就地熱再生瀝青混合料疲勞壽命試驗研究★

錢如洋 季學文 沈菊男 戴偉軍 周 勇 沈 賢

(1.蘇州科技大學土木工程學院，江蘇 蘇州 215000； 2.常州市新北區(qū)市政綠化管理所，江蘇 常州 213002)

1 概述

就地熱再生瀝青混合料技術(shù)由于舊料利用率高，保護環(huán)境，節(jié)省投資，因而被許多公路管理部門逐漸采用。與傳統(tǒng)的瀝青鋪筑工藝相比，就地熱再生可以節(jié)省約50%的初期建設(shè)費和40%的壽命維護費[1]，且再生料的體積指標和瀝青PG等級等都能達到常規(guī)熱拌瀝青混合料的要求[2]。但是由于設(shè)備及工藝的限制，就地熱再生技術(shù)在我國起步較晚，在2000年以后才有高校和科研機構(gòu)逐步深入研究[3]。

在已有的研究成果中，大多集中在混合料中舊料用量、舊瀝青再生、三點彎曲小梁疲勞壽命的研究上，而且許多是建立在輪碾成型基礎(chǔ)上來評價[4,5]，李偉聰?shù)萚6]采用CT掃描法和逐層切割法從微觀和宏觀兩個角度研究了空隙空間分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)基于有效高度比和空隙率變異系數(shù)的評判結(jié)果表明剪切壓實成型的試件相比于落錘擊實、旋轉(zhuǎn)壓實和輪碾壓實最均勻、變異性最小。考慮到動態(tài)荷載對瀝青路面的損傷大多是基于對瀝青混合料的彎拉作用，宋鑫等[7]研究發(fā)現(xiàn)四點彎曲小梁的梯形彎矩圖相比于三點彎曲小梁的三角形彎矩圖而言，試件中央1/3處彎矩為常量，變形更加均勻，也更加接近于道路受力實況。張清平等[8]研究了海南地區(qū)的就地熱再生瀝青混合料路用性能，但也只傾向于再生劑與舊料摻量對其疲勞壽命的提高，對于疲勞壽命變化規(guī)律并沒有展開研究。

本文以江蘇省常州市新北區(qū)長江路就地熱再生瀝青混合料為基礎(chǔ)，通過剪切壓實成型的試件展開四點彎曲小梁疲勞試驗。并與廠拌熱再生及新瀝青混合料對比，研究就地熱再生瀝青混合料疲勞壽命變化規(guī)律。

2 原材料與配合比設(shè)計

2.1 原材料

試驗采用SBS改性瀝青，取自江蘇省無錫市鑫路道路材料有限公司，測試結(jié)果見表1，所用瀝青均符合JTG F40—2004規(guī)范要求。

新料采用的石料為玄武巖，分為4檔，集料1(粒徑10 mm～15 mm)，集料2(粒徑5 mm～10 mm)，集料3(粒徑3 mm～5 mm)，集料4(粒徑0 mm～3 mm)，填料為石灰?guī)r磨成的礦粉，親水系數(shù)0.8，表觀相對密度2.700 g/cm3，含水量0.4%，均符合規(guī)范要求。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標

RAP取自常州市新北區(qū)長江路就地熱再生現(xiàn)場加熱翻松后的行車道上面層，級配類型為AC-13改性瀝青混合料，利用阿布森法將RAP用三氯乙烯浸泡后萃取，經(jīng)分析計算舊瀝青含量為4.2%，所得回收瀝青性能測試結(jié)果如表2所示。

