凍融循環對熱再生瀝青混合料耐久性能的影響

刁錫剛 陳智勇 朱云升 王開鳳 李華聰

(四川省交通建設集團股份有限公司1) 成都 610047) (武漢理工大學交通與物流工程學院2) 武漢 430063)

0 引 言

熱再生技術的運用為產生病害的瀝青路面進行局部補修、大修，以及路面改建提供了新的方法和途徑，而廠拌熱再生瀝青路面在實際工程應用中，往往比新瀝青路面更容易出現裂化現象，導致再生瀝青路面過早的進入維修養護階段[1].

陳雅雯[2]研究了熱再生瀝青混合料的路用性能，發現其主要和RAP(reclaimed asphalt pavement)摻量有關，但總體和新拌瀝青混合料路用性能相差不大.李兆生等[3]比較了未凍融和凍融后的瀝青混合料的高溫性能、抗壓強度、回彈模量及疲勞性能的性能衰變規律，對凍融作用下瀝青混合料的損傷特性進行了定性分析.結果表明：凍融循環作用使得瀝青混合料的蠕變速率增大，且應力敏感性增大；瀝青混合料的抗壓強度及回彈模量均隨凍融循環次數的增加而降低，損傷變量的呈現3階段特征.

文中采用凍融循環來模擬水溫作用對廠拌熱再生瀝青混合料性能的影響，凍融循環次數設置為0、1、3和6次，通過劈裂試驗、動態蠕變試驗、半圓彎曲試驗來評價廠拌熱再生瀝青混合料的抗水損害能力、高溫穩定性、低溫抗裂性.

1 材料和試驗方法

1.1 原材料

試驗所用瀝青原材料類型為70號基質瀝青，基本性能指標見表1，試驗所用粗細新集料均為石灰巖，基本性能指標檢測結果見表2，填料為石灰巖礦粉，基本性能指標檢測結果見表3.

表1 70號基質瀝青基本性能指標檢測結果

表2 粗細新集料基本性能指標試驗結果

表3 礦粉基本性能指標試驗結果

本研究使用的回收RAP料來源于山西省某高速路段養護維修過程中銑刨的回收料，采用燃燒法可以得到RAP中的舊集料的級配和舊瀝青的含量，舊集料級配見圖1，基本性能指標檢測結果見表4～5，舊瀝青含量為4.5%，通過三大指標試驗獲取舊瀝青的老化程度指標，見表6.

圖1 級配篩分曲線

表4 舊細集料主要檢測指標

表5 舊粗集料主要檢測指標

表6 舊瀝青與70號基質瀝青指標對比

1.2 級配及最佳瀝青用量

RAP原級配為AC-13，因此熱再生瀝青混合料和新拌瀝青混合料配合比采用規范規定的AC-13中級配，其中熱再生瀝青混合料中RAP摻量為35%，最佳瀝青用量為4.46%，新拌瀝青混合料最佳瀝青用量為4.45%.

1.3 試驗方法

1.3.1試件凍融循環處理

采用凍融循環處理模擬外部水溫的作用，采用多次凍融加深長期水溫作用對再生料的性能影響[4]，凍融循環處理具體步驟為：對試件進行15 min的真空飽水，然后在常壓下浸水30 min，再將試件放入塑料袋，加入10 mL的水，放入到-10 ℃的低溫箱中保溫16 h，最后放入60 ℃的恒溫箱中解凍24 h，此為一次.設置循環次數為0，1，3和6次，再對試件分別進行劈裂試驗、動態蠕變試驗和低溫半圓彎曲試驗(semi-circular bending test, SCB).

1.3.2試驗條件

劈裂試驗的試驗溫度為25 ℃，加載速率設置為50 mm/min；動態蠕變試驗采用單軸加載方式，軸向壓力為0.7 MPa，加載周期為1s，其中包括0.1 s的半正弦壓力荷載和0.9 s的間隔時間，試驗溫度控制在60 ℃，試驗終止條件為荷載作用次數達10 000次或軸向累計應變達試件高度的5%或蠕變曲線進入第3階段[5]；SCB試驗試驗溫度為-5 ℃，加載速率設置為1 mm/min，選取支點間距為80%的試件直徑，試驗開始時對試件進行0.1 kN的預壓[6].劈裂試驗在全自動瀝青壓力試驗機上進行，動態蠕變試驗和SCB試驗均在MTS試驗機上進行，每個試驗進行四組平行試驗.

