水泥穩(wěn)定RAP 材料劈裂應(yīng)力－應(yīng)變特性

馮德成，趙 銀，陳 劍

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，150090 哈爾濱;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，430056 武漢)

隨著再生廢舊瀝青路面材料(Reclaimed asphalt pavement，RAP)越來越多地利用于路面半剛性基層中，世界各國研究者對摻RAP 水泥穩(wěn)定碎石材料的相關(guān)力學(xué)性能開展了研究，Huang 的研究顯示，摻加RAP 能夠提高水泥混凝土的韌性，但抗拉壓強(qiáng)度均有所降低［1］.Miró 等研究發(fā)現(xiàn)摻RAP 對高模量瀝青混合料的力學(xué)特性和開裂行為能力幾乎沒有影響，但隨著RAP 摻量的增加，混合料的勁度模量、密度、抗水損害和抗車轍的能力等逐漸降低，動(dòng)態(tài)模量逐漸增強(qiáng)［2］.Taha和Ashley 開展了不同水泥劑量下?lián)絉AP 基層混合料的抗壓強(qiáng)度特性研究.研究表明，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著RAP 摻量的降低而增大，彈性模量隨著RAP 摻量的增大而減小［3－4］.Benner 等發(fā)現(xiàn)隨著RAP 摻量的增加，基層、底基層材料的CBR 值和抗剪強(qiáng)度等性能均降低，而彈性模量增加［5］.美國數(shù)個(gè)州交通管理部門均對RAP 在路面中的應(yīng)用作出了要求，基層中RAP 的推薦摻量為20%，最大允許摻量為50%［6］.吳曉春研究了冷再生水泥穩(wěn)定基層的路用性能，結(jié)果表明，將適宜用量的RAP 加入水穩(wěn)基層中可以改善基層的抗凍性能和收縮性能［7］.李強(qiáng)的研究表明，在高應(yīng)力水平下，再生混合料具有比水泥穩(wěn)定土更高的疲勞壽命，再生混合料的疲勞阻抗隨應(yīng)力水平降低而減小，其疲勞壽命對應(yīng)力水平的敏感性比一般水泥穩(wěn)定材料?。?］.抗拉強(qiáng)度低是導(dǎo)致半剛性基層產(chǎn)生開裂的主要因素，而國內(nèi)外對摻RAP 水泥穩(wěn)定材料抗拉性能的研究較少.因此，研究RAP 對水泥穩(wěn)定級配碎石材料抗拉性能的影響，對于全面認(rèn)識RAP 在半剛性基層中應(yīng)用的適用性具有積極意義.

摻RAP 水泥穩(wěn)定碎石材料是一種黏彈塑性材料，應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€反映了材料在受拉劈裂過程中裂縫擴(kuò)張、貫通、損傷累積、極限強(qiáng)度及變形性能等一系列變化過程，是研究材料本構(gòu)關(guān)系和結(jié)構(gòu)承載能力的重要基礎(chǔ)［9－12］.因此，本文從材料劈裂應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€角度出發(fā)開展劈裂試驗(yàn)研究，以劈裂強(qiáng)度、劈裂回彈模量、峰值應(yīng)變、能密度和脆性指數(shù)等為指標(biāo)，分析不同的試驗(yàn)溫度和RAP 摻量對水泥穩(wěn)定材料抗拉性能的影響規(guī)律，以期為RAP 在半剛性基層中應(yīng)用的適用性提供新的評價(jià)方法.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

RAP 為北安至黑河高速公路擴(kuò)建產(chǎn)生的廢舊料，其中，舊瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.4%，針入度為2.8 mm，延度為44 cm.水泥為PC32.5 普通硅酸鹽水泥，其80 μm 篩余為1.4%，密度為3.041 g/cm3，初凝時(shí)間為1.6 h，終凝時(shí)間為4.0 h.試驗(yàn)采用的新集料為玄武巖碎石，其技術(shù)指標(biāo)見表1.

表1 試驗(yàn)用集料技術(shù)指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定集料級配范圍［13］，設(shè)計(jì)4 種不同RAP 摻量和水泥劑量的混合料，見表2.

