基于不同加載速率和溫度的冷再生混合料抗裂性能研究

李小鵬 ， 趙 軒， 楊美坤

(1.南京道潤交通科技有限公司 ，江蘇 南京 210002； 2.東南大學，江蘇 南京 211189； 3. 山東省交通規劃設計院有限公司， 山東 濟南 250000)

0 引言

近年來乳化瀝青就地冷再生技術因節約工程材料、環境污染較小、RAP料利用率高等優點在高速公路大中修工程中得到了推廣與利用[1-3]。該技術目前多用于低等級公路或高速公路的基層、下面層。隨著我國對冷再生混合料的不斷深入研究，其應用范圍也不斷擴大，對冷再生混合料的抗裂性能要求也在不斷提高。參考熱瀝青的做法,一般通過在改性乳化瀝青中添加改性劑來不斷提高瀝青的各項性能。目前道路建設最常用的改性劑為聚合物改性劑，如熱塑性樹脂類的SBS和橡膠類的SBR等，而SBR膠乳因其制備簡易、能有效提高混合料的各項路用性能，在乳化瀝青中得到廣泛的應用。

近年來國內外通常采用斷裂試驗的方法定量分析混合料的抗裂性能。由于瀝青混合料是一種復合型的黏彈性材料，其力學響應顯著依賴于加載時的溫度和時間[4]，因此很難在單一試驗條件下表征瀝青混合料的抗裂性能。而SCB半圓彎曲試驗(Semi-circular Bending Test)因其試件制作簡便、路面芯樣取芯方便和可重復性高得到越來越多科研人員青睞。

鑒于此，本文采用無切縫的SCB試驗，研究了溫度和加載速率對靜載條件下冷再生混合料抗裂性能的影響。選擇不同溫度和加載速率的試驗條件，根據荷載-變形曲線，提出了幾種新的斷裂參數來評價瀝青混合料的抗裂性能。

1 原材料

1.1 RAP料

RAP料由某高速公路的上中面層通過大型銑刨機銑刨獲得，得到的RAP經過烘干后測出其級配，避免由于水分造成細集料的黏結聚團現象。RAP料技術指標檢測結果如表1所示，其級配如表2所示。

1.2 乳化瀝青

本文所使用的乳化瀝青有2種，分別為常規普通冷再生乳化瀝青和添加3%SBR膠乳的改性乳化瀝青。SBR膠乳通過攪拌機以1 000 r /min的轉速加入乳化瀝青中。

冷再生混合料所采用的2種專用乳化瀝青試驗結果見表3，其技術要求參考《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T 5521—2019)。依據交通部標準《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)，可以判斷2種乳化瀝青均合格。

表1 RAP料技術指標表類別含水率/%瀝青含量/%砂當量/%針片狀顆粒含量/%技術要求≤3≥3.8≥50≤15檢測結果1.84.76212.1試驗方法T 0305-1994T 0726-2011T 0334-2000T 0312-2005

表2 RAP料篩分級配表篩孔尺寸/mm各篩孔的通過率/%篩分級配級配范圍級配中值篩孔尺寸/mm各篩孔的通過率/%篩分級配級配范圍級配中值26.510010010019.099.790～100 9516.096.1——13.289.3——9.574.460～80 704.7544.835～65 502.3625.520～50 351.1815.5——0.611.7——0.36.5 3～21 120.154.3——0.0752.5 2～8 5

表3 冷再生乳化瀝青試驗檢測結果類別破乳速率電荷黏度標準黏度C25.3/s黏度恩格拉黏度E2525 ℃賽波特黏度篩上殘留物(1.18 mm篩)/%蒸發殘留物殘留物含量/%普通乳化瀝青慢陽離子2211.943.20.0363SBR改性乳化瀝青慢陽離子2712 44.10.0164檢測方法T0658-1993T0653-1993T0621-1993T0622-1993T0623-1993T0652-1993T0651-1993蒸發殘留物針入度(25 ℃)/0.1 mm軟化點/℃延度(5 ℃)/cm溶解度(三氯乙烯)/%與粗集料的黏附性,裹覆面積與粗、細粒式集料拌合試驗常溫貯存穩定性1 d/%5 d/%78.747.7脆斷99.64/5均勻0.060.2 59.159.9≥12099.34/5均勻0.070.23T0604-2011T0606-2011T0605-2011T0607-2011T0654-2011T0659-2011T0655-1993

1.3 水泥

為了提高乳化瀝青冷再生混合料的早齡期強度，添加混合料質量2.0%的水泥，規格為普通硅酸鹽水泥P·O 42.5，檢測指標見表4。

表4 水泥原材料試驗檢測結果類別安定性標準稠度用水量/%細度(80μm/%初凝時間/h檢測結果合格2553.14技術要求合格≤30≤10≥1.5檢測方法GB/T1346-2011終凝時間/h3 d強度/MPa28 d強度/MPa抗折抗壓抗折抗壓4.624.924.18.048.2≤10≥3.5≥16≥6.5≥42.5GB/T 17671-1999

1.4 水

純凈無雜質即可。

2 試件準備及試驗方法

2.1 試件成型

參照工程項目經驗，根據配合比設計結果，冷再生混合料均按照2%水泥、2.79%外摻水量和3.5%乳化瀝青的摻量配比設計進行成型，使用旋轉壓實儀壓實30次進行成型、養生。養生結束后進行試件的切割(見圖1)。

2.2 試驗方法

SCB試驗在UTM-25多功能試驗機中進行試驗(見圖2)。該系統主要由控制臺、測試儀和環境箱3部分組成。試驗裝置采用三點加載模式，頂部由軸向加載頭進行加載，加載的應力由電腦系統控制；底部由2個支撐圓棒組成，圓棒之間的間距為0.8倍的試件直徑，即12 cm。在實際加載前對2種冷再生混合料施加0.2 kN的最大接觸力10 s，以確保加載頭與試件之間的接觸均勻。當力在峰后區域降至0.3 kN時停止試驗。在實際加載過程中，在試件上施加恒定的變形和加載速率，直至破壞。

