乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能試驗(yàn)研究

張領(lǐng)先

(1.貴州省交通建設(shè)工程造價(jià)管理站；2.貴州省交通技術(shù)中心，貴州 貴陽 550000)

乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能試驗(yàn)研究

張領(lǐng)先1，2

(1.貴州省交通建設(shè)工程造價(jià)管理站；2.貴州省交通技術(shù)中心，貴州 貴陽 550000)

乳化瀝青冷再生混合料是一種節(jié)能環(huán)保型瀝青路面材料，瀝青用料較低，施工便捷，同時(shí)其力學(xué)強(qiáng)度可達(dá)到高速公路基層或下面層的要求。為了詳細(xì)探究乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能，主要對乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能試驗(yàn)過程進(jìn)行詳細(xì)分析，探究再生混合料不同因素對混合料疲勞性能的影響。

乳化瀝青；疲勞試驗(yàn)；影響

1 引 言

乳化瀝青冷再生技術(shù)指的是將需要返修或廢棄路面進(jìn)行銑刨、回收、破碎、篩分，并結(jié)合實(shí)際情況添加新集料，以乳化瀝青作為結(jié)合料，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，并重新拌合所形成的再生混合料，能夠有效滿足路用性能要求，適用于各種瀝青路面修筑，已經(jīng)成為主要的道路冷再生技術(shù)之一。因此，對乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 疲勞試驗(yàn)設(shè)備

在本次拉伸疲勞試驗(yàn)研究中，試驗(yàn)設(shè)備選擇英國CooperResearchTechnology有限公司制造的Cooper疲勞試驗(yàn)機(jī)。在疲勞試驗(yàn)中，試驗(yàn)設(shè)備選擇英國CooperResearchTechnology有限公司生產(chǎn)的CooperNU多功能氣動(dòng)伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，其可以通過應(yīng)用壓縮、拉伸及動(dòng)態(tài)波形等加載形式，加載頻率為0～100 Hz范圍的正弦、半正弦、方波、脈沖方波、正切波等。該系統(tǒng)的試驗(yàn)內(nèi)容包括拉伸疲勞試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)、靜態(tài)蠕變試驗(yàn)、四點(diǎn)彎曲小梁疲勞試驗(yàn)等等。

3 疲勞試驗(yàn)條件的選擇與確定

3.1 疲勞試驗(yàn)應(yīng)力水平確定

在本次試驗(yàn)中，路面維修方案為銑刨原路面上面層6 cmAC-16、下面層8 cmAC-20及10 cm水穩(wěn)基層后，鋪設(shè)透層油后及時(shí)鋪撒稀漿封層，然后再進(jìn)行13 cm乳化瀝青廠拌冷再生基層鋪筑施工，并鋪設(shè)一層7 cm廠拌熱再生AC-20C瀝青混合料下面層，最后加鋪新拌4 cmSMA-13改性瀝青混合料上面層。通過BISAR3.0軟件，反算出面層層底拉應(yīng)力為0.15 MPa，在本次疲勞試驗(yàn)過程中，應(yīng)力水平分別確定為0.3、0.4、0.5。不同類型的乳化瀝青冷再生混合料劈裂強(qiáng)度及相應(yīng)的應(yīng)力水平如表1所示。

表1 疲勞試驗(yàn)應(yīng)力水平表(MPa)

3.2 疲勞試驗(yàn)加載控制模式確定

在本次試驗(yàn)研究中，為了探究乳化瀝青冷再生混合料的疲勞性能，采用控制應(yīng)力荷載方式進(jìn)行試驗(yàn)。控制應(yīng)變試驗(yàn)又可以被稱為常值應(yīng)變試驗(yàn)，需要注意的是，在試驗(yàn)過程中，必須保證在各次加載狀態(tài)下，常量應(yīng)變保持不變。隨著荷載重復(fù)次數(shù)的不斷增加，混合料強(qiáng)度會(huì)不斷降低，在這種情況下，作用荷載會(huì)逐漸降低，同時(shí)應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)試件作用的應(yīng)力下降至初始應(yīng)力的50%時(shí)，即可得出疲勞壽命，即荷載重復(fù)作用次數(shù)。

3.3 疲勞試驗(yàn)荷載波形和頻率的確定

進(jìn)行室內(nèi)的疲勞試驗(yàn)時(shí)，荷載的加載時(shí)間按照Vanderpoel的公式來計(jì)算

t=1/2πf

(1)

當(dāng)加載頻率為10 Hz時(shí)，加載時(shí)間為

t=1/2πf=0.016s

(2)

其中，加載時(shí)間0.016 s相當(dāng)于在瀝青路面行駛中，車輛的形式速度控制在60～65 km/h之間，如果瀝青路面面層為20 cm，則大致相當(dāng)于在瀝青表面行駛中，行車速度為77 km/h，在我國《公路工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定，高等級路面的行車速度在60～120 km/h之間，因此，10 Hz的加載頻率比較適宜。

3.4 疲勞試驗(yàn)破壞狀態(tài)的判斷

關(guān)于疲勞破壞的評定，通常考慮，在應(yīng)變控制模式下，試件不會(huì)產(chǎn)生裂縫問題，因此，可以將疲勞破壞評定標(biāo)準(zhǔn)定位試件的勁度模量下降到初始模量的50%；在應(yīng)力控制模式下，試件疲勞破壞評定標(biāo)準(zhǔn)為試件發(fā)生斷裂。在本次試驗(yàn)研究中，劈裂疲勞試驗(yàn)疲勞壽命的評定標(biāo)準(zhǔn)為：在試驗(yàn)過程中，加載次數(shù)不斷增加，與此同時(shí)，試件的垂直變形速度越來越快，在此過程中，疲勞壽命指的是拐點(diǎn)所對應(yīng)的加載次數(shù)，如圖1所示。