表2 劈裂試驗(yàn)混合料類別

級配設(shè)計(jì)的原則是盡量使各混合料關(guān)鍵篩孔通過率接近，以減小級配對試驗(yàn)結(jié)果的影響.試驗(yàn)級配曲線如圖1 所示.

圖1 試驗(yàn)所用混合料級配曲線

1.3 試驗(yàn)方法

劈裂應(yīng)力－應(yīng)變試驗(yàn)依據(jù)文獻(xiàn)［14］方法進(jìn)行.首先分別按照各類型混合料的最佳含水量和最大干密度靜壓成型，試件為直徑為150 mm，高度為150 mm 的圓柱體;成型后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室養(yǎng)護(hù)28 d，其中溫度為(20 ±2)℃，濕度≥95%.而后將試件分別置于(－15 ± 2)、(5 ± 2)、(20 ±2)℃和(35 ±2)℃的恒溫恒濕箱中，養(yǎng)護(hù)16 h后放入MTS 中進(jìn)行劈裂試驗(yàn).采用位移控制模式加載，速率1.0 mm/min，并實(shí)時(shí)記錄試件在劈裂過程中的豎向荷載－豎向變形曲線，采集頻率為5 Hz.試驗(yàn)過程如圖2 所示.

圖2 劈裂試驗(yàn)

依據(jù)采集的豎向荷載和豎向變形，按式(1)～(3)換算劈裂拉伸應(yīng)力和應(yīng)變［15－16］.

式中:σ 為間接拉伸應(yīng)力，MPa;P 為試驗(yàn)荷載，N;h 為試驗(yàn)時(shí)試件的高度，mm.

劈裂拉伸應(yīng)變的計(jì)算式為

式中:εX為劈裂拉伸應(yīng)變;μ 為泊松比，取0.25;lX為試件水平方向變形，mm，按下式進(jìn)行計(jì)算.

式中:lY為試件豎向變形，mm.

劈裂回彈模量為

式中:Ei為劈裂回彈模量，MPa;p 為各級荷載，N;p0為初荷載，N.

2 結(jié)果與分析

2.1 對劈裂強(qiáng)度的影響

劈裂強(qiáng)度Ri與RAP 摻量和試驗(yàn)溫度θ 的關(guān)系如圖3 所示.從中可見，隨著溫度由－15℃升高到35℃，各類型混合料的劈裂強(qiáng)度均持續(xù)降低，35℃時(shí)4 種混合料劈裂強(qiáng)度相對－15℃時(shí)降低幅度分別為25.3%、30.0%、42.6%和35.4%，可見RAP 摻量越大，強(qiáng)度減小越明顯.

在－15℃條件下，Ⅰ號混合料的強(qiáng)度最高，其他3 種分別比Ⅰ號降低了2.2%、19.7% 和3.3%，說明在負(fù)溫下RAP 的摻入將會(huì)導(dǎo)致水泥穩(wěn)定材料劈裂強(qiáng)度降低，降低幅度隨RAP 摻量增加而增大.當(dāng)溫度升高時(shí)，Ⅱ號強(qiáng)度相比Ⅰ號有較明顯提高，提高幅度約為24.5%，而Ⅲ號有所降低，35℃時(shí)降低幅度達(dá)到29.8%.說明RAP 摻量對材料劈裂強(qiáng)度的影響比較明顯，且適量的RAP能夠提高劈裂強(qiáng)度，而RAP 摻量過大時(shí)強(qiáng)度反而降低.另外Ⅳ號的強(qiáng)度較Ⅲ號的強(qiáng)度高19.5%以上，可見增大水泥劑量能夠提高材料的劈裂強(qiáng)度.

圖3 劈裂強(qiáng)度與RAP 摻量和試驗(yàn)溫度的關(guān)系

2.2 對劈裂模量的影響

劈裂回彈模量E 與RAP 摻量和試驗(yàn)溫度的關(guān)系如圖4 所示.

