就地熱再生瀝青混合料疲勞性能影響因素研究★

2022-12-16 08:01:22吳建華崔宇陽鄒曉翎

山西建筑 2022年24期

吳建華，崔宇陽，鄒曉翎

(1.江西省交通投資集團有限責任公司,南昌北管理中心,江西南昌 330200；2.重慶交通大學交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室，重慶 400041)

就地熱再生技術工藝起步于大量再生瀝青路面與普通瀝青路面的性能變化規律研究，配套生產的工藝設備的完善使得歐美等國在瀝青路面就地熱再生利用方面的研究取得顯著成就[1-4]。國內的就地熱再生技術研究體系通過引進國外成套設備，并以高速實體工程為依托，董平如等[5]首次對就地熱再生的優勢、原理、再生過程及施工工藝控制進行了系統的闡述。順應未來建設交通的發展需要，國際瀝青再生利用會議大力推廣瀝青混合料再生技術[6]。現如今該項技術已積累了較多研究成果，吳金順[7]及董強柱[8]等通過提高瀝青路面就地熱再生設備的使用效率以提高路面養護效益。崔娟等[9]提出多目標施工方案方法以優化再生施工方案的決策過程。

縱觀國內針對就地熱再生技術的研究，多數集中于再生技術設計及施工環節，缺乏對瀝青路面再生技術效果的性能評估，因此為合理評價就地熱再生路面路用性能，趙鑫[10]選擇高溫抗車轍、低溫抗裂性能表征路用性能的改善效果。林曉鋒[11]采用水穩定性和高溫穩定性分析了就地熱再生中復拌再生和加鋪再生工藝的特點。韓波等[12]認為就地熱再生瀝青混合料性能與瀝青老化及級配衰變具有相關性，尤其是低溫抗裂與水穩定性影響效果顯著。考慮長期性能追蹤方面，張清平等[13]研究了再生劑與舊料摻量對其疲勞壽命的影響，但并未深入研究疲勞壽命變化規律。因此牛文廣[14]分析了濕熱地區就地熱再生瀝青路面疲勞性能的敏感性與各結構層模量和厚度、瀝青飽和度、車輛荷載的相關性，提出適合濕熱地區就地熱再生瀝青路面疲勞預估的模型。而陳楚鵬等[15]對實體工程工況進行長期調研，采用抗滑和車轍等技術狀況指數用于再生技術的長期性能評價，并提出采用加鋪再生法或增設土工格柵以延長使用壽命。

綜上所述，為合理表征就地熱再生瀝青混合料長期路用性能及預估路面疲勞壽命，本文依托江西省昌九高速養護段就地熱再生工程，總結再生混合料疲勞性能影響因素，提出溫度與荷載耦合條件下實際路段的疲勞壽命預估方程，為深入研究就地熱再生瀝青混合料的長期性能的追蹤提供參考[16]。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料技術性能

新用瀝青為SBSI-D類技術性質見表1，再生劑為鞍山雙成科技SZS再生劑樣品性能參數如表2所示，舊料中瀝青技術參數見表3，輝綠巖粗細礦料指標如表4，表5所示。

表1 SBS改性瀝青技術性質

表2 再生劑技術性能

1.2 試驗方法

試驗儀器采用NU-14氣動伺服瀝青混合料試驗機，設定試驗溫度為5 ℃,15 ℃,25 ℃，應力比為0.3,0.35,0.4,0.45,0.5，模擬交通荷載和不同溫度條件下瀝青混合料的間接拉伸勁度模量試驗、間接拉伸疲勞試驗等。

表3 Rap料技術性能

表4 粗集料級配性能

表5 細集料級配性能

1.3 試驗配合比

根據昌九高速面層材料類型，本研究設計級配類型為AC-13-C型再生瀝青混合料，合成后瀝青混合料級配如表6所示。其中，RAP摻量：新集料摻量為9∶1，再生瀝青混合料最佳瀝青用量為4.8%。

