基于正交試驗(yàn)-貝雷法的冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化及性能評(píng)價(jià)

陳 兵， 王選倉*， 郝 林， 吳建靈， 史曉娟， 劉延輝

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院， 西安 710064； 2.興泰建設(shè)集團(tuán)有限公司， 鄂爾多斯 017000； 3. 內(nèi)蒙古公路交通投資發(fā)展有限公司， 呼和浩特 010050)

再生混合料配合比對(duì)其路用性能影響較大，級(jí)配良好的混合料路用性能較優(yōu)，而級(jí)配較差的混合料由于無法形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，路面較易發(fā)生低溫開裂、高溫車轍及水損害等早期病害[1]。中國冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)方法參考熱再生得到，至今沒有普遍適用的設(shè)計(jì)方法，且由于冷再生混合料中回收瀝青路面材料(reclaimed asphalt pavement，RAP)摻量大，級(jí)配變異性明顯，采用常規(guī)配合比設(shè)計(jì)得到的混合料級(jí)配并非真實(shí)級(jí)配，容易發(fā)生早期病害，因此有必要對(duì)冷再生混合料的配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化、路用性能及評(píng)價(jià)指標(biāo)開展研究。

中外學(xué)者對(duì)再生混合料配合比及路用性能進(jìn)行了相關(guān)研究。Godenzoni等[2]通過級(jí)配與瀝青含量分析了再生混合料疲勞性能，結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)冷再生混合料的疲勞特性隨舊集料摻量增加而增大、冷再生瀝青含量增加而減??；李明欣等[3]研究了不同標(biāo)號(hào)瀝青對(duì)高RAP摻量冷再生混合料強(qiáng)度及疲勞特性的影響，結(jié)果表明選用合適標(biāo)號(hào)的新加瀝青可有效改善再生瀝青混合料的疲勞性能；彭波等[4]為對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化，研究了不同級(jí)配冷再生混合料的早期強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定了采用靜壓試件在25 ℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生27 h后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)乳化瀝青冷再生混合料早期強(qiáng)度的指標(biāo)，并基于早期抗壓強(qiáng)度對(duì)配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了優(yōu)化；武文斌等[5]基于Superpave法對(duì)冷再生混合料進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)，研究冷再生混合料不同成型方式的機(jī)理和相關(guān)性評(píng)估；韋慧等[6]為研究旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法在乳化瀝青冷再生混合料中的應(yīng)用，通過改變旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)、乳化瀝青用量、成型試件溫度等因素分析對(duì)力學(xué)性能及水穩(wěn)定性能的影響。何東坡等[7]針對(duì)再生技術(shù)規(guī)范中提出的二次擊實(shí)試件成型方法對(duì)于水泥乳化瀝青冷再生混合料的不適用性，給出修正后合理的試件二次擊實(shí)時(shí)間、擊實(shí)次數(shù)和混合料的空隙率。

目前，再生料配合比設(shè)計(jì)大多采用修正馬歇爾設(shè)計(jì)方法，但其未考慮舊料整體變異性大的特點(diǎn)導(dǎo)致路用性能存在差異?，F(xiàn)有配合比優(yōu)化研究主要是從性能、成型方式等方面考慮，較少考慮混合料級(jí)配差異性，且對(duì)于冷再生混合料路用性能評(píng)價(jià)主要參照規(guī)范要求的瀝青混合料評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法存在一定不足[8-9]。為此，現(xiàn)從銑刨料抽提前后級(jí)配差異性角度出發(fā)，對(duì)比修正馬歇爾設(shè)計(jì)法，提出正交試驗(yàn)-貝雷法的冷再生料配合比優(yōu)化方法，并對(duì)路用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 原材料

1.1 銑刨料級(jí)配及瀝青含量

將銑刨后的RAP料分為0～5、5～10、10～20 mm， 篩分結(jié)果如表1所示。通過瀝青抽提試驗(yàn)確定舊料瀝青含量為4.6%。

表1 RAP級(jí)配Table 1 RAP grading

1.2 新集料

為了保證道路的力學(xué)性質(zhì)及結(jié)構(gòu)性能，加入10～20 mm碎石改善級(jí)配，篩分結(jié)果如表2所示。

表2 新集料篩分結(jié)果Table 2 New aggregate screening results

1.3 乳化瀝青、水泥及礦粉

選用山東派尼提供的乳化瀝青，檢測(cè)結(jié)果表明乳化瀝青各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，且1.18 mm篩上剩余量較小，乳化瀝青攪拌均勻性好，利于施工儲(chǔ)存。

