高摻量RAP 結合料溫拌瀝青膠漿的疲勞性能評價

趙曉荷

（會寧縣縣鄉公路養護站，甘肅 白銀 730799）

近年來，再生瀝青路面（RAP）以其環境效益和經濟效益在瀝青路面建設中得到了廣泛的應用。一些研究表明，在再生瀝青混合料中使用RAP 的百分比一般不超過30%，由于RAP 含量較高可能會對低溫抗裂性、抗疲勞性、混合效率等產生不利影響，此外，熱再生過程中應考慮較高的施工溫度，這可能導致原結合料的老化和RAP 的二次老化[1]。還有研究表明：溫拌瀝青混合料（WMA）和高RAP 用量的組合可能會提高車轍和抗疲勞性能雙贏的局面，可降低生產溫度，同時允許RAP 在道路施工中的最大利用率，有助于減少綠色氣體的排放和能源成本[2]。

抗疲勞性能仍然是高摻量RAP 瀝青混合料（包括高強度瀝青混合料）的主要問題[3]。因此，有必要對高摻量RAP 結合料的疲勞性能進行系統的研究，以更好地設計相應的混合料。

1 試內試驗

1.1 材料

本文采用原瀝青結合料PG58-22，根據AASHTOT240 和R28，通過RTFO 和PAV 老化制備 了RAP 人工結合料。選擇了改性機理不同的兩種WMA 添加劑R 和M。R 為白色聚乙烯蠟，M 為深棕色粘性液體表面活性劑，用量分別為供應商推薦的瀝青結合料總質量的3%和0.5%。瀝青膠漿的制備選用石灰石粉，礦物填料，基本物理性能均滿足要求。

瀝青膠漿的制備分為兩步。首先，在135℃溫度下，將原瀝青結合料、人工RAP 結合料和WMA 外加劑混合，用高剪切攪拌機攪拌15min，得到高摻量人工RAP 的溫拌瀝青混合料同時,以未添加WMA添加劑的50%人造RAP 結合料和PG58-22 原瀝青結合料作為兩種對照結合料。然后對這些瀝青結合料進行RTFO 和PAV 老化試驗，共制備了12 種不同老化條件下的再生瀝青和基層瀝青混合料，用于制備瀝青膠漿。第二,石灰石填料在105℃的烘箱中處理5h，以確保內部水分完全蒸發。混合前，將礦物填料預熱30min，并將瀝青結合料加熱至150℃下呈流動狀態。然后將兩種組分混合15min 至均勻；在150℃下，使用高剪切攪拌機以10000rpm 的速度攪拌。選擇0.0、0.5、1.0 和1.5 四種填料/瀝青比（以重量為基礎）制備瀝青膠漿，其涵蓋了傳統瀝青混合料中通常使用的整個F/a 范圍（0.6-1.2），有助于建立F/a 和瀝青膠漿性能之間可靠的關系。此外，F/a0.0 的下限可以用來研究高摻量人造RAP 結合料的疲勞性能，而F/a1.5 的上限可以用來研究瀝青膠漿在某些極限設計條件下的性能。

綜上所述，共制備了48 個樣品，使用四種瀝青結合料、四種填料/瀝青比和三種老化等級（原始瀝青、RTFO、PAV）。為了簡潔起見，本文將兩種添加RAP 結合料的WMA 膠漿和兩種不含WMA 添加劑的控制瀝青膠漿分別命名為RAP-R、RAP-M、RAPC 和90#。

1.2 試驗方案

1.2.1 線性振幅掃描（LAS）試驗

LAS 試驗是一種加速試驗，用于表征瀝青結合料或膠漿在長期老化后的疲勞性能。試驗在20℃下進行，共包括兩個階段。第一，在應變控制模式（0.1%）下對樣品進行頻率掃描（0.2-30Hz），使用8mm 平行板和2mm 間隙來確定未損壞的材料特性。

在第二階段，在10hz 的頻率下，采用振幅掃描法，在300s 內應變水平從0.1%線性增加到30%，以獲得疲勞損傷特性。應用粘彈性連續損傷理論（VECD）計算了試件的疲勞壽命。

1.2.2 時間掃描試驗

時間掃描試驗是研究瀝青材料疲勞性能的常規疲勞試驗。工程實踐表明，應變控制荷載模式適用于薄路面瀝青材料，而應力控制荷載模式適用于厚路面瀝青材料的疲勞性能分析。選用10hz 正弦連續加載的應力控制加載模式，在0.5MPa 的應力水平下進行時間掃描試驗，并結合LAS 試驗分析了不同加載模式下瀝青膠漿的疲勞性能。本文在20℃下進行了試驗，在RTFO 和PAV 時效后制備了直徑為8mm、厚度為2mm 的試樣。采用四種疲勞破壞準則確定瀝青膠漿的疲勞壽命：剛度降低50%，SN 峰值，耗散能比法（DER），耗散能變化率（RDEC）法。

