熱拌及溫拌再生SMA瀝青混合料疲勞性能分析

季 節(jié)，索 智，石越峰，許 鷹，徐世法，奚 進

（北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京 100044）

疲勞開裂是瀝青路面主要的破壞模式之一，當路面在重復(fù)荷載作用下達到一定次數(shù)后，就會產(chǎn)生疲勞開裂［1］.目前，國內(nèi)外對瀝青混合料疲勞性能的研究方法大致分為現(xiàn)象學法、力學近似法和耗散能法3類，但這3類方法很難對瀝青混合料的疲勞性能進行統(tǒng)一的預(yù)測.瀝青混合料疲勞性能的試驗方法很多，如檢測實際瀝青路面在真實汽車荷載作用下的疲勞性能、用足尺路面結(jié)構(gòu)模擬汽車荷載作用下的疲勞性能、室內(nèi)小型材料試件的疲勞試驗等，每種方法均有各自的優(yōu)、缺點.SHRP通過對不同試驗方法的優(yōu)、缺點進行比較，認為小梁彎曲疲勞試驗最能代表路面實際受力狀況，是瀝青混合料疲勞性能試驗的首選方法［2］.JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》也規(guī)定瀝青混合料的疲勞性能應(yīng)采用四點梁彎曲疲勞試驗.

從20世紀70年代開始，Monismith，van Dijk，Pronk等［2－4］就分別采用耗散能法分析了瀝青混合料的疲勞特性.李闖［5］采用耗散能法和四點梁彎曲疲勞試驗分析了瀝青混合料在不同荷載頻率下的疲勞性能.張婧娜、唐雪松等［6－7］以耗散能法為基礎(chǔ)，提出了瀝青混合料疲勞性能的能量方程，并用損傷力學法分析了裂縫的形成和擴展.楊麗英等［8］對AC－20溫拌再生瀝青混合料的疲勞性能進行了四點梁彎曲疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)該瀝青混合料的疲勞性能不及熱拌瀝青混合料.陳靜云等［9］對表面活性類溫拌再生SMA 瀝青混合料的疲勞性能進行了試驗，發(fā)現(xiàn)其具有一定的抗疲勞性能.

綜上可見，對于普通瀝青混合料，國內(nèi)外學者早已采用耗散能法和四點梁彎曲疲勞試驗對其疲勞性能進行研究，但對于近年來興起的熱拌再生瀝青混合料（hot recycled asphalt mixture，簡稱HRAM）或溫拌再生瀝青混合料（warm recycled asphalt mixture，簡稱WRAM），雖然已有采用四點梁彎曲疲勞試驗對其疲勞性能進行的研究，但采用耗散能法的試驗卻相對較少.

本文試圖采用耗散能法和四點梁彎曲疲勞試驗來分析熱拌及溫拌再生SMA 瀝青混合料的疲勞性能.

1 材料性能

1.1 RAP

采用的RAP來自京沈高速公路北京段的上面層，混合料類型為SMA－13.由于RAP經(jīng)過銑刨，級配已經(jīng)發(fā)生較大改變，根據(jù)JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，本文以4.75，9.5，16 mm 為界限，將RAP 破碎成0～5，5～10，10～16mm 三檔，去除16mm 以上超粒徑的RAP.對三檔RAP分別進行抽提試驗，并測試其級配、密度及回收瀝青性能.

1.2 新材料

礦料為礦粉、0～3 mm 石灰?guī)r、5～10，10～15mm玄武巖，瀝青采用SBS改性瀝青.

2 HRAM，WRAM 設(shè)計

2.1 HRAM 設(shè)計

首先，按照廠拌熱再生設(shè)計方法設(shè)計摻RAP（質(zhì)量分數(shù)分別為0%，20%，30%）的3種HRAM，混合料類型仍為SMA－13，3種HRAM 的級配見表1.其次，在這3種混合料中添加木質(zhì)纖維，其添加量為混合料質(zhì)量的0.3%.

