高RAP摻量熱再生混合料疲勞性能研究

秦　煒

(西安鐵路職業(yè)技術學院， 陜西 西安　710600)

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高RAP摻量熱再生混合料疲勞性能研究

秦煒

(西安鐵路職業(yè)技術學院， 陜西 西安710600)

[摘要]針對熱再生混合料的疲勞性能研究方法單一以及相關研究結論并不一致等問題，基于三分點加載疲勞試驗研究了100、 150、 200、 250、 300 μξ共5個應變水平條件下30%、40%、50%、60%、80%共5種摻量條件下熱再生混合料的抗疲勞性能，揭示了冷再生混合料的疲勞變化規(guī)律，同時建立了疲勞方程。研究結果表明：增大RAP摻量有利于提高低應變水平下熱再生混合料的疲勞壽命，但在大應變水平下由于RAP帶來的脆性性質(zhì)會凸顯出來從而增大了熱再生混合料對應變水平變化的敏感性。

[關鍵詞]瀝青路面熱再生混合料； 三分點加載； 應變水平； 疲勞壽命

0前言

路面結構在使用壽命周期內(nèi)，受到溫度、水、車輛荷載的反復作用，當荷載重復作用超過一定的次數(shù)后，路面結構就會在遠低于材料強度的應力作用下出現(xiàn)裂紋產(chǎn)生斷裂破壞，這種現(xiàn)象稱之為疲勞。如何控制熱再生混合料的疲勞開裂是目前世界各國采用力學-經(jīng)驗法進行路面結構設計及混合料配合比設計時考慮的主要問題[1，2]。

Paul在路易斯安那州進行了類似的試驗路觀測，Paul在對比實驗過程中采用的RAP摻量為20%～50%，同時考慮了道路使用條件、可靠性以及結構分析等，長達6～9 a的觀測分析結果表明，在考慮道路使用性能和服務等級等條件下，添加了RAP的瀝青混合料與未添加的并沒有表現(xiàn)出明顯的差異[3]。Huang et al.通過室內(nèi)試驗評價了RAP摻量對熱拌瀝青混合料疲勞性能以及力學性能的影響。試驗采用馬歇爾方法定出最佳瀝青含量，實驗過程主要采用間接抗拉實驗、半圓彎拉試驗，試驗結果表明RAP摻量增加會顯著提高瀝青混合料的彎拉強度，同時RAP的添加會改善瀝青混合料的疲勞性能，在一定范圍內(nèi)其抗疲勞性能隨著RAP摻量增加而增加[4]。Mohammad et al.通過室內(nèi)研究聚合物改性瀝青熱再生路用性能，實驗安排的RAP摻量分別為0～60%，實驗主要采用間接拉伸強度、蠕變實驗、重復剪切實驗、APA以及小梁疲勞試驗，試驗結果表明，隨著RAP摻量逐漸增加，其高溫穩(wěn)定性提高，而抗疲勞性能降低[5]。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，我國針對冷再生混合料的抗疲勞性能研究甚少，尤其是高RAP摻量下熱再生混合料疲勞性能鮮見報道，且主要是基于間接拉伸試驗的抗疲勞性能研究，研究方法的單一性導致大部分結論幾乎相同，并不具有一定的指導性，本文以上技術瓶頸為出發(fā)點，重點研究了熱再生混合料的疲勞性能，研究成果可為熱再生混合料在國內(nèi)的推廣應用及相關規(guī)范的制定提供理論參考。

1原材料性質(zhì)

1.1RAP

RAP是采用銑刨、開挖等方式從瀝青路面上獲得的舊瀝青路面材料，對于RAP來說，路面材料經(jīng)過數(shù)年的使用，瀝青材料受到了一定程度的老化；礦料經(jīng)受了長期的車輛荷載的沖擊，其力學性能也有所下降。那么在進行廠拌熱再生實驗研究過程中，對RAP材料要進行嚴格的檢驗，主要目的是結合RAP材料的性能，綜合分析這種材料能否用于再生，或者是針對目前的RAP舊料特性，提出合理化的再生手段，是否需要再生劑、何種再生劑以及再生劑所需要的用量等一些問題。本文對陜西某段公路銑刨舊料進行檢驗，具體規(guī)格、技術性質(zhì)見表1。

表1 RAP技術性質(zhì)試驗結果匯總表Table1 ThesummaryRAPtechnicalnatureexperimentalresults項目檢測項目要求RAP含水率/%實測RAP級配實測瀝青含量/%實測砂當量/%>55理論最大密度/(g·cm-3)實測RAP中的瀝青針入度/(0.1mm)>20軟化點/℃實測10℃延度/cm實測RAP中的粗集料針片狀顆粒含量、壓碎值實測試驗方法AC16《公路瀝青路面再生技術規(guī)范》附錄A0.36見下表4.2832.568抽提,《公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規(guī)程》33 63 3 抽提,《公路工程集料試驗規(guī)程》23.65