表2 回收瀝青性能技術(shù)指標

2.2 混合料配合比設(shè)計

瀝青的針入度和延度指標均不符合要求，根據(jù)RAP篩分結(jié)果，集料也出現(xiàn)了細化，所以必須根據(jù)RAP質(zhì)量分數(shù)添加相應比例的再生劑來改善老化瀝青的物理和力學性能，同時增加新料來調(diào)整原路面的級配。經(jīng)過對比，擬采用復拌再生的方式進行就地熱再生施工，新料與舊料礦料的添加比例為20%∶80%，復拌再生劑取自英達公路再生科技有限公司，添加用量為舊料中瀝青含量的5.0%，復拌新瀝青添加量為新料的5.3%。同時，為了進一步了解就地熱再生瀝青混合料的疲勞性能，采用其他兩種AC-13瀝青混合料(廠拌熱再生瀝青混合料，舊料礦料和新料的添加比例為30%∶70%，不加再生劑，混合料總瀝青含量4.8%；新AC-13改性瀝青混合料，新料比例100%，混合料總瀝青含量4.8%)進行對比。三種AC-13瀝青混合料的級配曲線如圖1所示。

采用馬歇爾試件設(shè)計的方法，測試三種瀝青混合料的體積指標，結(jié)果如表3所示。三種瀝青混合料的體積指標均滿足規(guī)范要求。

表3 三種瀝青混合料的體積指標

3 試驗方法

目前，國內(nèi)外對瀝青混合料的疲勞性能研究大都基于輪碾成型，在剪切壓實成型基礎(chǔ)上進行的疲勞小梁試驗較少。不同于傳統(tǒng)的壓實方法，剪切壓實主要通過施加恒定的豎向力和橫向剪切力來壓實試件，壓實尺寸為長450 mm×寬150 mm×高(145～185)mm，試件更大，空隙率更為均勻，整個試件內(nèi)部差異小于1%，相比于其他壓實方法，剪切壓實法可以更為真實的模擬瀝青混合料施工現(xiàn)場輪子的揉搓和碾壓狀況，整個瀝青混合料剪切壓實儀的工作過程如圖2[6]所示。

剪切儀設(shè)備精密，記錄數(shù)據(jù)準確，在壓實過程中豎向垂直壓力一直保持不變，通過施加水平向的推力和拉力使剪切壓實模具發(fā)生固定角度的剪切變形，且自動記錄下試件的高度，毛體積密度，通過預設(shè)的空隙率指標，試驗自動停止。按照美國規(guī)范AASHTO T321-03[7]規(guī)范要求，將剪切壓實儀成型好的試件(如圖3所示)切割成長(380 mm±5 mm)×寬(63 mm±5 mm)×高(50 mm±5 mm)的小梁(見圖4)，利用IPC公司UTM-130四點小梁設(shè)備進行加載，研究就地熱再生疲勞壽命變化規(guī)律。試驗加載波形為半正矢波，加載頻率為10 Hz，溫度為15 ℃～25 ℃，加載方式為三分點并控制應變，微應變采用為500 με，700 με，900 με，具體小梁加載方式見表4。

表4 試驗小梁加載方式及數(shù)量

4 試驗結(jié)果及分析

對就地熱再生瀝青混合料，廠拌熱再生瀝青混合料，新瀝青混合在15 ℃進行四點小梁試驗，結(jié)果如表5所示。

表5 三種瀝青混合料15 ℃四點彎曲疲勞壽命試驗值

4.1 疲勞壽命方程的建立

許多學者研究了瀝青混合料彈性模量對疲勞特性的影響，并用方程式表示出了它們之間的關(guān)系，L.L.史密斯，F(xiàn).N.芬英，G.B.維分別建立了彈性模量E、應變με和疲勞壽命Nf之間的關(guān)系[8],如式(1)～式(3)所示。

lgNf=-1.984lgE-3.181lgμε+5.53

(1)

lgNf=-0.87(lgE-3)-3.291(lgμε-6)+15.947

(2)

lgNf=-0.584lgE-3.29lgμε-1.234

(3)

由于再生料的類型和拌合方式的不同，疲勞方程公式修正為:

(4)

其中，A，B，C為相關(guān)系數(shù)；E為瀝青混合料初始彈性模型，試驗取第50次循環(huán)所得彈性模量[7]。

利用1stopt統(tǒng)計分析軟件，采用麥夸特法(Levenberg-Marquardt)迭代，最大迭代次數(shù)10 000，收斂判斷指標為1.00E-10，重復迭代100次，控制迭代數(shù)50次，得到彎曲疲勞壽命方程，如表6所示。

