基于斷裂試驗(yàn)的再生瀝青混合料中溫抗裂性能

陳正偉, 朱月風(fēng), 張洪亮, 宋 彬

(1.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710064; 2.石家莊鐵道大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院,河北 石家莊 050043; 3.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司 安平高速公路管理處,陜西 安康 725000)

基于斷裂試驗(yàn)的再生瀝青混合料中溫抗裂性能

陳正偉1, 朱月風(fēng)2, 張洪亮1, 宋 彬3

(1.長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710064; 2.石家莊鐵道大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院,河北 石家莊 050043; 3.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司 安平高速公路管理處,陜西 安康 725000)

文章基于半圓彎拉(semi-circular bending,SCB)試驗(yàn)方法,在25 ℃條件下,對不同再生瀝青路面(recycled asphalt pavement,RAP)材料摻量、不同級配以及長期老化條件下的再生瀝青混合料進(jìn)行了斷裂試驗(yàn),得到不同瀝青混合料斷裂能,并采用柔性指數(shù)對不同瀝青混合料的中溫抗裂性能進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明:不同再生瀝青混合料的斷裂能數(shù)值較為接近,不能很好地表征瀝青混合料的抗裂性能;而柔性指數(shù)體現(xiàn)了材料的固有斷裂屬性;再生瀝青混合料的抗裂性能受RAP摻量及混合料老化的影響較大,隨著RAP摻量的增加及混合料的長期老化,瀝青混合料的抗裂性能均有不同程度降低,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)對再生材料的用量加以控制,并注重老化后的抗裂性能。

斷裂試驗(yàn);半圓彎拉(SCB)試驗(yàn);柔性指數(shù);斷裂能;再生瀝青混合料

0 引 言

再生瀝青路面(recycled asphalt pavement,RAP)材料是一種非常有價(jià)值的資源,早在20世紀(jì)30年代,國外就開始在路面建設(shè)中使用RAP材料[1],隨著原油價(jià)格的增長及環(huán)保意識的增強(qiáng),RAP材料的應(yīng)用越來越普遍。在新修建的瀝青路面中摻加一定量的RAP材料,可以節(jié)約瀝青和集料用量,其經(jīng)濟(jì)價(jià)值顯而易見[2]。但是,RAP材料中的瀝青由于發(fā)生了老化而變硬變脆,摻加到新瀝青中制備再生瀝青混合料時(shí),其力學(xué)性能會發(fā)生變化,使得再生瀝青混合料的抗裂性能會出現(xiàn)一定程度的下降[3]。

瀝青路面的開裂行為已成為困擾道路研究工作者的難題,通常認(rèn)為隨著再生瀝青含量的增加,瀝青混合料的疲勞壽命會降低,這是因?yàn)檩^高模量和較低松弛能力的再生材料會加速開裂和裂縫擴(kuò)展的發(fā)生。對于瀝青混合料的疲勞開裂能力,通常使用拉伸-壓縮疲勞試驗(yàn)[4]進(jìn)行評價(jià)。文獻(xiàn)[5]使用拉伸-壓縮試驗(yàn),對wRAP為0、15%、25%、40%的再生瀝青混合料疲勞壽命進(jìn)行研究評價(jià)時(shí)發(fā)現(xiàn),wRAP為40%的疲勞壽命最高,wRAP為15%、25% 時(shí)有相同的疲勞壽命,這與實(shí)際不相吻合。另外一種模擬疲勞試驗(yàn)的方法為小梁彎曲試驗(yàn),文獻(xiàn)[6-7]研究發(fā)現(xiàn),隨著RAP摻量的增加,瀝青混合料的疲勞壽命略微增加;文獻(xiàn)[8]同樣發(fā)現(xiàn)wRAP從10%增加到30%時(shí),瀝青混合料的疲勞壽命略微增加。然而,文獻(xiàn)[9-10]研究發(fā)現(xiàn),不同RAP摻量的瀝青混合料的疲勞開裂壽命并無規(guī)律。

近年來,瀝青混合料斷裂試驗(yàn)引起了廣泛關(guān)注,例如半圓彎拉(semi-circular bending,SCB)試驗(yàn)、Fenix試驗(yàn)以及半圓拉伸(disk-shaped compact tension,DCT)試驗(yàn)等[11]。其中,SCB試驗(yàn)操作簡便、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng),比Fenix試驗(yàn)及DCT試驗(yàn)更有優(yōu)勢[12]。文獻(xiàn)[13]研究發(fā)現(xiàn),SCB試驗(yàn)既能夠評價(jià)實(shí)驗(yàn)室制作的試件,又能評價(jià)實(shí)地鉆芯取樣試件;文獻(xiàn)[14]研究發(fā)現(xiàn),在使用SCB試驗(yàn)評價(jià)瀝青混合料的中溫?cái)嗔研阅軙r(shí),僅采用試驗(yàn)中致使試件斷裂時(shí)消耗的能量來進(jìn)行表征是不夠的;文獻(xiàn)[11]采用柔性指數(shù)對瀝青混合料的中溫抗裂能力進(jìn)行了評價(jià),取得了很好的研究結(jié)果,并在實(shí)地性能中得到了證明。

