 mm/min，选取支点间距为80%的试件直径，试验开始时对试件进行0.1 kN的预压[6].劈裂试验在全自动沥青压力试验机上进行，动态蠕变试验和SCB试验均在MTS试验机上进行，每个试验进行四组平行试验.

2 试验结果及讨论

2.1 水温作用对热再生沥青混合料水稳定性的影响

热再生沥青路面的水损害会导致路面出现松散，坑槽现象，甚至导致路面开裂，这极大的影响了其耐久性能，从而降低路面的实际使用寿命[7].王抒音等[8]针对冻融劈裂对高速重载条件下的破坏力模拟偏小的问题，采用多次冻融循环试验模拟沥青路面高速重载交通下的实际损坏过程，以冻融循环劈裂强度比为评价指标，能够更好的反应沥青混合料的抗水损能力.冻融劈裂试验评价沥青混合料水稳定性的指标为劈裂强度和劈裂抗拉强度比，试验结果见图2.

图2 沥青混合料劈裂强度和劈裂抗拉强度比

由图2可知：新拌沥青混合料的劈裂强度普遍比热再生沥青混合料高，这是因为热再生沥青混合料中老化沥青在旧集料表面形成了黏度较大的强作用界面，导致新旧集料不能完全融合，从而降低了沥青胶结料的黏性，经过一次冻融作用后，新拌沥青混合料和热再生沥青混合料的劈裂强度差距增大，最大相差40%，而劈裂强度可以反应沥青混合料的抗拉强度，由于再生料中老化沥青的影响导致其抗拉强度随之减小；对比再生料和新拌料的劈裂强度比可以发现，经过一次冻融后再生料劈裂抗拉强度比比新拌料下降明显，劈裂强度衰减率达到23%，而后经过多次冻融循环后，再生料和新拌料的劈裂强度比下降速率保持一致，这是因为老化沥青的黏附性不如新沥青，再生料中沥青与集料之间黏结力的下降幅度比新沥青的大，从而导致再生料的水稳定性明显低于新拌料.

2.2 水温作用对热再生沥青混合料高温稳定性的影响

沥青路面车辙或永久变形就是沥青及沥青混合料黏弹性特性的直接反映[9].蠕变试验可以用来研究沥青混合料的高温变形特征，其中动态蠕变试验比静载蠕变试验更能反映沥青混合料的黏弹性.参照美国NCHRP(national co-operative highway research program)采用重复加载动态蠕变试验评价沥青混合料在不同冻融次数影响下的高温性能.

动态蠕变试验进行过程中通过采集轴向应力和应变数据，得到累计永久变形和重复荷载作用次数的曲线图，典型永久应变与荷载作用次数曲线发展过程可分为三个阶段[10]：第一阶段永久变形的累积非常快，但累计率是逐渐下降的；第二阶段属于稳定期，永久变形的累计率相等；第三阶段属于破坏期，永久变形累计率逐渐增大.由此可见，第二阶段和第三阶段的连接点可以用来评价沥青混合料高温车辙性能的指标，定义为流动荷载作用次数(FN)，FN越大，则抗车辙性能越好.

FN可以通过下述三阶段模型计算得出：

(1)

式中：εp为累积永久应变；N为荷载作用次数；Nps为对应于第二阶段端头的荷载作用次数；Nst为对应于第三阶段端头的荷载作用次数；εps为对应于第二阶段端头的永久应变；εst为对应于第三阶段端头的永久应变；a，b，c，d和f为与试验条件有关的材料参数.

不同冻融次数下的再生料和新拌料累计应变曲线见图3，命名方式为沥青料种类-冻融次数.

图3 沥青混合料累计永久应变曲线

根据累计永久应变曲线拟合得到流动荷载作用次数FN和对应的累计应变见表7.

表7 不同冻融循环次数后沥青混合料动态蠕变试验结果

由表7可知：再生料的未冻融试件的流变荷载作用次数FN比新拌料的要大，说明再生混合料抗车辙性能有明显的提高.经过冻融循环后沥青混合料的流变次数都呈下降趋势，说明再生料和新拌料经水温循环作用后，抗车辙能力都会降低；对于FN对应的累计应变，新拌料呈上升趋势而再生料呈先上升后下降趋势，这体现了再生料具有更小的粘性导致其能承受的变形更小.以未冻融的沥青混合料试件流变次数为基准，计算得到多次冻融后的流变次数衰减率见图4.

图4 冻融循环后沥青混合料流变次数衰减率

由图4可知：在一次冻融循环下，新拌料的流变次数衰减率较小，但在多次冻融循环后，其衰减率陡然增加，说明多次冻融循环对沥青混合料的抗车辙性能影响较大；长期冻融作用下新拌料比再生料具有更好的高温抗变形能力，而再生料虽然前期FN较大，但在长期冻融作用下由于沥青胶结料直接粘结不紧密，会出现剥落现象，因此高温稳定性急剧降低.

2.3 水温作用对热再生沥青混合料低温抗裂性能的影响

断裂能代表的是试件产生开裂破坏所需要的能量，断裂能越大则沥青混合料抗裂性能越好[11]，计算公式为

Gt=Wf/Alig

(2)

对SCB试验荷载-位移曲线采用ORIGIN软件进行幂函数拟合，积分从位移为0开始，到达到最大荷载时对应的位移结束，试验曲线和积分上下限包围的面积即为断裂功，不同冻融次数后的沥青混合料半圆弯曲试件断裂能见表8.

表8 冻融循环后半圆弯曲试验结果

由表8可知：冻融作用下下再生料的最大破坏荷载均大于新拌料，而破坏时对应位移均小于新拌料，说明RAP的掺入会使得沥青混合料低温强度提高但低温抗变形能力减弱，通过对比新拌料和再生料的断裂能，可以发现，同等条件下再生料的断裂能均小于新拌料，且随着冻融次数的增加，再生料和新拌料的断裂能的差距越来越大，在6次冻融循环后再生料较新拌料断裂能下降53.3%，说明长期水温作用下，再生料的低温抗裂性更差，冻融作用对再生料的损害作用更强.以未冻融沥青混合料试件断裂能为基准，将再生料和新拌料经不同冻融次数的断裂能衰减率绘于图5.

图5 不同冻融次数下沥青混合料断裂能衰减率

与高温稳定性耐久性衰变规律不同的是，再生料和新拌料在一次冻融时断裂能衰减率相差不大，均为20%，而随着冻融次数的增加，两者的差距逐渐拉开，且相比于新拌料，再生料的断裂能衰减率有随着冻融次数的增加而增大的趋势，在3～6次冻融之间，再生料断裂能衰减率为16.5%，而新拌料衰减率为11.3%，说明冻融循环作用对热再生沥青混合料的低温抗裂性损害作用更大，热再生沥青混合料在长期水温作用下的低温耐久性更差，这也进一步验证了再生沥青路面相比于新沥青路面有着更快的开裂速率.