溫度對可回收瀝青路面填料蠕變特性的影響

殷 杰，余銳鋒，湯 勇，胡明明

(1. 江蘇大學 土木工程與力學學院，江蘇 鎮江 212013；2. 江蘇建科鑒定咨詢有限公司，江蘇 南京 210008)

我國高速公路采用的主要路面結構形式是瀝青路面[1-3]。隨著瀝青路面運營時間陸續達到其設計使用年限15 a，不可避免地會產生大量廢舊瀝青路面材料。據統計，我國每年產生廢舊瀝青路面材料約2.2×108t[4-5]，但是再生利用率不足30%[5]，大多數是以堆放填埋處置的，無法實現固體廢物資源化。

現有的再生利用方式主要是將廢舊瀝青路面材料通過銑刨、篩分獲得可回收瀝青路面(recycled asphalt pavement，RAP)材料，再與新料混合作為建筑材料用于新的瀝青路面面層或基層的建設[6-8]。為了提高廢舊瀝青路面材料的再生利用率，已有研究[9-13]充分利用RAP材料級配良好和強度較高的特點，將RAP材料作為路基或擋墻填料進行使用，替代傳統的砂石填料，以減少傳統砂石填料的開采消耗，達到節約自然資源、減少環境污染的目的。

由于RAP材料中含有瀝青，具有黏附性和溫度敏感性，作為填料時受溫度的影響較大，因此需要開展溫度對RAP填料力學性能影響的研究。研究[14]表明，擊實溫度對RAP填料的抗剪強度和蠕變性能有顯著影響，當擊實溫度為50 ℃時，RAP填料的強度最大，蠕變量最小，建議夏季施工，以減小RAP填料的蠕變量。RAP作為擋墻填料，在施工完成后，強度和變形特性仍受周圍環境溫度的影響，而考慮溫度效應的RAP填料蠕變特性少有研究涉及。

為了進一步探討季節性環境溫度對RAP填料蠕變特性的影響規律和作用機制，本文中參考已有研究[15-16]關于不同季節溫度時地表土體的溫度變化情況，取代表性溫度0、20、35 ℃，開展相應的直剪試驗及直剪蠕變試驗，研究不同試驗溫度時RAP填料的強度特性和蠕變性能。

1 試驗

1.1 試驗材料

RAP填料取自江蘇省鎮江市某廢舊瀝青路面，經銑刨、篩分后獲得。通過燃燒法測得RAP填料中瀝青的質量分數為4.2%，采用比重試驗測得RAP填料的相對密度為2.24。圖1所示為RAP填料級配曲線與擊實曲線。由圖1(a)可知，曲率系數為1.13，不均勻系數為7.57，因此RAP填料可近似為級配良好的砂礫土。由圖1(b)可知，RAP填料的最優含水質量分數為5.1%，最大干密度為1.88 g/cm3，表明RAP填料具有良好的擊實特性。

(a)級配曲線

1.2 試驗方案

試驗前以最優含水率及最大干密度為控制指標進行RAP試樣制備，將試樣放入尺寸為10 cm×10 cm×4.8 cm(長度×寬度×高度)的剪切盒中分3層進行擊實，擊實溫度取為50 ℃。表1所示為RAP試樣的直剪試驗與直剪蠕變試驗方案。其中，采用自行研制的應變控制式直剪儀[14]進行直剪試驗；采用豎向應力及試驗溫度進行剪切，剪切速率為2.4 mm/min；采用自行研制的應力控制式直剪蠕變儀[14]開展不同工況下的直剪蠕變試驗。通過設置定滑輪，將施加在豎向托盤上的恒定荷載轉換為恒定的水平荷載，共施加對應5個不同的剪應力比的恒定水平剪應力，記錄剪切位移隨時間的變化情況，試驗時間設置為7 d。如果加載過程中土樣的剪應變超過15%，則停止試驗。試驗溫度有3種工況，20 ℃為室溫條件，分別通過在剪切盒外加裝制冷式和加熱式2種溫控箱實現試驗溫度為0、35 ℃時的工況，精度為1 ℃。

表1 可回收瀝青路面試樣直剪試驗與直剪蠕變試驗方案

2 結果與討論

2.1 直剪試驗

圖2所示不同試驗溫度時RAP試樣剪應力-剪應變關系。從圖中可以看出，各種工況下RAP試樣的剪應力-剪應變曲線均呈現應變軟化的特性。當試驗溫度相同時，豎向應力越大，則RAP試樣的最大剪應力越大，并且最大剪應力對應的剪應變隨著豎向應力的增加而增加。以圖2(c)為例，RAP試樣在豎向應力為50、75、100 kPa時的最大剪應力分別為62.9、86.3、111.4 kPa，對應的剪應變分別為3.6%、6.0%、6.8%，這主要歸因于豎向應力的增加使RAP顆粒被壓得更密實，顆粒間咬合更緊密。此外，當豎向應力為50 kPa時，RAP試樣在試驗溫度為0、20、35 ℃時的最大剪應力分別為85.6、68.8、62.9 kPa。隨著溫度的升高，最大剪應力逐漸減小，表明RAP試樣的抗剪強度受試驗溫度影響顯著，這主要歸因于溫度升高時RAP試樣中的瀝青成分發生軟化，黏性增大，試樣內部顆粒翻轉，滑移阻力減弱，從而導致最大剪應力減小。