圖4 劈裂模量與RAP 摻量和試驗(yàn)溫度的關(guān)系

由圖可見，總體上混合料劈裂回彈模量隨溫度升高而降低.相對Ⅰ號混合料而言，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號混合料模量在不同溫度下均有不同程度的降低，20℃時(shí)降低幅度分別為6.1%、12.8%和0.5%，說明RAP 能夠使水泥穩(wěn)定碎石材料的模量減小，且降幅隨RAP 摻量增加而增大，但總體降低效果不明顯.另外由于Ⅲ號模量比Ⅳ號模量略有提高，但最大不超過10.0%，也說明水泥劑量對模量影響較小.

2.3 對峰值應(yīng)變的影響

將應(yīng)力－應(yīng)變曲線上應(yīng)力峰值點(diǎn)(劈裂強(qiáng)度)對應(yīng)的應(yīng)變定義為峰值應(yīng)變?chǔ)?.材料劈裂峰值應(yīng)變?chǔ)?與RAP 摻量和試驗(yàn)溫度的關(guān)系見圖5所示.由圖可見，在－15℃條件下，峰值應(yīng)變隨RAP 摻量增大而減小(其他3 類種混合料相對比Ⅰ號的分別減小6.9%、13.5%和5.5%).這主要與RAP 中舊瀝青性質(zhì)有關(guān)，在－15℃下舊瀝青處于玻璃態(tài)，變形能力差，RAP 含量越大，對材料整體的影響也越大.

在正溫下，隨RAP 摻量增加，峰值應(yīng)變先增大后減小，相對Ⅰ號峰值應(yīng)變?chǔ)?，Ⅱ號提高幅度大于6.0%，Ⅲ號降低幅度甚至達(dá)到14.3%.這主要由兩方面原因?qū)е?，一方面是RAP 通過影響峰值應(yīng)力而導(dǎo)致峰值應(yīng)變呈現(xiàn)相似的變化趨勢，另一方面則是RAP 自身較強(qiáng)的塑性變形能力促進(jìn)了混合料的變形能力，前者占主導(dǎo).

圖5 峰值應(yīng)變與RAP 摻量和試驗(yàn)溫度的關(guān)系

溫度對峰值應(yīng)變的影響較小，隨溫度升高，峰值應(yīng)力逐漸減小，相應(yīng)的峰值應(yīng)變也趨于減小，與此同時(shí)舊瀝青的變形能力逐漸增強(qiáng)，材料塑性變形增大，試驗(yàn)結(jié)果是兩方面綜合作用的表現(xiàn).

2.4 對曲線能密度的影響

應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)€所包圍的面積為劈裂中材料消耗的總能密度U，曲線上升段即應(yīng)變由0 增加到峰值應(yīng)變?chǔ)?，σ－ε 曲線所包圍的面積為材料在劈裂試驗(yàn)加載段吸收的能密度U1(臨界能密度).U 表征了材料從加載至完全喪失承載力全過程中所消耗的能量，U1是從零應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到極限強(qiáng)度的過程中材料所需要能量的表征.圖6、7 分別為材料U 和U1與RAP 摻量和試驗(yàn)溫度的關(guān)系.

圖6 全曲線能密度與RAP 摻量和試驗(yàn)溫度的關(guān)系

圖7 臨界能密度與RAP 摻量和試驗(yàn)溫度的關(guān)系

由圖可見，RAP 摻量和試驗(yàn)溫度對曲線能密度的影響規(guī)律亦與劈裂強(qiáng)度相似.20℃時(shí)Ⅱ號的曲線能密度U 和U1相對基準(zhǔn)配合比Ⅰ號增幅分別達(dá)到了13.0%、10.3%，Ⅳ號的曲線能密度U和U1相對基準(zhǔn)配合比Ⅰ號增幅分別達(dá)到了23.9%、11.2%，而Ⅲ號的降幅分別為11.1%和17.5%.可見適宜的RAP 摻量能夠使曲線應(yīng)變能密度有所提高，摻RAP 水泥穩(wěn)定材料在荷載作用下，從損傷的產(chǎn)生、發(fā)展直至破壞失去承載力的過程中需要耗散更多的能量.