圖1 疲勞壽命判斷標(biāo)準(zhǔn)

在本次試驗(yàn)中，綜合考慮貴州地區(qū)高溫多雨條件，試驗(yàn)溫度選為5 ℃、15 ℃、20 ℃，在不同溫度條件下進(jìn)行試驗(yàn)，詳細(xì)探究再生瀝青混合料的疲勞特性。

4 疲勞壽命方程與性能分析

4.1 乳化瀝青含量對疲勞壽命的影響

在進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)過程中，再生瀝青混合料乳化瀝青含量分別為2%、3%和4%，試驗(yàn)溫度15 ℃，加載頻率為10 Hz，試驗(yàn)應(yīng)力比控制在0.3～0.5之間。在試驗(yàn)過程中，如果瀝青含量相同，則隨著應(yīng)力比的不斷增加，再生混合料的疲勞壽命會(huì)不斷減小，本文采用單對數(shù)方程進(jìn)行回歸擬合。

lgNf=K-nσ

(3)

在公式(3)中，σ指的是應(yīng)力水平，式中σ為指的是應(yīng)力水平，系數(shù)n值指的是再生混合料疲勞壽命對施加應(yīng)力的敏感程度，如果n值比較大，則說明疲勞壽命對應(yīng)力水平的敏感程度也比較大，系數(shù)值指的是疲勞曲線的位置，如果值比較大，則曲線越靠向上方，這就說明材料具有良好的抗疲勞性能。

圖2 不同瀝青含量的疲勞壽命

對于疲勞方程，采用F進(jìn)行回歸檢驗(yàn)，在本次試驗(yàn)中，在所有再生瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果回歸后，均需要應(yīng)用該方程進(jìn)行檢驗(yàn)，如圖2所示。

通過對圖2分析可見，隨著瀝青含量的不斷增加，疲勞曲線之間的間距也會(huì)越來越大，而疲勞方程系數(shù)值和n值的降幅逐漸增加，由此可見，再生瀝青混合料的抗疲勞性能逐漸降低，而疲勞壽命對應(yīng)力的敏感程度也在隨之降低。除此以外，通過圖2分析可見，4%的再生混合料以及3%再生瀝青混合料與比2%的乳化瀝青含量混合料相比，疲勞曲線的間距比較小，并且疲勞方程系數(shù)值和n值相差比較小。

4.2 水泥含量對疲勞壽命的影響

對再生瀝青混合料水泥含量分別為1%、2%、3%的再生瀝青混合料進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)。將試驗(yàn)溫度控制在15 ℃，加載頻率為10 Hz，試驗(yàn)應(yīng)力比在0.3～0.5之間。隨著水泥含量的增加，n不斷減小，在不同的應(yīng)力比下，疲勞壽命變化的劇烈，隨著水泥含量增加，疲勞壽命減小，由此可見，如果水泥含量比較高，則混合料的脆性會(huì)比較大，容易產(chǎn)生脆性斷裂。

4.3 溫度對疲勞壽命的影響

為了探究溫度對于疲勞壽命的影響，可以采用混合料的勁度進(jìn)行描述，在一定范圍內(nèi)，隨著溫度的不斷下降，瀝青混合料的勁度會(huì)不斷增加，在控制應(yīng)力的加載模式下，在承受一定盈利條件下，應(yīng)變逐漸降低，這就會(huì)造成疲勞壽命增長；如果對試件采用在控制應(yīng)變模式，則試件為粘彈狀，其所產(chǎn)生的破壞主要為塑性變形，因此，很難判斷試件是否發(fā)生破壞。對此，為了詳細(xì)探究溫度因素對于疲勞試驗(yàn)結(jié)果的影響，對乳化瀝青含量3.7%、水泥含量2%下的再生混合料分別進(jìn)行5 ℃、15 ℃、20 ℃間接拉伸疲勞試驗(yàn)。在應(yīng)力控制影響下，隨著溫度的升高，再生混合料的疲勞阻抗會(huì)不斷降低，與此同時(shí)，疲勞壽命對應(yīng)力水平的敏感程度也有所減弱。

5 結(jié) 語

根據(jù)本次試驗(yàn)，再生混合料壽命對乳化瀝青、水泥均敏感，過多或過少的瀝青和水泥含量都將對疲勞壽命產(chǎn)生較大的影響。水泥含量增加時(shí)，再生混合料疲勞壽命降低。綜合考慮，建議水泥不能過高，最好不超過2%。4%乳化瀝青含量比3%在乳化瀝青含量的混合料疲勞壽命大。

[1] 周源.水泥含量對乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能的影響[J].中外公路，2013，33(1)：226-229.

[2] 汪德才，郝培文，魏新來.乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能及影響因素[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，42(4)：541-546.

[3] 黃磊.水泥乳化瀝青多次冷再生混合料的路用性能研究[J].中外公路，2013，33(5)：235-238.

U416.217

C

1008-3383(2017)11-0069-02

2017-10-17

張領(lǐng)先(1979-)，男，黑龍江人，高級工程師，研究方向：道路工程。