1.2瀝青

對于廠拌熱再生瀝青混合料來說，由于RAP中瀝青老化，已經(jīng)不能滿足路用性能的要求。因此需要在再生過程中，添加新瀝青或者再生劑來滿足瀝青混合料的使用性能。瀝青材料的選擇需要考慮氣候條件、交通組成、混合料類型、施工條件和經(jīng)濟性等因素。作為廠拌熱再生關鍵材料，瀝青的選擇必須具有嚴格的要求。

1.3再生劑

考美國NCHRP中有關RAP的3種假設： ①黑石理論。這種理論主要是認為RAP材料就像黑石頭一樣在新拌合的瀝青混合料中起到集料的作用，并不會和新瀝青發(fā)生混合。 ②完全融合狀態(tài)。這種狀態(tài)就是認為新舊瀝青100%完全融合。 ③實際混合假設。主要是假設舊瀝青和新瀝青是部分融合，新瀝青和舊瀝青相互混溶，在一起共同起著膠結作用。但是目前研究成果表明，100%完全融合是不合理的。根據(jù)實際需要本文選用試驗路采用的ERACC再生劑，并假定新舊瀝青是100%完全融合。

1.4新集料

本文集料采用石灰?guī)r，礦粉由石灰?guī)r磨制而成，經(jīng)檢測集料各項指標均滿足規(guī)范要求[6]。

2廠拌熱再生混合料配合比設計方法(見圖1)

熱再生瀝青混合料適用于各等級公路回收瀝青路面材料(RAP)進行廠拌熱再生利用，經(jīng)過添加新瀝青，新集料再生后的瀝青混合料按照其性能和工程情況，可以用于不同等級公路的瀝青路面或者柔性基層[7]，依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范現(xiàn)階段對于廠拌熱再生混合料的配合比設計主要還是采用普通熱拌瀝青混合料配合比設計方法。不同的是，在進行配合比設計之前，需要確定回收瀝青路面材料(RAP)摻配比例和選擇新瀝青標號。

圖1　RAP經(jīng)過燃燒后集料級配Figure 1　The aggregate gradation of RAP after burning

2.1確定舊料摻配比例

回收瀝青路面材料(RAP)的特性，并結合上述研究結果，本研究初步確定采用AC16熱再生混合料，5種RAP摻量分別為30%、40%、50%、60%、80%，0%代表熱再生混合料中不添加回收瀝青路面材料(RAP)，是作為其他摻量的參考。30%代表在除過RAP中瀝青之后，RAP中舊集料占瀝青混合料整個集料的30%，其他的摻配比例依此類推。

2.2確定新瀝青標號

通常用于熱再生混合料的新瀝青標號為90號或110號，試驗時應根據(jù)RAP的性質(zhì)和摻配比例，綜合選擇基質(zhì)瀝青標號。根據(jù)新舊瀝青調(diào)和法則確定新瀝青標號，按照下式確定新瀝青的針入度：

lgPmix= algPnew+(1-a)lgPold

式中：Pmix為混合料后瀝青的25 ℃針入度，0.1 mm；Pnew為混合前新瀝青的25 ℃針入度，0.1 mm；lgPold為RAP中舊瀝青的25 ℃針入度， 0.1 mm；a為新瀝青的比例。

經(jīng)計算對于30%、40%、50%RAP摻量條件下僅需要采用90號基質(zhì)瀝青進行調(diào)和再生，而RAP摻量超高50%時需要摻加3%再生劑進行雙重再生。同時結合RAP材料的老化程度以及陜西地區(qū)氣候特點、未來交通組成混合料類型、經(jīng)濟性等因素，參考前期實踐經(jīng)驗，熱再生混合料配合比設計所使用的瀝青采用SK90#基質(zhì)瀝青。

2.3確定最佳瀝青用量

采用馬歇爾試驗方法確定廠拌熱再生瀝青混合料的最佳瀝青用量，并假定RAP材料添加到瀝青混合料中，舊瀝青砂漿層與新瀝青或者再生劑100%融合，馬歇爾試驗結果匯總見表2。

表2 最佳油石比下馬歇爾指標匯總Table2 Thesummaryofmarshallindexunderoptimalasphaltcontent類型最佳油石比/%毛體積密度/(g·cm-3)空隙率/%VMA/%VFA/%穩(wěn)定度/kN流值/mmAC16-30%RAP4.382.4354.0013.9070.29.153.96AC16-40%RAP4.352.4544.1013.5068.59.63.64AC16-50%RAP4.302.4554.2013.4567.79.83.38AC16-60%RAP3.942.4574.0012.4064.310.13.24AC16-80%RAP3.902.4773.8012.2063.910.73.10