圖1 半圓試件切割流程

圖2 半圓彎曲試驗裝置

不同的瀝青混合料抗拉強度試驗其加載速率不盡相同，對于SCB試驗加載速率國內并沒有形成統一的規定。對于小梁彎曲試驗，我國《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)規定加載速率通常為50 mm/min，以便與馬歇爾試驗、間接拉伸試驗的加載速率相統一。對于間接拉伸試驗，《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTJ 052—83)規定加載速率為1 mm/min；美國SHRP研究表明，為評價低溫性能，常用較慢的速率模擬氣候降溫的收縮應力作用，如1.27 mm/min。因此本文采用0.1、1、20、50、80 mm/min 5種不同加載速率研究加載速率對SCB試驗的影響。

哈爾濱建筑大學在交通部科研項目“瀝青路面設計指標與參數研究”中，根據對國內各地區的溫度資料統計分析，確定了我國的疲勞當量溫度為15 ℃，發現疲勞破壞主要發生在13 ℃～15 ℃之間，通常認為15 ℃為最不利情況。此外，我國《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)[5]中采用15 ℃時的容許拉應力指標為參數值，《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)[6]中彎曲試驗的溫度也采用15 ℃。因此，本文采用15 ℃作為中溫試驗溫度。美國AASHTO規范中以-10 ℃作為瀝青混合料低溫試驗溫度，而我國《瀝青混合料設計規范》(JTG E20—2011)劈裂試驗中同樣規定以-10 ℃的溫度為評價混合料低溫性能的溫度。因此，本文的低溫試驗溫度確定為-10 ℃。為了后文敘述方便，定義普通乳化瀝青冷再生混合料為CRM，SBR改性乳化瀝青冷再生混合料為MCRM。

2.3 試驗評價參數

豎向加載半圓彎曲SCB試驗的荷載變形曲線樣式為施加荷載隨著變形先增大后減小。為全面描述豎向加載條件下冷再生混合料的開裂性能，本文采用如下參數(見圖3)進行評價。圖中Fmax為最大施加荷載；Wc、Wcf為最大荷載前、后斷裂功能量；Dp為最大荷載時對應的變形；Dcf為Fmax/2荷載時對應的變形。

圖3 SCB試驗斷裂曲線指標含義圖

3 試驗結果及分析

SCB斷裂試驗數據見圖4。

從圖4a和圖4b可以發現，2種冷再生混合料的斷裂強度指標峰值力與抗裂強度在相同溫度下均隨著加載速率提高而增強。當試驗溫度為15 ℃，加載速率從0.1 mm/min提高到80 mm/min，2種冷再生混合料的峰值力和抗裂強度均提高了4倍，表明在中溫條件下，加載速率對冷再生混合料強度指標有顯著影響；而在低溫條件下，冷再生混合料對加載速率的敏感性相對較低。

圖4 斷裂參數變化圖

從圖4c可以發現，在低溫條件下2種冷再生混合料的峰前斷裂功均下降明顯，說明在低溫條件下，MCRM和CRM在達到峰值力前，其力變形曲線快速發展，斜率增大，呈現脆性破壞；在中溫條件下，與CRM相比，MCRM的峰前斷裂功隨著加載速率提升而逐漸增大，說明隨著SBR膠乳增加，其混合料內部的黏結力不斷增大，抵抗開裂的能力也在不斷增強，且呈現明顯的柔性破壞。從圖4d中可以發現，除了中溫條件下CRM，其余條件下的冷再生混合料其峰后斷裂功與峰前斷裂功呈相反的發展趨勢。

從圖4e可以發現，MCRM和CRM在2種溫度下的斷裂能差值隨著加載速率變化均呈現由大變小再變大的趨勢，這意味著在中等速率加載條件下，2種冷再生混合料的溫度敏感性下降，從斷裂能指標分析上來看，不建議以20 mm/min和50 mm/min的加載速率區別冷再生混合料的中低溫抗裂性能。

從圖4f和圖4g可以發現，MCRM抗裂能力均大于CRM，這是由于添加SBR膠乳使混合料強度增大，在中低溫條件下達到開裂破壞時需要產生的變形更大，抵抗開裂的能力得到了顯著提升；圖4g中沒有低溫下的破壞變形是因為在低溫條件下冷再生混合料產生明顯地脆性破壞，峰值力后產生的變形非常小，可以忽略不計。

從圖4h可以發現，在中溫條件下，MCRM和CRM在1 mm/min韌性指數最高，表明在1 mm/min加載速率下2種冷再生混合料在試件開裂時所發生的應變最大，柔韌性最好；在低溫條件下，MCRM和CRM隨著加載速率上升而下降，其低溫柔韌性不斷減弱。

綜上所述，在同一溫度下，添加了3%SBR膠乳的冷再生混合料較普通乳化瀝青冷再生混合料其峰值荷載、抗裂強度、峰前斷裂功、峰后斷裂功、斷裂能、峰值位移、峰后位移和韌性指數都有明顯提升，混合料的抗彎拉能力得到顯著增強。

4 結論

1) 添加3%SBR膠乳可以全面提高冷再生混合料中低溫條件下的抗裂性能。

2) 與低溫條件下相比，中溫條件下加載速率對冷再生混合料的強度影響更加顯著。

3) 從能量角度評價冷再生混合料的抗裂能力，建議以1 mm/min和80 mm/min的加載速率進行半圓彎曲試驗。