表6 合成后瀝青混合料級配

2 影響因素分析

2.1 外部因素

2.1.1 勁度

瀝青混合料的勁度模量與其疲勞壽命具有相關性，在控制應力的加載模式下，隨著勁度模量的降低，其相應的應變隨之增大，使疲勞壽命降低。

2.1.2 空隙率

疲勞壽命與空隙率呈反相關關系。這是因為在較小的空隙率的情況下，瀝青混合料的微裂縫較少，在荷載反復作用下，這些微裂縫和空隙的擴張直至破壞的速率較為緩慢，其疲勞性能就顯著有所提高。

在15 ℃,0.45的溫度應力比水平下比對空隙率和疲勞壽命相關性，此時空隙率變化率為4.3%～8.0%左右。在排除了誤差數據點后，利用該組數據(如表7所示)建立空隙率與就地熱再生瀝青混合料對數疲勞壽命之間的關系曲線(見圖1)。

表7 空隙率對熱再生瀝青混合料疲勞壽命的影響

通過線形擬合可以發現，空隙率與對數疲勞壽命呈較好的線性關系。每升高1%空隙率再生混合料疲勞壽命會降低45%左右。

2.1.3 瀝青用量

瀝青混合料最佳疲勞壽命確定的相對最佳瀝青含量一般比馬歇爾穩定度所確定的最佳瀝青含量稍大。同時混合料中的瀝青用量越低，增加瀝青用量對延長疲勞壽命的效果越明顯。

2.1.4 集料表面性狀

集料表面性狀包括其紋理、形狀及級配等，均與空隙結構相關，通過影響空隙大小、形狀與連貫狀況等間接影響其疲勞壽命。通常認為表面光滑，棱角性較差的集料，壓實后空隙率較小，相應的疲勞性能較好。

2.1.5 再生劑的影響

研究發現，選用的再生劑對含有質量分數為50%RAP的瀝青混合料抗疲勞性能有明顯改善，但改善效果并未完全達到新瀝青混合料的疲勞效果，且摻加再生劑的混合料較不摻再生劑的混合料的應力敏感性更強。

2.2 內部因素

相關研究[16]表明，材料的疲勞性能與荷載波形有一定的關系，加載頻率是反映行車速度的一項指標，不同的加載波形對瀝青混合料疲勞壽命性能影響不同。荷載的間歇時間在一定范圍內與疲勞壽命呈反比關系，當超過一定的間歇時間后，間歇時間的有利作用就穩定下來。

2.2.1 溫度

不同溫度下的再生瀝青混合料疲勞壽命如圖2所示。

由圖2可以明顯看出，對于相同的應力比作用下時，疲勞壽命隨溫度的降低而增長。這是由于溫度在一定限度內下降時，瀝青混合料的勁度增大，試件在承受一定應力的條件下所產生的應變就小，因而在控制應力加載模式的試驗中導致有較長的壽命。

從圖像斜率來分析，試件在較低試驗溫度時對應力比水平的敏感程度比較高試驗溫度時敏感程度更高。造成這種現象的原因是對于相同的應力比水平，較低試驗溫度增長幅度較大，而較高試驗溫度增長幅度較小。

2.2.2 應力比

為了比較高、低應力比條件下的疲勞特性，選擇應力比水平為0.3～0.5，平行對照試件4組分別進行了不同溫度(5 ℃,15 ℃,25 ℃)下的間接拉伸疲勞試驗。試驗結果如表8所示。

表8 不同溫度下疲勞試驗結果

顯然可以看出，隨著應力比水平從0.3逐漸升高至0.5時，瀝青混合料的疲勞壽命逐漸降低。對于較低應力比的試件，其內部空隙受壓密實過程和疲勞變形過程持續時間較長，而一旦其豎向位移增大到一定極限后,試件在較短的時間發生疲勞破壞。而對于較高應力的試件其受壓密實過程和疲勞變形過程持續時間短，變形增長較為迅速。

應力控制模式下，疲勞壽命方程通常以式(1)表示：

(1)