2.5 對脆性指數(shù)的影響

將應(yīng)力－應(yīng)變曲線上升段面積與下降段面積的比值定義為材料脆性指數(shù)Bc，即

Bc越大，則材料韌性更小，在破壞后釋放能量越劇烈，越趨于脆性破壞.材料脆性指數(shù)與RAP 摻量和試驗(yàn)溫度的關(guān)系見圖8 所示.

圖8 脆性指數(shù)與RAP 摻量和試驗(yàn)溫度的關(guān)系

由圖可見，在－15℃，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ號配合比的脆性指數(shù)比Ⅰ號基準(zhǔn)配合比的分別提高了4.2%、13.1%和9.1%，RAP 的摻入會(huì)導(dǎo)致材料的脆性指數(shù)增大，這是由于在－15℃環(huán)境下，RAP 中的瀝青已處于玻璃態(tài)，表現(xiàn)出明顯的脆性性質(zhì)，RAP 摻量越大，脆性性質(zhì)越明顯.

在正溫條件下，RAP 的摻入能夠在一定程度上降低水泥穩(wěn)定碎石材料的脆性指數(shù).20℃時(shí)，Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ號配合比的脆性指數(shù)比Ⅰ號基準(zhǔn)配合比的分別降低了3.9%、11.1% 和15.5%，35℃時(shí)，降低的幅度分別達(dá)到了24.6%、33.6% 和19.8%.說明RAP 摻量越大、溫度越高，脆性指數(shù)降低的幅度越大，材料的脆性減弱，韌性增加.這與材料的損傷發(fā)展有關(guān)，當(dāng)荷載引起的應(yīng)力達(dá)到材料的極限強(qiáng)度后，試件內(nèi)部出現(xiàn)可見裂紋，并不斷貫穿形成主要貫通裂縫，導(dǎo)致承載力衰減喪失.材料模量越大，裂縫發(fā)展過程中越容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得試件破壞速度加快.當(dāng)摻入回彈模量較低的RAP 后，在一定程度上消除了應(yīng)力集中，從而延緩了材料裂縫的擴(kuò)展和貫通.

2.6 各評價(jià)指標(biāo)間的關(guān)系

以上分析可見，摻RAP 水泥穩(wěn)定碎石材料的劈裂強(qiáng)度Ri與其他劈裂行為評價(jià)指標(biāo)有一定的關(guān)系.對各項(xiàng)指標(biāo)與劈裂強(qiáng)度間的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，如圖9 所示.可見，劈裂強(qiáng)度與其他指標(biāo)呈現(xiàn)簡單的線性正相關(guān)關(guān)系.由于劈裂強(qiáng)度隨RAP摻量增加先增大后減小，為使材料的劈裂行為趨于改善，推薦RAP 適宜摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為15%～20%.

圖9 指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系

3 結(jié)論

1)通過不同的RAP 摻量和水泥劑量，設(shè)計(jì)了4 種水泥穩(wěn)定碎石混合料，采用劈裂試驗(yàn)研究RAP 摻量和試驗(yàn)溫度對材料劈裂強(qiáng)度、劈裂回彈模量、峰值應(yīng)變、能密度和脆性指數(shù)等指標(biāo)的影響，發(fā)現(xiàn)各類材料的劈裂強(qiáng)度、劈裂回彈模量和脆性指數(shù)均隨溫度升高而趨于降低，降低幅度隨RAP 摻量增加而增大.

2)在－15℃，隨RAP 摻量的增加，劈裂強(qiáng)度和峰值應(yīng)變持續(xù)減小，脆性指數(shù)增大.正溫條件下隨RAP 摻量增加，劈裂強(qiáng)度、峰值應(yīng)變和能密度先增大后減小，劈裂模量和脆性指數(shù)趨于降低.

3)回歸分析表明，劈裂模量、峰值應(yīng)變、能密度和脆性指數(shù)與材料劈裂強(qiáng)度之間均呈現(xiàn)簡單的線性正相關(guān)，使各評價(jià)指標(biāo)趨于改善的RAP 推薦摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為15%～20%.

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