相同級配情況下，瀝青混合料的最佳油石比隨著RAP摻量變大而逐漸減少，初步分析原因是RAP材料經(jīng)過道路使用后，其表面都被老化瀝青裹附，相應的吸油能力下降，因此當RAP摻量增大時其最佳瀝青用量減少了[8，9]。對比毛體積密度、空隙率、VMA、VFA等體積指標之間的變化可知，不同級配不同RAP摻量情況下，其變化趨勢不穩(wěn)定，沒有明顯的趨勢變化，但結合穩(wěn)定度的力學性能變化趨勢可知，在相同級配情況下，馬歇爾試件的強度隨著RAP摻量增加呈增大趨勢。

2.4路用性能驗證

按照公路瀝青路面施工技術規(guī)范要求分別采用車轍試驗、低溫彎曲試驗、凍融劈裂試驗進行驗證最佳瀝青用量的合理性，試驗結果見表3。

由表3試驗結果可知：

① 隨著RAP摻量從30%增加到80%，對比動穩(wěn)定度的變化趨勢可見，隨著RAP摻量增加其動穩(wěn)定度明顯變大，表明瀝青混合料抵抗高溫變形的能力增強。分析其主要原因是在廠拌熱再生中，RAP中富含老化瀝青，其軟質(zhì)組分含量較少，重質(zhì)組分含量較多。RAP的加入使得瀝青混合料中瀝青的粘度變大，從而提高了混合料的高溫穩(wěn)定性。

表3 熱再生混合料路用性能試驗結果Table3 Roadperformancetestresultsofhotrecyclemixture混合料類型60℃動穩(wěn)定度/(次·mm-1)-10℃最大彎拉應變/μεTSR/%AC16-30%RAP20272655.6590.1AC16-40%RAP27462378.4284.7AC16-50%RAP35382199.0782.1AC16-60%RAP43002048.2573.5AC16-80%RAP51001479.7570.2 注:車轍試驗、低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗均按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTGE-20-2011)相關標準試驗方法進行。

② 對于廠拌熱再生瀝青混合料，RAP的添加將會降低混合料其低溫性能。主要是瀝青混合料老化之后，其四組分發(fā)生了變化，各自變化的量也不一樣。飽和酚和膠質(zhì)的變化不大，而芳香芬的瀝青質(zhì)的含量變化比較大，其中芳香芬變少，瀝青質(zhì)變多。

③ 隨著RAP舊料摻量的逐漸增加，凍融劈裂強度比均逐漸減少，當RAP摻來那個達到60%時TSR不滿足規(guī)范大于75%的要求。分析其原因主要是RAP中舊瀝青經(jīng)過長時間使用已經(jīng)老化硬化，同時RAP舊料經(jīng)過長時間雨水浸泡和車輛引起的動水沖刷等作用，其舊瀝青和舊集料之間可能就存在剝落現(xiàn)象，顯然當RAP增加就會加大這種剝落現(xiàn)象發(fā)生的幾率。所以當用于再生瀝青混合料中時，就會產(chǎn)生隨著RAP增加引起廠拌熱再生瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比減小[10-12]。

3冷再生混合料的疲勞特性

3.1疲勞試驗基本參數(shù)確定

3.1.1確定試件尺寸

國外多采用小梁做疲勞試驗，如懸臂梯形梁或小梁，在試件的端部或中部施加反復荷載進行疲勞試驗。如美國采用小梁試件進行三分點加載彎曲疲勞試驗，SHRA計劃采用50.8 mm×63.5 mm×381 mm的小梁做疲勞試驗，AASHTO也采用該尺寸的小梁作為疲勞試驗的標準試件，基于此本文疲勞試驗也采用了該尺寸的小梁試件。

3.1.2試驗溫度

瀝青的黏、彈、塑性決定了合理的疲勞試驗溫度可較好的揭示再生混合料的疲勞特性。根據(jù)國內(nèi)的研究成果，15 ℃疲勞試驗能夠較好的反映瀝青的粘彈性，且15 ℃正好是北方春融或南方雨季的溫度，能夠代表我國的最不利季節(jié)，同時為了和已有研究成果進行對比，本文疲勞試驗采用的試驗溫度為15 ℃。

3.1.3加載波形與頻率

根據(jù)國外學者的研究，加載波形對瀝青混合料的疲勞壽命影響不大。但室內(nèi)試驗加載波形應以接近路面真實的受力狀況為原則，對實際路面加載頻率與行車速度有著密切的聯(lián)系，研究表明加載頻率10 Hz，相當于60～65 km/h的行車速度，這一行車速度正好與我國高速公路設計速度相吻合，因此本文加載波形為正弦波，加載頻率為10 Hz，為了加快試驗進度正弦波之間不插入間歇時間。

