考慮擊實(shí)溫度的可回收瀝青路面材料直剪蠕變?cè)囼?yàn)

殷 杰，王星光，胡明明，湯 勇

(江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

我國(guó)高速公路一般采用瀝青混凝土路面，其設(shè)計(jì)使用年限為15年.隨著交通量不斷增長(zhǎng)、道路本身的使用年限以及瀝青的老化，使瀝青路面的破壞日趨嚴(yán)重，需及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修，由此產(chǎn)生了大量廢舊瀝青路面材料.據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生的廢舊瀝料數(shù)量超過(guò)2.2億t[1]，相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家超過(guò)80%的回收利用率[2]，我國(guó)廢舊料的回收利用率僅有30%，其余被作為垃圾填埋處理[1].因此，還有大量的廢舊材料亟待資源化再利用.

廢舊瀝青路面材料經(jīng)銑刨、篩選后成為可回收瀝青路面(recycled asphalt pavement，RAP)材料.國(guó)內(nèi)相關(guān)報(bào)道主要圍繞RAP作為摻料與新的瀝青拌合料混合后用于路面面層或基層材料路用性能的研究[3]，主要包括熱再生瀝青混合料的高溫累計(jì)變形和荷載敏感性研究[4]、再生瀝青在高低溫下的蠕變性能研究[5]和瀝青混凝土路面蠕變響應(yīng)的研究[6]等.為了拓展RAP材料的利用范圍，提高利用率，國(guó)外相關(guān)研究已經(jīng)涉及到RAP作為路基填料的研究[7]，主要集中于RAP的擊實(shí)特性[8-9]、三軸壓縮特性[10]及強(qiáng)度特性[11-12]等方面.需要指出的是，盡管RAP可作為填料使用，但RAP中的瀝青成分具有黏附性和溫度敏感性，在長(zhǎng)期荷載作用下具有顯著的蠕變特性，且易受溫度的影響[13].YIN J.等[13]曾通過(guò)三軸蠕變?cè)囼?yàn)，施加恒定豎向偏應(yīng)力，研究RAP作為路堤填料時(shí)，擊實(shí)溫度對(duì)其蠕變特性的影響.若將RAP用作擋土墻填料，會(huì)存在水平向蠕變.有必要開(kāi)展直剪蠕變?cè)囼?yàn)，探討其水平蠕變性能.殷杰等[14]通過(guò)開(kāi)展蠕變?cè)囼?yàn)，探討了RAP在室溫下(20 ℃)的水平蠕變特性，但是沒(méi)有考慮擊實(shí)溫度的影響.

為了進(jìn)一步模擬不同季節(jié)施工溫度對(duì)RAP蠕變特性的影響，筆者在前期研究[14]的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展0 ℃和50 ℃兩種擊實(shí)溫度下RAP的系列直剪試驗(yàn)與蠕變?cè)囼?yàn)，通過(guò)對(duì)比室溫下的試驗(yàn)結(jié)果，探討擊實(shí)溫度對(duì)RAP水平蠕變特性的影響.

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

RAP材料取自鎮(zhèn)江市某翻修瀝青路面的面層廢舊塊料，瀝青含量約為4.2%.對(duì)廢舊料進(jìn)行破碎、過(guò)篩，得到用于試驗(yàn)的RAP試樣.通過(guò)室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)，獲取RAP試樣的基本物理力學(xué)性質(zhì).采用比重瓶法，測(cè)定RAP的相對(duì)密度為2.24；通過(guò)篩分試驗(yàn)，確定RAP的曲率系數(shù)Cc為1.27，不均勻系數(shù)Cu為13.2；通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)得RAP的最大干密度為1.92 g·cm-3，最優(yōu)含水率為5.1%.

1.2 試驗(yàn)方案

表1 直剪試驗(yàn)和直剪蠕變?cè)囼?yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 直剪試驗(yàn)

通過(guò)開(kāi)展直剪試驗(yàn)，獲得不同擊實(shí)溫度θc(0，50 ℃)下RAP試樣的剪應(yīng)力τ與應(yīng)變?chǔ)舠關(guān)系曲線(xiàn)，如圖1所示.可以看出，不同擊實(shí)溫度θc、不同豎向應(yīng)力σ下的RAP試樣均呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特性.此外，在相同的θc下，σ越高，τ越大，峰值剪應(yīng)力τmax也越大,對(duì)應(yīng)的εs也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì).圖1a中，θc=0 ℃，σ=50，75，100，200 kPa時(shí)，τmax=62.0，79.7，100.9，186.6 kPa，τmax對(duì)應(yīng)的εs分別為9.0%，8.6%，9.4%和11.6%.圖1b中，θc=50 ℃時(shí)各數(shù)據(jù)與圖1a具有相同的變化規(guī)律，但是在同一豎向應(yīng)力下，τmax要高于0 ℃的結(jié)果.這是因?yàn)棣萩的升高，RAP中瀝青逐漸軟化，導(dǎo)致在相同σ作用下，高溫時(shí)RAP孔隙率更低，更加密實(shí)，文獻(xiàn)[13]也有類(lèi)似報(bào)道.

