不同改性方式對乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能的影響

王 清，汪德才，都敬麗

(1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路學(xué)院，河南 鄭州 450015；2.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450000；3.河南省道路材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450006；4.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450006)

0 引 言

近年來，乳化瀝青冷再生技術(shù)以其瀝青舊料摻量高、施工便捷、環(huán)境效益明顯等優(yōu)勢在道路維修改造中得到廣泛應(yīng)用，但冷再生路面耐久性不足的問題在一定程度上限制了該項技術(shù)的推廣應(yīng)用。乳化瀝青冷再生混合料的疲勞特性是重要的路面性能，目前關(guān)于乳化瀝青冷再生混合料疲勞特性的研究主要集中在試驗方法、疲勞破壞特征、控制指標(biāo)及壽命預(yù)估方程等方面，而且大多是針對普通乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能的研究，對于乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能提升方面的研究較少[1-7]。

本文基于應(yīng)力控制模式下的間接拉伸劈裂試驗，研究添加再生劑(Rejuvenation Agent，RA)、布敦巖瀝青(Buton Rock Asphalt, BRA)以及采用SBR改性乳化瀝青后的乳化瀝青冷再生混合料的疲勞性能，并與普通乳化瀝青冷再生混合料進(jìn)行對比分析，探討再生劑、布敦巖瀝青及SBR改性乳化瀝青對冷再生混合料疲勞性能的提升效果；同時，利用雙參數(shù)Weibull分布理論分析乳化瀝青冷再生混合料的疲勞試驗結(jié)果，以期對乳化瀝青冷再生材料的組成設(shè)計提供一些參考，進(jìn)一步提升乳化瀝青冷再生路面的耐久性。

1 材料組成

(1)舊瀝青混合料(RAP)。試驗中RAP來源于某高速公路瀝青面層銑刨舊料，抽提后測得RAP中瀝青含量為4.88%，技術(shù)指標(biāo)見表1。RAP抽提前后的級配見表2。

表1 回收瀝青技術(shù)指標(biāo)

(2)乳化瀝青。選用工程中常用陽離子慢裂快凝型乳化劑及70號道路石油瀝青，采用膠體磨制備乳化瀝青，殘留分含量為62.6%，25 ℃針入度為77(0.1 mm)，15 ℃延度為56.7 cm，篩上殘留物(1.18 mm篩)指標(biāo)為0.65，1 d常溫儲存穩(wěn)定性為0.4%，5 d儲存穩(wěn)定性為1.3%。

(3)新集料與水泥。為滿足材料組成設(shè)計要求，添加了10%的石灰?guī)r碎石(粒徑10～20 mm)，合成級配見表3。試驗所用水泥為緩凝型普通32.5硅酸鹽水泥。原材料技術(shù)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

表2 RAP級配組成

表3 乳化瀝青冷再生混合料級配組成

(4)改性材料。本研究采用再生劑、SBR膠乳與布敦巖瀝青3種改性方式對冷再生混合料的疲勞性能進(jìn)行改善。再生劑為熱再生常用型，由于其常溫黏度較大，若直接添加，難以均勻分散，為提高再生劑的分散和滲透效果，按一定的比例與自制的有機溶劑進(jìn)行混合，然后均勻噴灑在舊料表面。SBR為進(jìn)口膠乳，通過與乳化瀝青成品混合的方式進(jìn)行改性，現(xiàn)混現(xiàn)用，以免出現(xiàn)分層離析影響改性效果。根據(jù)各材料廠商提供的材料參數(shù)及推薦用量，再生劑添加比例為舊瀝青含量的8%，SBR膠乳摻量為乳化瀝青用量的3%，布敦巖瀝青用量為冷再生混合料的3.5‰。

2 疲勞試驗

2.1 試驗方法及參數(shù)

綜合對比各種疲勞試驗的優(yōu)缺點，發(fā)現(xiàn)綜合評價最高的是直接拉伸試驗、間接拉伸試驗與重復(fù)彎曲試驗[8-12]?？紤]到試驗裝置的處理難易程度和試驗對路面實際受力狀態(tài)的模擬效果，本文選用間接拉伸試驗，采用應(yīng)力控制模式加載，其具體試驗參數(shù)見表4。試驗設(shè)備為IPC UTM-25。