3.1.4應變水平

采用COX&SONS公司生產(chǎn)的四點彎曲試驗機對小梁試件進行疲勞試驗，數(shù)據(jù)采集采用SHRP公司開發(fā)的Automated Testing System軟件。做四點彎曲疲勞試驗(三分點加載疲勞試驗)，采用控制應變的加載模式，參照Lucas-Jam的研究成果，當應變水平大于400 μξ時試驗數(shù)據(jù)很不穩(wěn)定[13]，小梁試件的疲勞次數(shù)很小且數(shù)據(jù)沒有明顯的規(guī)律性，而應變水平小于100 μξ后，疲勞壽破壞次數(shù)過大。綜合考慮本文進行了100、 150、 200、 250、 300 μξ 5種小應變水平下的疲勞試驗。

3.2試驗結果

對疲勞試驗結果進行了匯總，5種不同RAP摻量條件下疲勞壽命隨應變水平之間的關系分別見圖2和圖3。

圖2　疲勞試驗結果匯總圖Figure 2　Summary of fatigue test results

圖3　疲勞試驗擬合結果Figure 3　Fitting results of fatigue test

四分點加載皮疲勞試驗結果表明：

① 隨著RAP舊料摻量的增加，回歸直線的k和n均增大，k增大說明隨著RAP增加，廠拌熱再生瀝青混合料抗疲勞性能均提高了。主要原因是RAP中舊瀝青介于舊集料和新瀝青之間，其硬度介于礦料和較軟瀝青之間，所以當瀝青混合料收到外界重復荷載時，在礦料與新瀝青之間就存在著一個應力緩沖層，因此提高了廠拌熱再生瀝青混合料抵御重復荷載的能力。在一定范圍內(nèi)，隨著RAP摻量的增加，疲勞性能會有所增加，但是當超過了一定范圍之后，疲勞性能會急劇下降。另外，混合料的勁度對其疲勞性能影響很大，有研究表明，溫度在一定限度內(nèi)下降時，瀝青混合料的勁度增加，試件在承受一定壓力的條件下所產(chǎn)生的應變就小，因而在控制應力加載模式的試驗中導致疲勞壽命增加[14-16]。

② 隨著RAP摻量的增加n值也是出現(xiàn)了增長的態(tài)勢，也就是說當應力變大時，RAP摻量大的瀝青混合料會更易出現(xiàn)破壞。主要原因是RAP中舊瀝青雖然起著緩沖荷載作用，但是這部分瀝青的粘彈性很大，脆性很大。當荷載變化時，其受到的影響要比新瀝青大，內(nèi)部的微裂縫也相應的會多一些。故當RAP摻量增加時，就會出現(xiàn)n值也相應增大的趨勢。

4結論

① 隨著RAP摻量增加，瀝青混合料的最佳油石比有所減少，增加RAP摻量熱再生混合料的抗車轍能力提高，同時低溫抗裂性和水穩(wěn)定性下降。

② 冷再生混合料疲勞壽命和應變水平在雙對數(shù)坐標下具有較好的線性相關性，采用三分點加載小應變水平的疲勞試驗可較好的評價熱再生混合料的抗疲勞性能。

③ 隨著RAP摻量增加，瀝青混合料的抗疲勞性能均明顯增強，但是當應力變大時，RAP摻量高的瀝青混合料其疲勞壽命會快速衰減。RAP摻量的增加會提高低應變水平下的熱再生混合料疲勞壽命，但在大應變水平下由于RAP帶來的脆性性質(zhì)會表現(xiàn)出來從而增大了熱再生混合料對應變水平的敏感性。

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Research Fatigue Properties of Hot Recycled Mixture with High Content of RAP

QIN Wei

(Xi’an Vocational and Technical Institute， Xi’an， Shanxi 710600， China)

[Abstract]Aiming at，the fatigue properties of hot recycled mixture research method single and related research conclusions are not consistent，This article based on thirds point load test to study to studied the fatigue properties of hot recycled mixtures with 30%，40%，50%，60%，80%RAP content under 100，150，200，250，300 μξ five strain level.Reveals the change rule of cold recycled mixture fatigue，at the same time established the fatigue equation.The results show that：Increase RAP content can improve the fatigue life of hot recycled mixtures under lower strain condition，but under the large strain level，due to the brittle nature of RAP brings it will be highlighted increase the sensitivity of fatigue life of hot recycled mixture.

[Key words]asphalt pavement hot recycled； thirds point loading test； strain level； fatigue life

[中圖分類號]U 414.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0211-05

[作者簡介]秦煒(1980-)，男，陜西寶雞人，講師，主要從事建筑工程的教學與科研工作。

[收稿日期]2014-08-08