基于鉆芯取樣的廠拌熱再生瀝青路面性能試驗研究*

卜胤,祝譚雍,王斯倩

(1.江西省天馳高速科技發展有限公司,江西 南昌 330031；2.江西省高速公路養護工程技術研究中心,江西 南昌 330025；3.江西省高速公路投資集團有限責任公司,江西 南昌 330025)

廠拌熱再生技術是江西省“十三五高速公路養護工作規劃”中重點推廣的關鍵養護技術。2016年江西省首次在高速公路路面養護中應用廠拌熱再生技術,試驗段位于福銀(福州—銀川)高速公路溫沙段上行K471＋110—K472＋636處,再生路面結構為中面層。2017年,對該段下行K483＋919—K486＋790中面層進行廠拌熱再生處治。目前,對廠拌熱再生瀝青混合料性能的分析大都依托室內成型的試件,缺少對廠拌熱再生實體養護工程的跟蹤檢測和系統評價。該文對福銀高速公路溫沙段已通車的廠拌熱再生路段鉆取芯樣,通過試驗對廠拌熱再生瀝青混合料的路用性能進行分析。由于部分試驗指標沒有規范值供參考,對通車時間相同的由同一施工單位鋪筑的普通熱拌瀝青混合料路用性能進行對比研究。

1 試件材料組成與體積參數

現場廠拌熱再生結構層為AC－20中面層,采用與普通熱拌瀝青混合料相同的石灰巖新集料和70＃SBS改性瀝青,RA－25再生劑含量為舊瀝青質量的3%,RAP摻配比例為30%。為減少施工質量和行車荷載對瀝青混合料造成不均勻性影響,在2 km路段內的行車道上均勻鉆取芯樣(見圖1),對芯樣進行切割保留中面層,采用表干法實測得到各芯樣的空隙率(見表1),通過抽提篩分得到瀝青混合料的級配和油石比(見表2)。從表1、表2來看,廠拌熱再生瀝青混合料與普通熱拌瀝青混合料的空隙率相差較小,廠拌熱再生瀝青混合料與普通熱拌瀝青混合料的級配較接近,廠拌熱再生瀝青混合料的油石比較普通熱拌瀝青混合料大。

圖1 福銀高速公路溫沙段現場鉆取的芯樣

表1 AC-20瀝青混合料的空隙率

續表1

表2 AC-20瀝青混合料的級配和油石比

2 試驗方法

瀝青混合料路用性能主要包括高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性和抗疲勞性能。評價高溫穩定性的常用方法主要有車轍試驗、馬歇爾試驗、三軸試驗和環道試驗等,由于現場鉆取芯樣尺寸限制,常用試驗方法不適用,選用由東南大學黃曉明教授提出的局部三軸試驗進行高溫穩定性評價。評價抗疲勞性能的常用試驗方法主要有三點彎曲試驗、四點小梁彎曲試驗、間接拉伸疲勞試驗和加速加載試驗等,其中間接拉伸疲勞試驗可很好地模擬瀝青混合料的疲勞破壞過程,且易獲取試驗所需試件。低溫抗裂性和水穩定性分別采用低溫劈裂試驗、凍融劈裂強度試驗進行評價。此外,由于再生料中舊瀝青性能難以完全恢復,廠拌熱再生瀝青混合料具有硬脆性,有必要對其斷裂性能進行評價。SCB半圓彎曲試驗既能較好地模擬實際路面結構的受力狀態,且在支點處摩擦力小,更適合評價混合料的抗拉強度。因此,采用SCB半圓彎曲試驗評價瀝青混合料的斷裂性能。為減少施工質量對試驗的影響,相同試驗采用相近的壓實度。

(1)局部三軸試驗。利用UTM－130 kN萬能材料試驗機對廠拌熱再生和普通熱拌瀝青混合料芯樣進行局部三軸試驗,壓頭直徑為75 mm,試件尺寸為φ150 mm×H75 mm(見圖2)。為避免偏心受力,兩端橫截面平行,高度允許誤差為±0.5 mm。試驗開始前施加5 k Pa應力穩壓5 min,穩壓完成后施加軸向應力100 k Pa,采用0.1 s加載、0.9 s間歇的半正弦波荷載,分別在試驗溫度40和50℃下進行試驗。為達到規定的試驗溫度,試件放在烘箱中至少加熱4 h,移入UTM環境箱中繼續保溫1 h后進行試驗。

圖2 局部三軸試驗

(2)低溫劈裂試驗和凍融劈裂強度試驗。按照JTG E20－2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》,分別對廠拌熱再生和普通熱拌瀝青混合料進行低溫劈裂試驗、凍融劈裂強度試驗。低溫劈裂試驗的試件尺寸為φ100 mm×H40 mm,加載速率為1 mm/min,試驗溫度為－10℃,試件在低溫環境箱中保溫至少6 h。凍融劈裂試驗的試件尺寸符合馬歇爾試件要求,加載速率為50 mm/min。