為保證混合料水穩(wěn)定性，采用標(biāo)號(hào)為32.5的普通硅酸鹽水泥，水泥及礦粉各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求。

2 基于修正馬歇爾法配合比設(shè)計(jì)

冷再生混合料參考《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)采用粗粒式級(jí)配，擬定冷再生混合料摻配比例為0～5 mm舊銑刨料∶5～10 mm舊銑刨料∶10～20 mm舊銑刨料∶10～20 mm新集料∶礦粉= 35∶16∶32∶14∶3。

乳化瀝青用量為4%，水泥外摻1.5%，外加水量為2.0%、2.5%、3.0%、3.5%和4.0%，成型試件，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)50次后，測(cè)得劈裂強(qiáng)度結(jié)果如圖1所示，劈裂強(qiáng)度隨含水量增大呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，外加水量為3.5%時(shí)，劈裂強(qiáng)度最大值為0.54 MPa。

圖1 含水量與劈裂強(qiáng)度關(guān)系Fig.1 Relationship between water content and splitting strength

乳化瀝青用量分別取2.5%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)50次成型試件，測(cè)定干濕劈裂強(qiáng)度比如圖2所示。其干、濕劈強(qiáng)度隨瀝青用量增加呈先增大后減小的趨勢(shì)；乳化瀝青用量在4.0%時(shí)達(dá)到最大劈裂強(qiáng)度0.57 MPa，比2.5%瀝青用量時(shí)增大了11.7%，說明乳化瀝青用量4.0%時(shí)，乳化瀝青膜可以較好地裹覆集料，水穩(wěn)定性相對(duì)較好；而當(dāng)乳化瀝青用量從4.0%增加到4.5%時(shí)，劈裂強(qiáng)度降低，這是由于乳化瀝青裹覆集料后，剩余乳化瀝青為自由瀝青，壓實(shí)過程中隨水析出，導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

圖2 不同乳化瀝青用量試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results of different emulsified asphalt dosages

通過上述試驗(yàn)，基于修正馬歇爾法確定乳化瀝青冷再生配合比結(jié)果如表3所示。

表3 基于修正馬歇爾法確定的乳化瀝青冷再生混合料配合比Table 3 Emulsified asphalt cold recycled mixture ratio

3 基于正交試驗(yàn)-貝雷法的冷再生混合料配合比優(yōu)化

通過修正馬歇爾法得到混合料最大劈裂強(qiáng)度為0.57 MPa，僅比規(guī)范提高了14%，且切割試件發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部細(xì)集料偏多，粗集料懸浮在細(xì)集料中，這是由于銑刨料中存在瀝青膠結(jié)，破碎后的團(tuán)塊并非集料實(shí)際尺寸，設(shè)計(jì)級(jí)配雖然是S型，但實(shí)際級(jí)配整體偏細(xì)，無法形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，力學(xué)性能較差。

舊料摻量越大時(shí)抽提前后舊料整體變異性越明顯，按照常規(guī)方法設(shè)計(jì)混合料的力學(xué)性能較差，因此需要考慮集料實(shí)際尺寸，提出配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

3.1 銑刨料變異性分析

采用三氯乙烯浸泡后抽提三檔集料進(jìn)行篩分，將三檔集料級(jí)配與未篩分三檔集料級(jí)配進(jìn)行對(duì)比如圖3所示。

圖3 抽提前后三檔集料通過率對(duì)比Fig.3 Comparison of the third gear aggregate passing rate after pumping ahead

由圖3可知，10～20 mm銑刨料抽提前后差異較大，抽提后級(jí)配明顯變細(xì)，4.75和9.5篩孔通過率增加最多，分別增加了21.3%和32.8%；其次為2.36和13.2篩孔通過率，增加了16.6%和13.3%；1.18和0.3篩孔通過率分別增加了9.2%和5.3%。

5～10 mm銑刨料抽提前后通過率變化最大的是4.75和2.36篩孔，均增加了8%以上；其次為1.18篩孔，通過率增加了5.5%，0.3和0.15篩孔通過率分別減小了1.58%和0.99%。

0～5 mm銑刨料抽提前后通過率變化最大的是0.6和0.3篩孔，分別增加了16.2和9.1%；4.75 篩孔通過率減小了6.8%。

10～20、5～10 mm銑刨料抽提后4.75篩孔通過率均增大較多，抽提后影響較大的是4.75篩孔通過率，這是由于老化瀝青膠結(jié)集料，導(dǎo)致抽提前設(shè)計(jì)級(jí)配整體偏細(xì)，4.75篩孔通過率“失真”。因此需要對(duì)冷再生瀝青混合料級(jí)配進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 基于貝雷法的配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化