表1 3種HRAM 的級配Table 1 Gradations（by mass）of three HRAMs %

分別測試3種HRAM 的物理、力學性能，確定其最佳瀝青用量（質(zhì)量分數(shù)）分別為6.8%，6.0%，5.7%.

2.2 WRAM 設(shè)計

基于上述3 種級配和最佳瀝青用量，分別在HRAM 中加入瀝青總質(zhì)量3%的Sasobit溫拌劑（德國Sasol－Wax公司產(chǎn)品）來設(shè)計WRAM.

2.3 HRAM 和WRAM 的制備

按照HRAM 的制備工藝制備WRAM，其中新礦料的加熱及拌和溫度比HRAM 的新礦料加熱及拌和溫度低30℃以上，分別為155℃和145℃，并采用干拌法（DP）和濕拌法（WP）兩種拌和工藝進行制備.

3 HRAM 和WRAM 的疲勞性能

3.1 疲勞試驗條件

HRAM 和 WRAM 的疲勞試驗按照JTG E20—2011 規(guī)程進行，試件尺寸為380.0mm×63.5mm×50.0mm.試驗設(shè)備為澳大利亞生產(chǎn)的UTM，采用應(yīng)變控制模式，應(yīng)變分別為750×10－6，950×10－6，1 150×10－6，偏正弦波連續(xù)加載，頻率10Hz.

3.2 HRAM 和WRAM 的疲勞性能分析

HRAM 和WRAM 四點梁彎曲疲勞試驗結(jié)果見表2，其中N 為疲勞次數(shù)，CDE為累積耗散能.

表2 HRAM 和WRAM 的疲勞壽命及累積耗散能Table 2 Fatigue life and cumulative dissipated energy（CDE）of HRAM and WRAM

由表2可見：

（1）摻0%，20%，30% RAP 的 HRAM 和WRAM，其疲勞壽命與累積耗散能在雙對數(shù)坐標下具有良好的線性關(guān)系，這種線性關(guān)系不隨RAP 摻量、拌和工藝的變化而改變.

（2）基于HRAM 和WRAM 的疲勞壽命與累積耗散能之間良好的線性關(guān)系，完全可用HRAM 和WRAM 累積耗散能來表征疲勞性能，即HRAM 和WRAM 的累積耗散能越大，其疲勞性能越好.

HRAM 和WRAM 的累積耗散能隨應(yīng)變變化曲線如圖1，2所示.

圖1 HRAM 和WRAM 的累積耗散能隨應(yīng)變變化曲線Fig.1 Cumulative dissipated energies of HRAM and WRAM over strain

由圖1，2可以看出：

圖2 HRAM 和WRAM 的累積耗散能隨混合料類型變化曲線Fig.2 Cumulative dissipated energies of HRAM and WRAM over type of asphalt mixture

（1）HRAM 和WRAM 的疲勞性能隨應(yīng)變增加而降低.當應(yīng)變在低水平時，HRAM，WRAM 的累積耗散能與RAP 摻量的相關(guān)性較為明顯，即HRAM，WRAM 的累積耗散能隨RAP摻量的增加而顯著下降，相對而言，HRAM 的累積耗散能對RAP摻量變化更為敏感，其累積耗散能隨RAP摻量增加顯著下降.當應(yīng)變在高水平時，HRAM，WRAM的累積耗散能與RAP 摻量之間的相關(guān)性不大，即HRAM，WRAM 的累積耗散能隨RAP摻量增加緩慢下降.

（2）在同一應(yīng)變和RAP摻量下，HRAM 的累積耗散能大于WRAM 的累積耗散能.當RAP摻量為0%時，HRAM 的累積耗散能明顯大于WRAM 的累積耗散能，而當RAP 摻量為30%時，HRAM 的累積耗散能與WRAM 的累積耗散能相差不大，這說明Sasobit溫拌劑的加入，雖然對再生瀝青混合料本身的疲勞性能產(chǎn)生了不利影響，但這種負面作用會隨著RAP摻量的提高而逐漸減弱，即Sasobit溫拌劑的加入可減緩再生瀝青混合料中由于RAP 摻量增加帶來的混合料疲勞性能的下降.