2.2 試驗結(jié)果與分析

疲勞試驗采用應(yīng)力控制的加載模式，試驗前應(yīng)測試混合料的劈裂強度，從而確定設(shè)計應(yīng)力下的荷載加載值大小，為疲勞試驗提供加載依據(jù)。劈裂試驗按照規(guī)范要求進(jìn)行，試驗溫度及其他加載條件與所對應(yīng)的疲勞試驗保持一致。應(yīng)用t分布法整理劈裂強度試驗結(jié)果，求出混合料劈裂強度代表值為0.7 MPa，然后以0.2、0.3、0.4、0.5 MPa四個應(yīng)力分別作為加載應(yīng)力進(jìn)行冷再生混合料疲勞試驗，結(jié)果見表5。

表4 乳化瀝青冷再生混合料疲勞試驗參數(shù)

表5 各材料疲勞試驗結(jié)果

大量研究表明：試件在同一應(yīng)力水平下的對數(shù)疲勞壽命呈正態(tài)分布，疲勞壽命與應(yīng)力在雙對數(shù)坐標(biāo)上呈線性關(guān)系，應(yīng)力控制模式下瀝青混合料疲勞壽命-應(yīng)力關(guān)系可用經(jīng)典疲勞方程表示[13-15]，即

N=k(1/σ)n

(1)

將應(yīng)力水平與疲勞壽命在雙對數(shù)坐標(biāo)下擬合，即

lg(N)=k-nlg(σ)

(2)

式中：lg(N)為對數(shù)疲勞壽命；σ為施加應(yīng)力水平最大幅值；k和n分別為直線截距和斜率。k表示疲勞曲線位置高低，k越大，則疲勞曲線的位置越高，混合料抗疲勞性能越好；n決定疲勞曲線陡緩，n越大說明應(yīng)力變化對疲勞壽命的影響越大。

將加載應(yīng)力及疲勞壽命取對數(shù)后進(jìn)行擬合，得到各材料的間接拉伸疲勞曲線，見圖1，疲勞方程及其系數(shù)見表6。

圖1 不同乳化瀝青冷再生混合料類型的疲勞曲線

表6 不同材料疲勞壽命擬合的疲勞方程參數(shù)

由圖1、表6可知：各材料疲勞壽命均隨著加載應(yīng)力的增加而降低，添加再生劑的乳化瀝青冷再生混合料的疲勞壽命無論是在低應(yīng)力區(qū)還是高應(yīng)力區(qū)均高于其他材料，這說明添加再生劑能顯著改善乳化瀝青冷再生混合料的疲勞壽命。添加再生劑后的乳化瀝青冷再生混合料疲勞曲線的n值降低、k值增大，說明再生劑的加入能降低冷再生混合料的應(yīng)力敏感性，增加抗疲勞能力。這主要是因為，在冷再生混合料中加入再生劑后能恢復(fù)舊料中的部分瀝青性能，增加黏聚性。

采用SBR改性乳化瀝青或添加布敦巖瀝青的乳化瀝青冷再生混合料，在4種應(yīng)力作用下的疲勞壽命均高于普通乳化瀝青冷再生混合料，其中采用SBR改性乳化瀝青的冷再生混合料疲勞曲線的n值變小、k值增大，說明SBR膠乳降低了冷再生混合料的應(yīng)力敏感性，提高了其抗疲勞能力。添加布敦巖瀝青的冷再生混合料疲勞曲線n值增大、k值減小，表明其疲勞壽命隨著加載應(yīng)力增大且加載應(yīng)力影響較大。

3 Weibull分布檢驗與應(yīng)用

3.1 雙參數(shù)Weibull函數(shù)

Weibull函數(shù)是瑞典威布爾(Weibull)提出的一種概率密度函數(shù)，具有廣泛適用性，不僅可以描述初始強度非正態(tài)分布時的破壞壽命，而且也包含了接近正態(tài)分布在內(nèi)的大量分布。

Weibull概率密度函數(shù)f(n)、累積分布函數(shù)和Pf(n)表示為

式中：n為隨機變量N的特征值；a為形狀參數(shù)或在應(yīng)力σ下的Weibull斜率；u為尺度參數(shù)；n0為位置參數(shù)或應(yīng)力σ下的最小壽命。