貝雷法是通過主控篩孔Pcs將粗細(xì)集料定義為動(dòng)態(tài)的，即通過公稱最大粒徑(NMPS)確定主控篩孔，通過主控篩孔劃分粗細(xì)集料。貝雷法3個(gè)參數(shù)CA、Fac、Faf的計(jì)算公式[10-11]為

(1)

(2)

(3)

式中:Pcs為根據(jù)最大公稱粒徑尺寸的0.25倍確定的粗細(xì)集料分界點(diǎn)，即主控篩孔；PD/2為粒徑D/2的通過率，%，其中，D為公稱最大粒徑;PPCS為基本控制篩孔的通過率，%;PSCS為第2控制篩孔的通過率，%;PTCS為第3控制篩孔的通過率，%；CA為粗集料粒徑的均衡關(guān)系;Fac為細(xì)集料中粗料與細(xì)料的嵌擠填充情況;Faf為合成集料中最細(xì)一級(jí)的嵌擠情況。適用于骨架密實(shí)型的貝雷法設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

表4 控制篩孔及相關(guān)參數(shù)

抽提后三檔集料變化最大的是4.75篩孔，公稱最大粒徑為19 mm，以4.75 mm為關(guān)鍵篩孔，在抽提后計(jì)算CA=0.69，F(xiàn)af=0.45，F(xiàn)ac=0.36，設(shè)計(jì)參數(shù)均在貝雷法提出的密級(jí)配推薦參數(shù)及推薦范圍內(nèi)，級(jí)配優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。

圖4 合成級(jí)配設(shè)計(jì)優(yōu)化Fig.4 Synthetic gradation design optimization

3.3 基于正交試驗(yàn)的最佳含水量及乳化瀝青用量的確定

由于乳化瀝青混合料中的水包括外加水、乳化瀝青含有的水，當(dāng)乳化瀝青用量改變時(shí)，外加水量也會(huì)隨之改變，并不能保證確定的乳化瀝青用量及含水量下性能最佳，因此采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法確定的最佳瀝青用量及含水量存在缺陷。設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)確定最佳含水量與乳化瀝青用量。假設(shè)乳化瀝青用量為3.0%～5.0%、水用量為2.0%～3.5%，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件并測(cè)定其劈裂強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 正交試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Orthogonal test results

外加水量固定，乳化瀝青含量從3.0%變化至4.5%時(shí)劈裂強(qiáng)度總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，而乳化瀝青含量從4.5%變化至5.0%時(shí)劈裂強(qiáng)度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；乳化瀝青用量固定時(shí)，劈裂強(qiáng)度隨外加水量的增加呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)；當(dāng)外加水量為2.0%、乳化瀝青用量為3.0%時(shí)，劈裂強(qiáng)度最小為0.49 MPa；當(dāng)乳化瀝青用量為4.5%、外加水量為3.0%時(shí)，劈裂強(qiáng)度達(dá)到最大值。最終確定乳化瀝青用量為4.5%，外加水量為3.0%。

3.4 配合比優(yōu)化驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述最佳用量的正確性，成型外加水量為3.0%，乳化瀝青用量分別為3.0%、3.5%、4.0%、4.5%，5.0%的試件，測(cè)定其干濕劈裂強(qiáng)度比，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，乳化瀝青用量在4.5%時(shí)干、濕劈裂強(qiáng)度達(dá)到最大分別為0.74、0.73 MPa，相比3.0%用量時(shí)分別增大了21.3%、25.9%，表明乳化瀝青用量在4.5%時(shí)，乳化瀝青可以較好地裹覆集料，水穩(wěn)定性相對(duì)較好；配合比優(yōu)化后，最大干、濕劈裂強(qiáng)度分別提高34.5%、 30.3%，說明其整體力學(xué)指標(biāo)有所提高。優(yōu)化后配合比如表5所示。

表5 優(yōu)化后乳化瀝青冷再生混合料配合比Table 5 Optimized mixing ratio of emulsified asphalt cold recycled mixture

圖6 不同乳化瀝青用量試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test results of different emulsified asphalt dosage

采用正交試驗(yàn)-貝雷法作為乳化瀝青冷再生混合料級(jí)配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以得到合理級(jí)配，設(shè)計(jì)步驟：①水泥、乳化瀝青、新舊集料性能檢測(cè)；②銑刨料分檔，對(duì)抽提前后各檔集料進(jìn)行篩分，確定級(jí)配差異性及關(guān)鍵篩孔；③確定公稱最大粒徑及關(guān)鍵篩孔，結(jié)合貝雷法設(shè)計(jì)篩孔通過率，計(jì)算關(guān)鍵篩孔參數(shù)CA、Faf、Fac；④采用正交試驗(yàn)法確定最佳含水量及乳化瀝青用量；⑤進(jìn)行最佳外加水量下的不同摻量乳化瀝青干濕劈裂強(qiáng)度驗(yàn)證配合比。