本文綜合考慮不同級配、不同RAP摻量及老化的再生瀝青混合料的中溫抗裂性能,并采用柔性指數(shù)對不同瀝青混合料的抗裂性能進(jìn)行研究,為更好地利用RAP資源提供一定的借鑒。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

選取1種基質(zhì)瀝青,其性能分級為PG64-22,根據(jù)Superpave試驗(yàn)方法,分別進(jìn)行了動態(tài)剪切流變試驗(yàn)(dynamic shear rheometer,DSR)、薄膜烘箱老化試驗(yàn)(rolling thin film oven,RTFO)、壓力老化試驗(yàn)(pressure aging vessel,PAV)及彎曲梁流變試驗(yàn)(bending beam rheometer,BBR)等,得到瀝青的基本力學(xué)性能指標(biāo),見表1所列。瀝青混合料類型、體積指標(biāo)及對應(yīng)的級配狀況見表2、表3所列。

表1 瀝青基本指標(biāo)

表2 瀝青混合料類型及體積指標(biāo)

表3 瀝青混合料集料級配狀況

注:篩孔尺寸單位為mm。

采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀制作直徑為150 mm,高為170 mm試件,在室內(nèi)放置24 h后,根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的SCB試驗(yàn)方法,制作標(biāo)準(zhǔn)SCB試件,即SCB試件的直徑為150 mm,厚度為50 mm,并預(yù)制15 mm的裂縫,如圖1所示。

圖1 SCB試件尺寸及試驗(yàn)裝置簡圖

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 SCB試驗(yàn)

(1) 試驗(yàn)條件與步驟。首先,將SCB試件放在25 ℃的溫度控制箱內(nèi)4 h,取出SCB試件并放在MTS試驗(yàn)機(jī)上,SCB試件底部有2個(gè)圓棒作為支撐,支撐的距離一般選為試件直徑的0.8倍,在半圓試件頂部中間位置用圓棒加載,采用圓棒作為支撐和加載可以減少試件與加載裝置之間的摩擦力,使試件受力簡單化,裝置簡圖如圖1所示。

SCB試驗(yàn)時(shí)采用恒定的裂縫開口位移控制模式,控制速率為50 mm/min。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,將荷載和裂紋開口位移數(shù)據(jù)記錄下來,以計(jì)算需要的斷裂參數(shù)。試驗(yàn)時(shí),每種混合料至少有3個(gè)重復(fù)試件,以排除偶然誤差的影響,在結(jié)果分析時(shí)取多個(gè)試件的平均值。

(2) 數(shù)據(jù)分析方法。SCB試驗(yàn)的典型荷載-位移輸出結(jié)果如圖2所示。

圖2中,WD為SCB試件斷裂過程中所做功;Pmax為試驗(yàn)最大荷載;u0為最大荷載對應(yīng)的位移值;u1為臨界位移,由拐點(diǎn)處的斜率延長線得到;uf為實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的位移;m為拐點(diǎn)處的斜率。u1和m值與瀝青混合料的抗裂性能相關(guān),u1越大,瀝青混合料的延展性越強(qiáng),抗裂性能越好。

斷裂能Gf的計(jì)算公式為:

(1)

其中,h為試件厚度;l為試件的初始斷裂區(qū)長度。

柔性指數(shù)(flexibility index,FI)IF的計(jì)算公式為:

(2)

其中,m為荷載-位移曲線最大荷載后的拐點(diǎn)處斜率,為負(fù)數(shù),公式中取其絕對值;A為常系數(shù),取0.01。 FI體現(xiàn)了材料固有的斷裂性質(zhì),其值大小與裂縫擴(kuò)展速率相關(guān)。

1.2.2 瀝青混合料長期老化試驗(yàn)

本文考慮了長期老化對再生瀝青混合料中溫抗裂性能的影響。首先,在135 ℃環(huán)境下強(qiáng)制通風(fēng)加熱4 h對瀝青混合料進(jìn)行短期老化,將松散瀝青混合料碾壓成型,切割成SCB試件大小。其次,將短期老化后切好的試件放入85 ℃烘箱中進(jìn)行120 h的長期老化。