設(shè)最小壽命n0為0，則失效概率

(5)

式(5)稱為雙參數(shù)Weibull函數(shù)。

3.2 參數(shù)估算

Weibull函數(shù)中需要確定2個未知參數(shù)，以建立失效概率和疲勞壽命之間的對應(yīng)關(guān)系。為驗證本文疲勞試驗結(jié)果是否滿足雙參數(shù)Weibull分布，對式(5)取對數(shù)，即

(6)

Y=aX-β

(7)

3.3 Weibull分析

將每個應(yīng)力水平下的同一組試件的疲勞壽命按從小到大的順序排列，選取普通乳化瀝青冷再生混合料進(jìn)行驗證，分別在0.2、0.3、0.4、0.5 MPa四個應(yīng)力水平下按式(7)計算X和Y，其中失效概率

(8)

式中：i是試件在該組的序號，i=1，2，3，…，k，k是該組試件的總數(shù)。計算結(jié)果如表7所示。

表7 疲勞壽命N的Weibull分布檢驗

對不同應(yīng)力比下的普通乳化瀝青冷再生混合料的疲勞壽命與失效概率的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，可以得出式(7)的回歸系數(shù)a、β和R2，見表8。

表8 疲勞壽命-失效概率的回歸系數(shù)

以上分析表明普通乳化瀝青冷再生混合料疲勞壽命符合雙參數(shù) Weibull函數(shù)分布特征，從而可以建立失效概率和疲勞壽命間的對應(yīng)關(guān)系，并由此計算不同失效概率下的疲勞壽命。由式(5)可得

(9)

因此，當(dāng)失效概率確定時可根據(jù)式(9)計算一定應(yīng)力水平下所對應(yīng)的疲勞壽命。不同失效概率下各個應(yīng)力水平對應(yīng)的疲勞壽命見表9。

表9 不同失效概率下的疲勞壽命

由表9可知：失效概率越小，即保證率越大，同一應(yīng)力水平下乳化瀝青冷再生混合料的疲勞壽命越小，那么在相同疲勞壽命下應(yīng)力水平隨著失效概率的變小而降低。根據(jù)不同失效概率的乳化瀝青冷再生混合料疲勞壽命，按經(jīng)典疲勞方程式(1)進(jìn)行回歸，得到不同失效概率下乳化瀝青冷再生混合料疲勞方程的回歸系數(shù)及疲勞方程，見表10。由表10可知，不同失效概率下乳化瀝青冷再生混合料疲勞方程的相關(guān)系數(shù)都非常高，也說明式(1)的回歸模型比較理想。

表10 不同失效概率下的疲勞方程

4 結(jié) 語

(1)添加再生劑的乳化瀝青冷再生混合料的疲勞壽命無論是在低應(yīng)力區(qū)還是高應(yīng)力區(qū)都顯著高于其他改性方式，這表明添加再生劑后乳化瀝青冷再生混合的疲勞壽命得到顯著改善，且添加再生劑后，冷再生混合料疲勞曲線的n值降低，k值增大，說明再生劑的加入降低了冷再生混合料的應(yīng)力敏感性，增加了抗疲勞能力。

(2)采用SBR改性乳化瀝青及添加布敦巖瀝青的乳化瀝青冷再生混合料，在4種應(yīng)力作用下的疲勞壽命均高于普通乳化瀝青冷再生混合料。其中，添加SBR膠乳的乳化瀝青冷再生混合料的疲勞曲線n值變小、k值增大，表明采用SBR改性乳化瀝青降低了冷再生混合料的應(yīng)力敏感性，提高了冷再生混合料的抗疲勞能力；添加布敦巖瀝青的乳化瀝青冷再生混合料的疲勞曲線n值增大、k值減小，表明其疲勞壽命受應(yīng)力影響較大。

(3)基于雙參數(shù)Weibull理論，分析計算了乳化瀝青冷再生混合料的疲勞試驗結(jié)果，得到了乳化瀝青冷再生混合料在5種不同失效概率下的疲勞方程，其疲勞壽命服從雙參數(shù)Weibull分布，為乳化瀝青冷再生混合料的疲勞設(shè)計提供一定的借鑒作用。