表6 三種瀝青混合料15°四點彎曲疲勞壽命方程

通過對疲勞壽命、應變水平、彈性模量進行雙對數(shù)線性回歸，得到三種瀝青混合料AC-13的疲勞方程如表6所示，其中Nf表示疲勞壽命。回歸結(jié)果表明：在雙對數(shù)坐標系下，三種瀝青混合料疲勞壽命與應變水平、初始彈性模量具有較好的相關(guān)性，且雙對數(shù)直線走向大致相同。隨著初始彈性模量的提高和應變值的增大，疲勞壽命減小。系數(shù)A表明：初始彈性模量值將極大影響就地熱再生混合料的疲勞壽命，對廠拌熱再生混合料影響次之，對新瀝青混合料的影響較小。系數(shù)B表明：應變值大小對新瀝青混合料的疲勞壽命影響最大，對就地熱再生瀝青混合料和廠拌熱再生瀝青混合料影響大致相當，都較小。因為就地熱再生瀝青混合料和廠拌熱再生瀝青混合料骨料內(nèi)部、骨料和老化后的瀝青粘結(jié)界面都有一定的疲勞損傷。所以它們的疲勞壽命很大程度上取決于材料的初始損傷程度，用以初始彈性模量體現(xiàn)。而新瀝青混合料無初始損傷，所以它的疲勞壽命主要取決于應變值大小。三種瀝青混合料疲勞方程的截距C值逐漸增加，表明抗疲勞性能逐漸增加，新瀝青混合料的抗疲勞性好于前兩者，這和實際工程情況相契合。

4.2 基于耗散能分析疲勞壽命

能量法是荷蘭殼牌研究所(KSLA)提出來的一種方法，由于粘彈性材料疲勞試驗時其應變峰值滯后于應力峰值，其應力應變曲線會形成滯后環(huán)，積分一個周期內(nèi)的應力應變滯后回線，可得累計耗散能W(kPa)(見圖5)。

無論何種試驗溫度與頻率，都可以通過lgW-lgNf來表示疲勞特性，見式(5)[8]。

lgW=mlgNf+lgC

(5)

對式(5)進行變換得到公式：

lgNf=algW+b

(6)

其中，a為累積耗散能敏感性系數(shù)；b為抗疲勞性能因子；Nf為疲勞循環(huán)次數(shù)；W為累計耗散能，kPa。

采用表6中列出了UTM四點彎曲小梁疲勞試驗程序自動計算出來的三種瀝青混合料累積耗散能，利用1stopt統(tǒng)計分析軟件，代入到式(6)中，得到疲勞壽命方程如表7所示。

每個荷載循環(huán)的過程中，耗散能主要可以分成兩個部分，一個部分是用于瀝青材料黏彈性的延展，該延展性變形會以熱能的形式表現(xiàn)，另一個部分的為損傷性的耗散能，這部分的耗散能的產(chǎn)生主要是由于材料發(fā)生損傷性的破壞，包括裂縫以及不可恢復的塑性形變。在雙對數(shù)坐標系下，疲勞壽命與累積耗散能具有較好的相關(guān)性。就地熱再生瀝青混合料的累積耗散能敏感性系數(shù)a較其他兩種混合料大，因為材料疲勞損傷是一個遞增過程，在初始損傷較大情況下，發(fā)生等值應變時累積疲勞損傷會更大，故而對疲勞損傷更為敏感；就地熱再生瀝青混合料抗疲勞性能因子b較其他兩種混合料小，因為舊料摻量較大，而舊料對疲勞作用較敏感，且抗疲勞性能較差，這也與實際工程相符。

表7 耗散能與疲勞壽命關(guān)系表

5 結(jié)論

1)就地熱再生瀝青混合料的初始疲勞損傷較大，疲勞壽命較低，抗疲勞性能較差。

3)應變控制模式下的就地熱再生瀝青混合料與累計耗散能呈現(xiàn)良好的雙對數(shù)線性回歸關(guān)系，疲勞壽命修正方程為：lgNf=2.042lgW+1.474 9，R2=0.990。