再生瀝青混合料強度及疲勞性能試驗研究

陳少軍

(永升建設(shè)集團有限公司,新疆 克拉瑪依 834000)

再生瀝青混合料強度及疲勞性能試驗研究

陳少軍

(永升建設(shè)集團有限公司,新疆 克拉瑪依 834000)

通過劈裂試驗及間接拉伸試驗分析質(zhì)量分數(shù)為0、10%、20%、30%、40%和50%的再生瀝青摻量對混合料的強度及疲勞性能的影響，同時采用不同應(yīng)力比對再生瀝青混合料進行間接拉伸試驗研究混合料的疲勞特性。結(jié)果表明，隨再生瀝青質(zhì)量分數(shù)增加，混合料的劈裂強度增大，且再生瀝青質(zhì)量分數(shù)40%時，是其劈裂強度的轉(zhuǎn)折點，超過40%以后，混合料的劈裂強度降低，后期抵抗變形能力降低，即抗疲勞性能較差；隨再生瀝青質(zhì)量分數(shù)增加，混合料的間隨接拉伸強度逐漸增加，但是間接拉伸強度指數(shù)逐漸減??；經(jīng)長期老化后，再生瀝青混合料的間接拉伸強度較高，且受荷載破壞時對應(yīng)的徑向應(yīng)變較小，試件的強度指數(shù)要比老化前的低。

再生瀝青混合料；再生瀝青質(zhì)量分數(shù)；劈裂強度；疲勞性能

0 前言

近年，隨著我國高速公路網(wǎng)的修建，許多公路及市政道路已經(jīng)進入大中修期，路面將會產(chǎn)生大量的廢舊瀝青路面材料。將廢舊瀝青混合料通過回收再利用制備再生瀝青混合料(簡稱RAP)用于路面結(jié)構(gòu)，不僅可以避免材料堆放對環(huán)境造成的污染，而且可以節(jié)省瀝青和石料，降低成本，具有重大的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益[1]。

多年來，瀝青再生利用技術(shù)已經(jīng)得到世界各國研究人員的重視，許多研究成果已經(jīng)在部分路面工程實踐中應(yīng)用并推廣[2,3]，特別是美國及日本已經(jīng)掌握了多項再生利用的關(guān)鍵技術(shù)。目前，美國的再生瀝青利用率已達80%，在國內(nèi)屬常規(guī)應(yīng)用；1976年日本的研究人員開始大量研究再生利用技術(shù)，并通過數(shù)據(jù)分析得出再生瀝青混合料鋪設(shè)的路面的耐久性與正常的瀝青混合料路面沒有太大差異[4]。我國于70年代開始再生技術(shù)的研究，并于90年代初發(fā)布《熱拌再生瀝青混合料路面施工及驗收規(guī)程》。董春平等[5]人通過室內(nèi)模擬老化方法研究熱拌再生瀝青路面材料的疲勞影子和車轍因子等與舊料摻配率之間的變化規(guī)律，進而來研究再生瀝青混合料的疲勞性能。綜上所述，我國對廢舊瀝青混合料再生技術(shù)的起步比較晚，而耐久性和疲勞性能是再生瀝青應(yīng)用中的主要瓶頸，研究再生瀝青混合料的疲勞性能可以為其應(yīng)用打下理論基礎(chǔ)。

1 原材料及試驗方法

1.1 再生瀝青膠結(jié)料及集料

采用河南鄭州某市政道路廢舊瀝青混合料，在現(xiàn)場由銑刨機銑刨后運往料場，并在料場經(jīng)軋碎、篩分等處理好的廢舊回收料。試驗室對廢舊瀝青的針入度、軟化點和延度等性能進行了回收試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 廢舊瀝青指標試驗結(jié)果

實驗室選用70#新瀝青與廢舊瀝青進行混溶，新瀝青的技術(shù)指標如表2所示，且各項性能指標滿足JTG F40 — 2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)要求。

表2 70#新瀝青的各項性能指標測試結(jié)果

對廢舊瀝青混合料中的集料進行了篩分、密度試驗、堅固值試驗等，測試得粗集料的表觀密度為2.451 g/cm3，壓碎值為23%，經(jīng)篩分后舊集料的級配結(jié)果如表3所示，其中再生瀝青混合料級配采用AC — 16型。