(a)試驗溫度為0 ℃

圖3所示為不同試驗溫度時RAP試樣最大剪應力與豎向應力的擬合關系，不同試驗溫度時RAP試樣的抗剪強度指標黏聚力與內摩擦角如表2所示。從圖3中可以看出，隨著試驗溫度升高，黏聚力明顯減小，而內摩擦角略微增大。當試驗溫度從0 ℃升至35 ℃時，黏聚力減小至32.3 kPa，內摩擦角增加4.7°，這主要是由瀝青成分的溫度敏感性所致。從表2中可以看出，RAP試樣的內摩擦角的變化范圍為39.4°～44.1°。傳統的粗粒土(砂石)填料的內摩擦角一般為40°～48°[17]，因此RAP試樣的內摩擦角與傳統砂石填料的相近。

τ—剪應力；σ—豎向應力；R—相關系數。

表2 不同試驗溫度時可回收瀝青路面的抗剪強度指標

2.2 直剪蠕變試驗

圖4所示為不同試驗溫度時RAP試樣的剪應變隨時間的對數變化。由圖可知，在給定的剪應力比條件下，剪應變隨著蠕變時間的增加而增大，表明RAP試樣具有明顯的蠕變特性。在時間相同的條件下，RAP試樣的剪應變隨著剪應力比的增大而增大。在試驗溫度為35 ℃且剪應力比為0.9的工況下，RAP試樣的剪應變在較短的時間內迅速增大，表明試樣發生蠕變破壞。

(a)試驗溫度為0 ℃

圖5所示為不同工況下RAP試樣的剪應變率隨時間在雙對數坐標下的變化。從圖中可以看出，剪應變率隨著時間的增加而線性減小。在相同試驗溫度和時間條件下，剪應力比越大，剪應變率越大，并且不同剪應力時的剪應變率曲線呈近似平行線性關系，即剪應變率曲線的斜率近似相同，已有研究[18]中也報道了類似試驗結果。特別地，當試驗溫度為35 ℃且剪應力比為0.9時，RAP試樣的剪應變率在短時間內先減小后快速增大，表明RAP試樣發生蠕變破壞，對應最小剪應變率的時間為蠕變破壞起始時間。蠕變速率隨時間增大而減小的主要原因在于蠕變變形是由顆粒間滑動引起的。在蠕變過程中，隨著變形的增加，RAP顆粒發生輕微的重新排列，從而減小RAP顆粒間滑動的速度和整體的蠕變速率[19]。

(a)試驗溫度為0 ℃

為了進一步分析溫度對RAP填料蠕變性能的影響，考察在剪應力比為0.9的條件下，不同試驗溫度時RAP試樣的剪應變與剪應變率隨時間的變化，如圖6所示。從圖中可以看出，在蠕變時間相同的條件下，溫度越高，試樣的剪應變及剪應變率越大。比較不同溫度時的試驗結果可以發現，RAP試樣在溫度為0、20 ℃時，并未發生蠕變破壞，而當溫度達到35 ℃時，試樣發生蠕變破壞，表明RAP材料的蠕變變形受溫度影響顯著，主要原因在于溫度升高，瀝青軟化，RAP顆粒間的黏結強度、摩擦力、剪切阻力減小，導致顆粒間滑動速度增大，表現為RAP材料蠕變變形和蠕變速率增加。由此可知，在實際工程中，不能忽略溫度變化對RAP材料蠕變變形性能的影響。

(a)剪應變

2.3 考慮溫度影響的蠕變方程

(1)

表3 3個模型參數在不同試驗溫度時的數值

(a)A

A=0.003T+0.053，

(2)

(3)

m=0.002T+0.834。

(4)

將式(2)、(3)、(4)代入式(1)，可以得到考慮溫度影響的RAP填料的蠕變方程為

(5)

圖8所示為豎向應力為75 kPa的條件下不同試驗溫度時RAP試樣的剪應變率試驗實測值與式(5)計算值對比。從圖中可以看出，試驗實測值與計算值較吻合，表明本文中基于不同溫度工況下擬合的蠕變方程可以較好地反映RAP填料在不同溫度及應力比時的蠕變變形規律。由此，在實際工程應用中，應當充分考慮溫度影響下的RAP填料的蠕變特性，本模型的建立能為RAP擋墻工程的安全運營和長期穩定性分析提供有效的參考。

(a)試驗溫度為0 ℃

3 結論

本文中為了研究溫度對RAP填料蠕變特性的影響，分別進行了3種不同溫度時的直剪試驗及直剪蠕變試驗，得到以下主要結論：

1)RAP填料的抗剪強度指標受試驗溫度的影響。黏聚力隨著試驗溫度的升高而減小，內摩擦角隨著試驗溫度的升高而略有增大。

2)試驗溫度對RAP填料的直剪蠕變變形影響顯著。當剪應力比相同時，RAP填料在試驗溫度較高的工況下，剪應變與剪應變率隨時間的變化曲線位于低溫度工況下的上方，在剪應力較大時，RAP填料容易發生試蠕變破壞。