2 結(jié)果與討論

2.1 SCB試驗(yàn)結(jié)果

老化前不同wRAP及不同級配的瀝青混合料的斷裂能如圖3所示。

圖3 老化前不同瀝青混合料斷裂能對比

從圖3可以看出,不同RAP摻量及不同級配的瀝青混合料的斷裂能相差不大,這與文獻(xiàn)[11]相一致,無法確定不同再生瀝青混合料的中溫抗裂能力。

不同RAP摻量及不同級配的瀝青混合料柔性指數(shù)對比如圖4所示。

圖4 老化前不同瀝青混合料的柔性指數(shù)對比

從圖4可以看出，對于AC-13瀝青混合料，當(dāng)RAP摻量從10%增加到30%時(shí)，柔性指數(shù)降低了36%；對于AC-16瀝青混合料，柔性指數(shù)降低了50%。其原因?yàn)镽AP含量中的瀝青老化變脆，摻加到新的瀝青混合料中時(shí)，會影響再生瀝青混合料的松弛能力和延展性等，因此高RAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)的再生瀝青混合料的韌性指數(shù)偏低，更容易發(fā)生開裂現(xiàn)象。

2.2 老化對抗裂性能的影響

長期老化后的再生瀝青混合料斷裂性能對比如圖5所示,與圖3結(jié)果相比,瀝青混合料的斷裂能有明顯降低,不同混合料的下降比率約為25%,說明長期老化試驗(yàn)嚴(yán)重降低了瀝青混合料的抗裂性能,但各種瀝青混合料的斷裂能相差不大。

圖5 老化后不同瀝青混合料斷裂能對比

長期老化后瀝青混合料的柔性指數(shù)(FI)對比如圖6所示，與未老化的瀝青混合料相比有較為明顯的降低；以wRAP=20%的AC-16瀝青混合料為例，老化前FI約為13，老化后FI不足9，F(xiàn)I降低了30%以上。

圖6 老化后不同瀝青混合料的柔性指數(shù)對比

3 結(jié) 論

(1) SCB試驗(yàn)受力簡單,經(jīng)濟(jì)性和時(shí)間成本與傳統(tǒng)拉伸-壓縮試驗(yàn)相比有很大優(yōu)勢,試驗(yàn)中獲得的荷載-位移曲線容易分析,并可得到材料的固有屬性信息。

(2) 根據(jù)SCB試驗(yàn)數(shù)據(jù),采用柔性指數(shù)對不同RAP摻量、不同級配及長期老化條件下的再生瀝青混合料的中溫抗裂能力進(jìn)行了評價(jià),結(jié)果表明,高RAP摻量的再生瀝青混合料的抗開裂能力較差,且經(jīng)過長期老化試驗(yàn)后的抗裂性能進(jìn)一步降低。

(3) 柔性指數(shù)能夠表征不同瀝青混合料的抗裂性能,下一步需要對柔性指數(shù)的臨界值進(jìn)行研究,以更好地為再生瀝青材料在實(shí)際道路中的應(yīng)用創(chuàng)造條件。

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Intermediatetemperaturecrackingpropertyofrecycledasphaltmixtureusingfracturetest

CHEN Zhengwei1, ZHU Yuefeng2, ZHANG Hongliang1, SONG Bin3

(1.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’ an University, Xi’ an 710064, China; 2.School of Traffic and Transportation, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China; 3.Anping Expressway Management Division, Shaanxi Provincial Communication Construction Group, Ankang 725000, China)

Based on the semi-circular bending(SCB) test method, the fracture test was conducted on recycled asphalt mixture at 25 ℃ with different recycled asphalt pavement(RAP) content, gradation and long-term aging condition. The fracture energy of different asphalt mixtures was obtained, and the flexibility index was developed to evaluate the intermediate temperature cracking ability of different asphalt mixtures. The results show that the values of fracture energy of different asphalt mixtures are very close, which is not suitable to evaluate the intermediate temperature cracking property. However, the flexibility index can reflect the fundamental fracture behavior of different mixtures. It is shown that the RAP content and aging condition have significant influence on cracking property of asphalt mixtures. With the increase of RAP content and long-term aging, the cracking property of asphalt mixtures decreases, which means that RAP content should be controlled in the future application and the cracking property after aging should not be ignored.

fracture test; semi-circular bending(SCB) test; flexibility index; fracture energy; recycled asphalt mixture

2016-07-04；

2017-03-13

安康市科技局資助項(xiàng)目(2015AK04-02)

陳正偉(1975-),男,浙江浦江人,長安大學(xué)博士生;

朱月風(fēng)(1990-),男,河北唐山人,博士,石家莊鐵道大學(xué)講師,通訊作者,E-mail:954366420@qq.com;

張洪亮(1974-),男,山東棗莊人,博士,長安大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.09.021

U416.217

A

1003-5060(2017)09-1260-05

(責(zé)任編輯 張淑艷)