表3 廢舊瀝青混合料中集料級配

1.2 瀝青混合料配合比設(shè)計

廠拌熱再生瀝青混合料一般是廢舊瀝青混合料經(jīng)破碎篩分后，根據(jù)其針入度、軟化點、瀝青含量和舊集料級配等添加再生劑及一定比例的新瀝青和集料的過程。利用這種加工工藝生產(chǎn)的復(fù)合相關(guān)技術(shù)標準的再生瀝青混合料可以采用熱拌瀝青混合料的施工工藝用于路面鋪裝。試驗過程中采用廠拌熱再生瀝青混合料的制作工藝制備再生瀝青混合料，并按照JTG F40 — 2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中熱拌瀝青混合料的配合比方案設(shè)計再生瀝青混合料，通過馬歇爾試驗得混合料中再生瀝青的質(zhì)量分數(shù)分別為10%、20%、30%、40%、50%時最佳瀝青用量分別為4.37%、4.38%、4.40%、4.56%、4.96%。

1.3 試驗方法

試驗中測試再生瀝青混合料的劈裂強度和疲勞性能。其中劈裂強度試驗所用試件為馬歇爾試驗方法成型的高度為(50±1) mm、直徑為101.6 mm的圓柱體試件，加載速率為50 mm/min，按照JTG E20 — 2011《公路工程瀝青和瀝青混合料試驗規(guī)程》中的方法在15 ℃條件下進行試驗。

目前國內(nèi)疲勞試驗的研究采用的大多是費用少、周期短、操作簡便的室內(nèi)小型疲勞試驗法[4]。本試驗采用間接拉伸疲勞試驗，試件擊實成型，采用控制應(yīng)力的加載方式研究再生瀝青混合料的疲勞性能。試驗前試件先在25 kPa條件下預(yù)壓60 s，應(yīng)力水平選擇0.2、0.3、0.4、0.5、0.6，15 ℃下測試混合料的疲勞特性。試驗儀器為UTM — 100液壓伺服多功能材料試驗機。

疲勞試驗前對再生瀝青混合料按照JTG E20 — 2011《公路工程瀝青和瀝青混合料試驗規(guī)程》規(guī)定的試驗方法進行老化處理：將制成試件的瀝青混合料放在135 ℃的烘箱內(nèi)通風加熱4 h，用于模擬短期老化條件；將瀝青混合料試件放入85 ℃的烘箱中，在強制通風條件下持續(xù)加熱120 h，用以模擬長期老化條件。

2 試驗結(jié)果及分析

1) 不同RAP質(zhì)量分數(shù)對再生瀝青混合料劈裂強度的影響。

對再生瀝青的質(zhì)量分數(shù)分別為10%、20%、30%、40%、50%的再生瀝青混合料進行加速老化后，得劈裂強度試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同質(zhì)量分數(shù)下再生瀝青老化前后劈裂強度曲線

由圖1可知:隨再生瀝青質(zhì)量分數(shù)增加，混合料的劈裂強度增大，這是因為：廢舊瀝青由于老化嚴重，輕質(zhì)油分揮發(fā)更嚴重，加入混合料中會使其抵抗變形的能力增強，從而變硬變脆，強度增大。

在15 ℃條件下，再生瀝青混合料老化前的劈裂強度隨瀝青質(zhì)量分數(shù)的增大一直呈上升趨勢；而老化后，當再生瀝青質(zhì)量分數(shù)小于40%時，混合料的劈裂強度曲線呈上升趨勢，質(zhì)量分數(shù)超過40%后，老化后的混合料劈裂強度曲線開始急劇下降。因此可知，再生瀝青質(zhì)量分數(shù)增加可以提高混合料的劈裂強度，但是會降低混合料老化后的劈裂強度。綜上所述，再生瀝青質(zhì)量分數(shù)40%是其劈裂強度的轉(zhuǎn)折點。