（3）對于同一應(yīng)變和RAP 摻量下的WRAM，拌和工藝對其累積耗散能有一定的影響，相對而言，采用DP法的WRAM 累積耗散能更高.這是因為加入的Sasobit溫拌劑高溫熔融后在瀝青－礦料界面形成保護層，從而增加瀝青混合料的疲勞性能.

4 結(jié)論

（1）摻0%，20%，30%RAP的HRAM 和WRAM，其疲勞壽命與累積耗散能在雙對數(shù)坐標下，具有良好的線性關(guān)系，因此，可用HRAM 和WRAM 的累積耗散能來表征其疲勞性能.

（2）摻入RAP對HRAM 和WRAM 的疲勞性能影響較大，RAP摻量越高，HRAM 和WRAM 的疲勞性能越差.

（3）從HRAM 和WRAM 累積耗散能的大小可知，加入Sasobit溫拌劑的溫拌技術(shù)對再生瀝青混合料的疲勞性能有一定的負面作用，即Sasobit溫拌劑可減緩再生瀝青混合料中由于RAP 摻量增加而帶來的混合料疲勞性能的下降.

（4）拌和工藝對WRAM 的疲勞性能有一定的影響，相對而言，采用DP法的WRAM 其疲勞性能更好.

［1］沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能［M］.北京：人民交通出版社，2001：131－147.SHEN Jin'an.The performances of asphalt and asphalt mixture［M］.Beijing：Renming Communication Press，2001：131－147.（in Chinese）

［2］MONISMITH C L.Asphalt mixture behavior in repeated flexure［R］.Berkeley：University of California，1968.

［3］van DIJK W，VISSER W.The energy approach to fatigue for pavement design［C］∥Proceedings Association of Asphalt Paving Technologists.Washington，D.C.：［s.n.］，1977：1－40.

［4］PRONK A C，HOPMAN P C.Energy dissipation：The leading factor of fatigue［C］∥Proceedings of the Conference the United States Strategic Highway Research：Sharing the Benefits.London：Thomas Telford Limited，1991：255－267.

［5］李闖.不同影響因素下瀝青混合料疲勞性能試驗研究［D］.大連：大連理工大學，2009.LI Chuang.The experimental study of asphalt mixture fatigue property under different impact factor［D］.Dalian：Dalian University of Technology，2009.（in Chinese）

［6］張婧娜，譚憶秋，張肖寧.應(yīng)用能量原理預(yù)測瀝青混合料的疲勞破壞［J］.中國公路學報，1998，11（4）：11－17.ZHANG Jingna，TAN Yiqiu，ZHANG Xiaoning.Predicting fatigue failure of bituminous mixture using energy dissipation［J］.China Journal of Highway and Transport，1998，11（4）：11－17.（in Chinese）

［7］唐雪松，蔣持平，鄭健龍.瀝青混合料疲勞過程的損傷力學分析［J］.應(yīng)用力學學報，2000，17（4）：31－37.TANG Xuesong，JIANG Chiping，ZHENG Jianlong.Damage mechanical analysis for fatigue failure process of bituminous mixtures［J］.Chinese Journal of Applied Mechanics，2000，17（4）：31－37.（in Chinese）

［8］楊麗英，譚憶秋，董雨明，等.溫拌再生瀝青混合料的疲勞性能［J］.公路交通科技，2012，29（10）：7－11.YANG Liying，TAN Yiqiu，DONG Yuming，et al.Fatigue performance of warm recycled asphalt mixture［J］.Journal of Highway and Transportation Research，2012，29（10）：7－11.（in Chinese）

［9］陳靜云，馬強.溫拌再生改性瀝青SMA 混合料性能研究［J］.沈陽建筑大學學報：自然科學版，2012，28（2）：286－291.CHEN Jingyun，MA Qiang.Research on the performance of warm recycled SMA asphalt mixture［J］.Journal of Shenyang Jianzhu University：Natural Science，2012，28（2）：286－291.（in Chinese）