2 試驗結果及討論

2.1 水溫作用對熱再生瀝青混合料水穩定性的影響

熱再生瀝青路面的水損害會導致路面出現松散，坑槽現象，甚至導致路面開裂，這極大的影響了其耐久性能，從而降低路面的實際使用壽命[7].王抒音等[8]針對凍融劈裂對高速重載條件下的破壞力模擬偏小的問題，采用多次凍融循環試驗模擬瀝青路面高速重載交通下的實際損壞過程，以凍融循環劈裂強度比為評價指標，能夠更好的反應瀝青混合料的抗水損能力.凍融劈裂試驗評價瀝青混合料水穩定性的指標為劈裂強度和劈裂抗拉強度比，試驗結果見圖2.

圖2 瀝青混合料劈裂強度和劈裂抗拉強度比

由圖2可知：新拌瀝青混合料的劈裂強度普遍比熱再生瀝青混合料高，這是因為熱再生瀝青混合料中老化瀝青在舊集料表面形成了黏度較大的強作用界面，導致新舊集料不能完全融合，從而降低了瀝青膠結料的黏性，經過一次凍融作用后，新拌瀝青混合料和熱再生瀝青混合料的劈裂強度差距增大，最大相差40%，而劈裂強度可以反應瀝青混合料的抗拉強度，由于再生料中老化瀝青的影響導致其抗拉強度隨之減小；對比再生料和新拌料的劈裂強度比可以發現，經過一次凍融后再生料劈裂抗拉強度比比新拌料下降明顯，劈裂強度衰減率達到23%，而后經過多次凍融循環后，再生料和新拌料的劈裂強度比下降速率保持一致，這是因為老化瀝青的黏附性不如新瀝青，再生料中瀝青與集料之間黏結力的下降幅度比新瀝青的大，從而導致再生料的水穩定性明顯低于新拌料.

2.2 水溫作用對熱再生瀝青混合料高溫穩定性的影響

瀝青路面車轍或永久變形就是瀝青及瀝青混合料黏彈性特性的直接反映[9].蠕變試驗可以用來研究瀝青混合料的高溫變形特征，其中動態蠕變試驗比靜載蠕變試驗更能反映瀝青混合料的黏彈性.參照美國NCHRP(national co-operative highway research program)采用重復加載動態蠕變試驗評價瀝青混合料在不同凍融次數影響下的高溫性能.

動態蠕變試驗進行過程中通過采集軸向應力和應變數據，得到累計永久變形和重復荷載作用次數的曲線圖，典型永久應變與荷載作用次數曲線發展過程可分為三個階段[10]：第一階段永久變形的累積非常快，但累計率是逐漸下降的；第二階段屬于穩定期，永久變形的累計率相等；第三階段屬于破壞期，永久變形累計率逐漸增大.由此可見，第二階段和第三階段的連接點可以用來評價瀝青混合料高溫車轍性能的指標，定義為流動荷載作用次數(FN)，FN越大，則抗車轍性能越好.

FN可以通過下述三階段模型計算得出：

(1)

式中：εp為累積永久應變；N為荷載作用次數；Nps為對應于第二階段端頭的荷載作用次數；Nst為對應于第三階段端頭的荷載作用次數；εps為對應于第二階段端頭的永久應變；εst為對應于第三階段端頭的永久應變；a，b，c，d和f為與試驗條件有關的材料參數.

不同凍融次數下的再生料和新拌料累計應變曲線見圖3，命名方式為瀝青料種類-凍融次數.

圖3 瀝青混合料累計永久應變曲線

根據累計永久應變曲線擬合得到流動荷載作用次數FN和對應的累計應變見表7.

表7 不同凍融循環次數后瀝青混合料動態蠕變試驗結果

由表7可知：再生料的未凍融試件的流變荷載作用次數FN比新拌料的要大，說明再生混合料抗車轍性能有明顯的提高.經過凍融循環后瀝青混合料的流變次數都呈下降趨勢，說明再生料和新拌料經水溫循環作用后，抗車轍能力都會降低；對于FN對應的累計應變，新拌料呈上升趨勢而再生料呈先上升后下降趨勢，這體現了再生料具有更小的粘性導致其能承受的變形更小.以未凍融的瀝青混合料試件流變次數為基準，計算得到多次凍融后的流變次數衰減率見圖4.