(3)間接拉伸疲勞試驗。采用UTM－130 kN動態伺服液壓萬能材料試驗機進行間接拉伸疲勞試驗(見圖3)。采用應力控制方式進行加載,加載頻率為10 Hz,加載波形為半正弦波。為加快試驗速度,相鄰波形之間無間歇時間。采用0.4、0.6、0.8 3個應力水平,試驗溫度為15℃。試驗前進行瀝青混合料劈裂強度試驗,得到最大破壞荷載,確定不同應力水平下荷載加載值。

圖3 間接拉伸疲勞試驗

(4)SCB半圓彎曲試驗。通過SCB半圓彎曲試驗得到瀝青混合料的斷裂韌度JC,評價瀝青混合料的抗裂性能。SCB半圓彎曲試驗利用2個底部支撐滾軸作為試件支點,減少試件與支點之間的摩擦,同時防止試驗過程中支點對試件產生水平力,上部居中位置采用一個圓柱加載條對試件施加垂直荷載(見圖4)。將φ150 mm×H80 mm芯樣和室內成型試件切割成4個直徑為150 mm、厚度為40 mm的半圓試件,采用超薄金剛石切割片在半圓試件的中部位置分別切割10、20、30 mm 3種不同切口深度的縫。試驗采用萬能材料試驗機進行,選擇國內外大部分研究者采用和推薦的試驗參數,便于對數據結果進行分析和評價。底部兩支點間距為0.8D,即120 mm,試驗溫度為25℃,在水浴中恒溫至少1 h,加載速率為0.5 mm/min。試驗過程中采集荷載與位移,得到荷載－位移曲線,斷裂能為開始加載至試件斷裂時峰值荷載曲線下的面積。按下式計算瀝青混合料的斷裂韌度JC：

式中：b為試件厚度(mm)；U為斷裂能(kJ)；a為切口深度(mm)。

圖4 SCB半圓彎曲試驗

3 試驗結果與分析

3.1 高溫穩定性

廠拌熱再生與普通熱拌瀝青混合料局部三軸試驗結果見表3和圖5。

表3 AC-20瀝青混合料局部三軸試驗結果

圖5 AC-20瀝青混合料局部三軸試驗永久變形曲線

由表3可知：2016年施工的廠拌熱再生瀝青混合料的流動次數比2016年普通熱拌瀝青混合料大94%,穩定期斜率比普通熱拌瀝青混合料小41%；2017年施工的廠拌熱再生混合料的流動次數比2017年普通熱拌瀝青混合料大3倍,穩定期斜率只有普通熱拌瀝青混合料的20%,高溫性能差異更顯著。廠拌熱再生瀝青混合料的高溫穩定性比普通熱拌瀝青混合料的好,具有優異的抗高溫永久變形能力。主要原因是舊瀝青經過長期老化變硬,軟化點和粘度增加,熱再生混合料高溫抗變形能力得到提高。

由圖5可知：瀝青混合料的高溫變形大致分為遷移期、穩定期、破壞期3個階段,表明局部三軸試驗可很好地模擬瀝青混合料的高溫變形過程；普通熱拌瀝青混合料的永久變形速度比廠拌熱再生瀝青混合料更快,發生破壞時間更早。

3.2 低溫抗裂性能

廠拌熱再生與普通熱拌瀝青混合料低溫劈裂試驗結果見圖6。

圖6 AC-20瀝青混合料低溫劈裂試驗結果

由圖6可知：2016年施工的AC－20廠拌熱再生瀝青混合料的劈裂抗拉強度比2016年普通熱拌瀝青混合料小13%,2017施工的AC－20廠拌熱再生瀝青混合料的劈裂抗拉強度比2017年普通熱拌瀝青混合料小9%,表明廠拌熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性能比普通熱拌瀝青混合料差。這是由于舊瀝青在長期使用過程中變脆,勁度增加,熱再生瀝青混合料在低溫條件下產生的應變更小,更易發生開裂破壞。但2016、2017年施工的廠拌熱再生瀝青混合料的劈裂抗拉強度不低,分別能達到2.71和3.06 MPa。

3.3 水穩定性

廠拌熱再生與普通熱拌瀝青混合料凍融劈裂強度試驗結果見表4。

表4 AC-20瀝青混合料凍融劈裂強度試驗結果

由表4可知：1)2016年施工的AC－20廠拌熱再生瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比比2016年普通熱拌瀝青混合料小22%,2017施工的廠拌熱再生瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度比比2017年普通熱拌瀝青混合料小2%,表明廠拌熱再生瀝青混合料的水穩定性比普通熱拌瀝青混合料差。瀝青混合料的水穩定性主要與瀝青的粘附性有關,由于舊瀝青的老化和舊料加熱溫度不高,瀝青與新集料之間的粘附性變差,經過水的軟化作用更易產生剝落,降低了熱再生瀝青混合料的水穩定性。2)凍融前后廠拌熱再生瀝青混合料的劈裂抗拉強度均比普通熱拌瀝青混合料的高,表明在短期水作用下,廠拌熱再生瀝青混合料比普通熱拌瀝青混合料具有更好的抗水損害能力,但長期水穩定性有所下降。