2 試驗結果分析

2.1 LAS 測試分析

2.1.1 應變響應曲線

由LAS 試驗結果可以得到剪切應力與剪切應變之間的關系。如圖1 所示，由于各類型瀝青膠漿的趨勢相似，僅給出了90# 瀝青膠漿和四種F/A 為0.5 的瀝青膠漿的結果。圖1（a）旨在研究不同F/a 瀝青膠漿的應變響應，圖1（b）說明了WMA 添加劑和人工RAP 結合料對疲勞性能的影響。

圖1 應力應變：（a）90＃ 瀝青膠漿；（b）F/A 為0.5 的四種瀝青膠漿

圖1（a）表明，F/a-0.0 瀝青膠漿具有最寬的峰值和最低的應變依賴性；但是，隨著礦物填料含量的增加，峰值寬度急劇減小，表示對施加應變的依賴性增加。同樣，當應力達到最大值時，破壞應變也從9.8%下降到7.8%、6.4%和4.1%，F/A 在0.0～1.5之間。礦物填料導致瀝青膠漿最大允許應變的降低，最終降低相應瀝青混合料的疲勞損傷潛力。但峰值應力隨著F/A 的增大而增大，表明高F/A 瀝青混合料更適合于交通量較大的道路。

如圖1（b）所示，人工RAP 結合料和WMA 添加劑都會導致應變響應曲線的更寬峰值，并有助于降低應變依賴性。同樣，再生瀝青膠漿的破壞應變也高于90#。這些都表明，添加人造RAP 結合料和WMA添加劑可以提供更好的抗疲勞性能。此外，RAP-C能夠承受由于加入人工RAP 結合料而產生的最高剪切應力。相反，WMA 添加劑R 的峰值應力最低，甚至低于90#，完全抵消了RAP 結合料的優點。

2.1.2 疲勞壽命

采用VECD 法（如圖2 所示）計算了F/A 分別為0.0 和0.5 的瀝青膠漿在3%應變水平下的疲勞壽命。圖2（a）顯示，由于較低的應變敏感性和增加的峰值應力，人造RAP 結合料的疲勞壽命從5987 顯著增加到11316。說明在一定含量下的RAP 結合料有利于某些類型瀝青結合料的疲勞壽命，而再生瀝青混合料疲勞性能的劣化可能是由于RAP 集料與原結合料的混合效率差、界面強度差等因素造成的。同樣，與RAP-C 相比，RAP-R 和RAP-M 都表現出更高的疲勞壽命。因此，WMA 添加劑有助于提高疲勞潛力，M 的作用更為明顯。同時，F/A 為0.5 的瀝青膠漿的疲勞壽命降低表明：礦物填料會降低應變控制載荷下的疲勞性能，與應變響應曲線的結果一致。不同礦物摻合料對瀝青混合料疲勞壽命的影響也不同。

圖2 F/A 為0 和0.5 時的疲勞壽命

2.2 時間掃描測試分析

在應力控制載荷模式下，瀝青膠漿的疲勞壽命由SN 峰值疲勞破壞規律與使用其他三種方法獲得的疲勞壽命的關系如圖3 所示。Nf-DER、Nf-RDEC與NfS×N的趨勢線吻合良好，表明這三種失效定義方法之間有很好的一致性。除Nf50的這種方法外，其余三種疲勞破壞準則均基于能量理論，因此可以得到較好的相關性，疲勞壽命Nf50與NfS×N的偏差最大，研究結果表明50%剛度折減破壞規律可以任意確定瀝青材料的疲勞破壞行為，基于能量的方法對瀝青材料的疲勞壽命評估更為可取。

圖3 NfS×N 與Nf-DER、Nf-RDEC 和Nf50 的相關關系

然而，用LAS 和時間掃描試驗評價瀝青膠漿的疲勞性能還存在一些不足。由于礦物填料分布不均勻，LAS 試驗不適用于高F/A 瀝青膠漿。此外，復剪切模量過高的高F/A 瀝青膠漿的疲勞性能在某些情況下可能無法用時間掃描試驗來評價，由于這類材料的硬度過大，超出了DSR 的測試能力，礦物填料的不均勻分布也會在一定程度上影響時間掃描試驗結果。

3 結論

研究了高摻量RAP 結合料和兩種WMA 外加劑的瀝青膠漿的疲勞性能。根據結果和討論，可以得出以下結論：

1）WMA 添加劑R 對瀝青膠漿在應力控制和應變控制載荷下的疲勞性能有不同程度的影響，而人工RAP 結合料和WMA 添加劑M 則可以提高瀝青膠漿的疲勞性能。

2）礦物填料對瀝青膠漿抗疲勞性能的影響也很大程度上取決于荷載模式。

3）高礦物填料含量的不均勻性使得損傷在臨界點的演化更加隨機失敗。因此采用VECD 方法很難預測高F/A 瀝青膠漿的疲勞壽命。

4）與50%剛度折減準則相比，基于能量的方法在確定瀝青材料疲勞破壞時更為可取。