圖4 凍融循環后瀝青混合料流變次數衰減率

由圖4可知：在一次凍融循環下，新拌料的流變次數衰減率較小，但在多次凍融循環后，其衰減率陡然增加，說明多次凍融循環對瀝青混合料的抗車轍性能影響較大；長期凍融作用下新拌料比再生料具有更好的高溫抗變形能力，而再生料雖然前期FN較大，但在長期凍融作用下由于瀝青膠結料直接粘結不緊密，會出現剝落現象，因此高溫穩定性急劇降低.

2.3 水溫作用對熱再生瀝青混合料低溫抗裂性能的影響

斷裂能代表的是試件產生開裂破壞所需要的能量，斷裂能越大則瀝青混合料抗裂性能越好[11]，計算公式為

Gt=Wf/Alig

(2)

對SCB試驗荷載-位移曲線采用ORIGIN軟件進行冪函數擬合，積分從位移為0開始，到達到最大荷載時對應的位移結束，試驗曲線和積分上下限包圍的面積即為斷裂功，不同凍融次數后的瀝青混合料半圓彎曲試件斷裂能見表8.

表8 凍融循環后半圓彎曲試驗結果

由表8可知：凍融作用下下再生料的最大破壞荷載均大于新拌料，而破壞時對應位移均小于新拌料，說明RAP的摻入會使得瀝青混合料低溫強度提高但低溫抗變形能力減弱，通過對比新拌料和再生料的斷裂能，可以發現，同等條件下再生料的斷裂能均小于新拌料，且隨著凍融次數的增加，再生料和新拌料的斷裂能的差距越來越大，在6次凍融循環后再生料較新拌料斷裂能下降53.3%，說明長期水溫作用下，再生料的低溫抗裂性更差，凍融作用對再生料的損害作用更強.以未凍融瀝青混合料試件斷裂能為基準，將再生料和新拌料經不同凍融次數的斷裂能衰減率繪于圖5.

圖5 不同凍融次數下瀝青混合料斷裂能衰減率

與高溫穩定性耐久性衰變規律不同的是，再生料和新拌料在一次凍融時斷裂能衰減率相差不大，均為20%，而隨著凍融次數的增加，兩者的差距逐漸拉開，且相比于新拌料，再生料的斷裂能衰減率有隨著凍融次數的增加而增大的趨勢，在3～6次凍融之間，再生料斷裂能衰減率為16.5%，而新拌料衰減率為11.3%，說明凍融循環作用對熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性損害作用更大，熱再生瀝青混合料在長期水溫作用下的低溫耐久性更差，這也進一步驗證了再生瀝青路面相比于新瀝青路面有著更快的開裂速率.

3 結 論

1) 凍融作用前后，熱再生瀝青混合料劈裂強度均小于新拌瀝青混合料；對于再生料，一次凍融循環即可使其劈裂強度大幅度下降，而對于新拌料則需要多次凍融循環作用才出現水損害.

2) 采用流動荷載作用次數FN評價瀝青混合料高溫穩定性，未凍融時熱再生瀝青混合料高溫穩定性優于新拌瀝青混合料，隨著凍融次數的增加，兩者瀝青混合料高溫穩定性均呈下降趨勢，熱再生瀝青混合料高溫穩定性性能衰變速率較新瀝青混合料快，在6次凍融后FN值低于新拌瀝青混合料.

3) 低溫條件下與新拌瀝青混合料相比，熱再生瀝青混合料強度提升而抗變形能力降低，采用斷裂能評價瀝青混合料低溫抗裂性發現，同等條件下再生料的斷裂能均小于新拌料，且隨著凍融次數的增加，再生料和新拌料的斷裂能相差越來越大，在6次凍融循環后再生料較新拌料斷裂能下降53.3%.

4) 凍融循環作用對熱再生瀝青混合料三種性能影響大小排序為：高溫穩定性>低溫抗裂性>水穩定性.