2) 不同RAP質(zhì)量分數(shù)對再生瀝青混合料疲勞性能的影響。

試驗中用強度指數(shù)來表征瀝青混合料的抗疲勞性能，是反映瀝青混合料在承受壓力過程中強度、彈性及塑性性能的有效參數(shù)。研究表明[6]，彈性指數(shù)可以很好地反映材料的彈塑性能，對于理性的脆性材料來說，強度指數(shù)為0；對于理性的彈性材料來說，彈性指數(shù)則為1。

為研究不同再生瀝青質(zhì)量分數(shù)對疲勞試驗結(jié)果的影響，對瀝青混合料中RAP質(zhì)量分數(shù)分別為0、10%、20%、30%、40%、50%的再生瀝青混合料進行了間接拉伸疲勞試驗，每組試驗5個試件，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 間接拉伸疲勞試驗結(jié)果

由圖2a和圖2b中可以看出，老化前后隨再生瀝青質(zhì)量分數(shù)增加，混合料的間隨接拉伸強度增加；但是再生瀝青混合料的間接拉伸強度指數(shù)隨再生瀝青質(zhì)量分數(shù)增加而減小。在瀝青中摻加10%～30%的再生瀝青后，混合料的間接拉伸強度和拉伸強度指數(shù)增大或減小不明顯，當再生瀝青摻量達到40%左右時，再生瀝青混合料的間接拉伸強度和間接拉伸強度指數(shù)變化較大，這也說明再生瀝青摻量增大到40%以后，混合料的拉伸強度增大，后期抵抗變形能力降低，即抗疲勞性能較差。

由圖2c中可以看到，在間接拉伸疲勞試驗中，不同再生瀝青摻量的混合料的疲勞壽命隨RAP摻量的增大而減小。這是因為：在瀝青混合料中，再生瀝青質(zhì)量分數(shù)增大時，再生瀝青混合料的疲勞壽命則越來越小，同時疲勞壽命的降低幅度增大，抗疲勞性能越差，因而其對應(yīng)力的敏感程度就降低。再生瀝青混合料中的再生瀝青在路面荷載和惡劣氣候等外界不利環(huán)境的長期作用下，出現(xiàn)了部分老化現(xiàn)象，使再生后的混合料強度增大，和正常的瀝青混合料相比，其對應(yīng)力的敏感性也有不同程度的降低。

對比圖2中的3組圖可以看出，經(jīng)長期老化后，再生瀝青混合料的間接拉伸強度較高，且受荷載破壞時對應(yīng)的徑向應(yīng)變較??；而且經(jīng)過模擬長期老化作用后，試件的強度指數(shù)要比老化前的低。

3 結(jié)論

1)隨再生瀝青質(zhì)量分數(shù)增加，混合料的劈裂強度增大；且再生瀝青質(zhì)量分數(shù)40%時，是混合料劈裂強度的轉(zhuǎn)折點。

2)隨再生瀝青質(zhì)量分數(shù)增加，混合料的間隨接拉伸強度增加，間接拉伸強度指數(shù)減??；再生瀝青摻量增大到40%以后，混合料的間接拉伸強度增大，后期抵抗變形能力降低，即抗疲勞性能較差。

3)經(jīng)長期老化后，再生瀝青混合料的間接拉伸強度較高，且受荷載破壞時對應(yīng)的徑向應(yīng)變較??；而且經(jīng)長期老化作用后，試件的強度指數(shù)要比老化前的低。

[1] 徐劍, 黃頌昌, 鄒桂蓮.高等級公路瀝青路面再生技術(shù)[M].北京：人民交通出版社， 2011.

[2] 董玲云. 廠拌熱再生瀝青混合料疲勞性能研究[D]. 重慶: 重慶交通大學, 2013.

[3] Taylor N H. Life expectancy of recycled asphalt paving[M].Recycling of bituminous pavements.ASTM International, 1978.

[4] 日本道路建設(shè)業(yè)協(xié)會.加熱瀝青混合料的再生利用現(xiàn)狀(單行本)[M].東京:大光社印刷株式會社,2003.

[5] 董春平. 瀝青路面冷再生基層材料疲勞壽命試驗研究[J]. 滁州學院學報, 2009, 11(6): 122-124.

[6] 李強, 馬松林, 王鵬飛. 瀝青路面冷再生混合料疲勞性能[J]. 交通運輸工程學報, 2004, 4(1): 7-10.

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