3.4 抗疲勞性能

分別將AC－20廠拌熱再生和普通熱拌瀝青混合料的疲勞壽命與應力比進行單對數回歸擬合,疲勞壽命方程見式(2),擬合結果見圖7。

式中：N為疲勞壽命；σ為應力水平；截距k表示相同應力水平下疲勞壽命的大小,斜率n表示應力水平對疲勞壽命的影響程度,k、n能反映瀝青混合料的抗疲勞性能,其值越大,抗疲勞性能越好。

由圖7可知：廠拌熱再生瀝青混合料的k值比普通熱拌瀝青混合料大,n值比普通熱拌瀝青混合料小,表明相同應力水平下廠拌熱再生瀝青混合料的疲勞壽命更長,疲勞壽命隨應力水平變化的敏感性更小。其原因,一是老化瀝青的存在使廠拌熱再生瀝青混合料具有更大的抗拉強度；二是廠拌熱再生瀝青混合料的瀝青含量比普通熱拌瀝青混合料大,廠拌熱再生瀝青混合料具有一定的塑性抗變形破壞能力；三是瀝青混合料的抗疲勞性能與試驗方法有一定關系,間接拉伸疲勞試驗方法和應力控制加載方式可能傾向于較大抗拉強度的瀝青混合料具有更好的抗疲勞性能。

圖7 AC-20瀝青混合料疲勞方程曲線

3.5 抗斷裂性能

廠拌熱再生與普通熱拌瀝青混合料SCB半圓彎曲試驗結果見圖8。

圖8 AC-20瀝青混合料隨切口深度變化的斷裂能

由圖8可知：1)初期隨著試件慢慢變形,荷載接近線性增大；達到峰值后,裂縫開始迅速擴展,由于瀝青粘結力和集料內摩擦力的存在,應力表現為非線性緩慢下降。2)不同切口深度的試件開裂時吸收的能量有明顯差別,切口淺的試件吸收的能量大于切口深的試件吸收的能量。斷裂能與試件切口深度具有較高的相關性,根據斷裂能與試件切口深度的擬合方程得到瀝青混合料的斷裂韌度見圖9。

圖9 AC-20瀝青混合料的斷裂韌度

由圖9可知：廠拌熱再生瀝青混合料的斷裂能比普通熱拌瀝青混合料大,2016、2017年施工的廠拌熱再生瀝青混合料的斷裂韌度分別比普通熱拌瀝青混合料大81%、15%。根據相關研究成果,斷裂韌度大于0.65 kJ/m2時,瀝青混合料具有良好的抗斷裂能力。廠拌熱再生瀝青混合料的抗斷裂能力強,是因為RAP中舊瀝青的存在,再生瀝青混合料瀝青粘度更大,增加了瀝青混合料的抗拉強度；施工時摻加新瀝青的廠拌熱再生瀝青混合料的總瀝青含量比普通熱拌瀝青混合料高,廠拌熱再生瀝青混合料具有良好的塑性。

4 結論

基于現場鉆芯取樣對廠拌熱再生瀝青路面性能進行試驗研究,結論如下：1)普通熱拌瀝青混合料的永久變形速度比廠拌熱再生瀝青混合料更快,發生破壞時間更早。由于舊瀝青經過長期老化變硬,軟化點和粘度增加,廠拌熱再生瀝青混合料的高溫穩定性顯著優于傳統新拌瀝青混合料。2)廠拌熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性能比普通熱拌瀝青混合料差,這是由于舊瀝青在長期使用過程中變脆,勁度增加,廠拌熱再生瀝青混合料在低溫條件下產生的應變更小,更易發生開裂破壞。3)廠拌熱再生瀝青混合料的水穩定性比普通熱拌瀝青混合料差,但仍具有較好的抗水損害能力。4)30%RAP摻量的廠拌熱再生瀝青混合料的疲勞壽命更長,疲勞壽命隨應力水平變化的敏感性更強。原因在于老化瀝青的存在和足夠數量新瀝青的添加使廠拌熱再生瀝青混合料既具有更大的抗拉強度,又具有一定的塑性抗變形破壞能力。另外,間接拉伸疲勞試驗方法和應力控制加載方式可能傾向于較大抗拉強度的瀝青混合料具有更好的抗疲勞性能。5)瀝青混合料的斷裂能與試件的切口深度具有較高的相關性。30%RAP摻量的廠拌熱再生瀝青混合料的斷裂能和斷裂韌度比普通熱拌瀝青混合料大,具有更強的抗斷裂能力。這是因為再生瀝青混合料的瀝青粘度更大,瀝青含量更高,具有更大的抗拉強度和良好的塑性。