其中，Nf為疲勞壽命；K，n均為瀝青混合料性質的常數；σ為對試件每次施加的常量應力最大幅值，MPa。

研究表明，對于應力控制模式下的疲勞性能預測模型可以轉化為應力比與疲勞壽命在雙、單對數曲線上的線性方程，如式(2)，式(3)所示：

lgNf=a-b×S

(2)

lgNf=c-d×lgS

(3)

其中，S為應力比；a,b,c,d均為回歸系數。

以單對數曲線方程對不同溫度下的試驗結果進行線性擬合，如圖3～圖5所示。

由上述曲線圖可以發現，對于不同溫度下的單對數疲勞壽命方程表現出良好的線性特性。

3 疲勞壽命預估方程

3.1 室內外溫度-疲勞壽命方程比對分析

由試驗數據，建立起室內溫度-疲勞壽命方程(如表9所示)與室外溫度-疲勞壽命方程(如式(4)所示)對比分析。

lgNf=-0.052 5t+8.070 2R2=0.999 9

(4)

通過比對室內外的溫度-疲勞壽命方程可知，室內建立的疲勞方程的一次項系數約為室外疲勞方程一次項系數的8倍，說明室內試件較室外路面對溫度的敏感性更為顯著；而對于常數項而言，室外疲勞方程的常數項系數約為室內疲勞方程的2倍，說明在溫度的影響下，室外路面結構的抗疲勞性能明顯優于室內試件的疲勞性能。

表9 不同應力比下溫度-疲勞壽命方程

3.2 室內外應力比-疲勞壽命方程比對分析

由試驗數據，建立起室內應力比-疲勞壽命方程如式(5)與室外應力比-疲勞壽命方程如式(6)所示對比分析。

lgNf=-8.201S+6.312 2

(5)

lgNf=-4.382 6S+7.148 5R2=0.994 6

(6)

通過比對室內外的應力比疲勞壽命方程可知，室內建立的疲勞方程的一次項系數約為室外疲勞方程一次項系數的1.87倍，說明室內試件較室外路面對應力比的敏感性更為顯著；而對于常數項而言，室外疲勞方程的常數項系數約為室內疲勞方程的1.13倍，說明在應力比的影響下，室外路面結構的抗疲勞性能略優于室內試件的抗疲勞性能。

通過室內外溫度和應力比對疲勞壽命的影響比對分析發現，室外就地熱再生結構層在溫度和應力比的影響下，其抗疲勞性均優于室內的情況；且其對溫度和應力比的敏感性均較室內試件不顯著。造成這種現象的原因可能是由于室外路面長期受到行車壓實的作用，使路面混合料的密實度增加，從而使室外瀝青路面抗疲勞性能得以提高。

3.3 室內溫度-應力耦合疲勞壽命方程

傳統單一外部因素的疲勞壽命方程不同很好的反映在多因素共同作用下的疲勞壽命。鑒于此，多數學者從材料內部因素方面著手，建立了瀝青混合料的內部影響因素與疲勞壽命預測方程，但從外部影響因素角度對現場路段實際路段的疲勞壽命進行評價研究較少。

對于昌九段高速公路就地熱再生路段而言，對已建成的路段其材料的內部影響因素和結構層特性可似為一個常量，對其疲勞壽命所起主導影響是其外部影響因素：水環境、行車荷載、溫度等。本文從行車荷載和溫度角度出發，通過室內的疲勞試驗數據結果，建立該路段的瀝青混合料在行車荷載和溫度耦合作用下的室內疲勞壽命方程，為實際路面疲勞壽命方程的建立提供一定的依據。

對疲勞壽命方程假定為以下形式：

Nf=a(T)b(σ)c

(7)

其中，Nf為室內疲勞壽命；T為試驗溫度，℃；σ為試驗荷載，MPa；a，b，c均為待定常量。

將上式整理為以下形式：

lgNf=lga+blg(T)+clg(σ)

(8)

整理室內間接拉伸試驗數據如表10所示。