圖1 不同法向應(yīng)力下的τ-εs關(guān)系曲線(xiàn)

圖2給出了不同擊實(shí)溫度θc下RAP的抗剪強(qiáng)度τf隨豎向應(yīng)力(σ)的變化曲線(xiàn)，其中20 ℃的數(shù)據(jù)為前期試驗(yàn)[14]數(shù)據(jù).可以看出，不同擊實(shí)溫度下的關(guān)系曲線(xiàn)均為一條直線(xiàn)，且擊實(shí)溫度高的直線(xiàn)位于溫度低的上方.

圖2 不同擊實(shí)溫度下RAP的τf-σ關(guān)系曲線(xiàn)

圖2中擬合出了3條直線(xiàn)的線(xiàn)性關(guān)系式，可以確定相應(yīng)擊實(shí)溫度下RAP的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.由表2可以看出，θc越高，c和φ越大.

表2 不同擊實(shí)溫度下RAP的黏聚力和內(nèi)摩擦角

2.2 直剪蠕變?cè)囼?yàn)

圖3 σ=50 kPa,θc=0, 50 ℃時(shí)，不同剪應(yīng)力比下RAP的εs-t關(guān)系曲線(xiàn)

圖4 σ=50 kPa，θc=0, 50 ℃時(shí)，不同剪應(yīng)力比下RAP的關(guān)系曲線(xiàn)

圖5 兩種擊實(shí)溫度下的關(guān)系曲線(xiàn)

圖6 臨界剪應(yīng)力比-擊實(shí)溫度的關(guān)系曲線(xiàn)

(1)

式中：θ1為參考溫度，取θ1=1 ℃，以實(shí)現(xiàn)量綱一化.

2.3 蠕變模型

(2)

基于前期在室溫條件下?lián)魧?shí)試驗(yàn)制備RAP的直剪蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果，建立了相應(yīng)的3個(gè)參數(shù)蠕變模型方程[14]：

(3)

結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果，得到了不同擊實(shí)溫度下蠕變模型的3個(gè)參數(shù)值，如表3所示.

表3 RAP材料的蠕變模型參數(shù)取值

通過(guò)圖7中3個(gè)參數(shù)的線(xiàn)性變化關(guān)系，可以擬合得到

圖7 蠕變模型3個(gè)參數(shù)隨擊實(shí)溫度變化的關(guān)系曲線(xiàn)

(4)

A=-0.002θc+0.14.

(5)

將公式(4)，(5)代入公式(2)，可以計(jì)算得到考慮擊實(shí)溫度影響的RAP材料修正3個(gè)參數(shù)蠕變模型：

(6)

2.4 模型有效性驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證模型的有效性，圖8給出了豎向應(yīng)力為75 kPa，兩種擊實(shí)溫度下試驗(yàn)實(shí)測(cè)與蠕變模型(公式6)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比.由圖8可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，表明筆者提出的蠕變模型可以較好地反映不同擊實(shí)溫度下的蠕變特性.

圖8 不同應(yīng)力水平下試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值對(duì)比

3 結(jié) 論

1)相同擊實(shí)溫度下，豎向應(yīng)力越高，RAP的抗剪強(qiáng)度越大，峰值剪應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變?cè)酱?抗剪強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力、內(nèi)摩擦角)隨擊實(shí)溫度的升高而增加.

2)相同剪應(yīng)力比下，擊實(shí)溫度越高，RAP蠕變破壞時(shí)間越長(zhǎng)；相同擊實(shí)溫度下，豎向應(yīng)力越大，蠕變破壞時(shí)間越長(zhǎng).

3)臨界剪應(yīng)力比隨擊實(shí)溫度的升高呈線(xiàn)性增加趨勢(shì).工程應(yīng)用中，建議在夏季施工，以提高擊實(shí)溫度，從而增加臨界應(yīng)力比，提高抗蠕變性能.