4 再生混合料路用性能評(píng)價(jià)

4.1 溫度場(chǎng)分析

再生層受溫度變化影響較大，因此分析冷再生混合料低溫、高溫等路用性能前，需要確定其工作溫度。采用有限元建立路面溫度場(chǎng)分析冷再生層的工作溫度。

4.1.1 試驗(yàn)路段氣候條件

為建立試驗(yàn)路段溫度場(chǎng)，調(diào)查試驗(yàn)路段1月、7月代表日小時(shí)溫度如表6所示。

表6 1月及7月日溫度變化

4.1.2 再生路面溫度場(chǎng)模擬

試驗(yàn)路路面結(jié)構(gòu)為雙層瀝青面層+再生層+水穩(wěn)底基層，材料參數(shù)及環(huán)境參數(shù)如表7所示。

表7 熱參數(shù)及環(huán)境參數(shù)Table 7 Thermal and environmental parameters

采用FILM及DFLUX子程序設(shè)立太陽輻射及熱交換條件，建立DC2D8有限元模型[12]。根據(jù)1月、7月典型日溫度變化作為溫度計(jì)算參數(shù)，計(jì)算再生路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)如圖7所示。

圖7 路面溫度場(chǎng)模型Fig.7 Pavement temperature field model

4.1.3 再生路面溫度場(chǎng)分析

再生路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)日變化曲線如圖8所示。

圖8 再生路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)Fig.8 Temperature field of recycled pavement structure

由圖8可知，冬季再生結(jié)構(gòu)面層溫度與環(huán)境溫度相差較小，僅為2.9 ℃，而再生層頂面與環(huán)境溫度相差較大，溫度滯后現(xiàn)象明顯，最高溫度發(fā)生在16:00前后，為-3.45 ℃，極限最低氣溫發(fā)生在6:00，為-14.3 ℃；夏季再生結(jié)構(gòu)面層溫度與環(huán)境溫度最大溫差為21.4 ℃，極限最高溫51.5 ℃出現(xiàn)在13:00～14:00時(shí)，而再生層頂面與環(huán)境溫度相差不大，但溫度滯后現(xiàn)象明顯，最高溫出現(xiàn)在16:00前后，為31.2 ℃。

根據(jù)氣候調(diào)查及溫度場(chǎng)分析，參考中國再生下面層及基層設(shè)計(jì)溫度，擬定試驗(yàn)路再生層工作溫度范圍為-20～40 ℃。

4.2 水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

通過凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)得兩種級(jí)配下混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比，分析不同水泥及乳化瀝青用量的再生混合料水穩(wěn)定性。其中水泥摻量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，乳化瀝青用量為4.0%、4.5%。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Freeze-thaw split test results

由圖9知，混合料凍融劈裂強(qiáng)度比隨水泥用量增加呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，但增長幅度略有降低，表明水泥水化后混合料空隙率減小，對(duì)混合料水穩(wěn)定性有利；乳化瀝青用量為4%時(shí)，級(jí)配二水穩(wěn)定性較級(jí)配一相當(dāng)；當(dāng)乳化瀝青用量提高到4.5%，級(jí)配二凍融劈裂強(qiáng)度比較級(jí)配一高7%以上。級(jí)配一乳化瀝青用量從4%增加到4.5%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比有小幅降低；級(jí)配二乳化瀝青用量從4%增加到4.5%時(shí)，凍融劈裂強(qiáng)度比增加4%～10%。因此級(jí)配優(yōu)化后混合料整體水穩(wěn)定性較優(yōu)化前有所提升。

4.3 低溫性能評(píng)價(jià)

4.3.1 低溫評(píng)價(jià)指標(biāo)及試驗(yàn)方法

考慮到試驗(yàn)設(shè)備及條件的便捷性，參考J-積分試驗(yàn)(J-積分是彈塑性斷裂力學(xué)中一個(gè)與路徑無關(guān)的積分，可用于模擬試件內(nèi)部存在裂縫時(shí)潛在的微裂縫擴(kuò)展情況)，采用半圓劈裂試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)分析不同水泥用量及不同級(jí)配下乳化瀝青冷再生混合料的低溫性能[13-16]。

(1)半圓劈裂試驗(yàn)。采用水泥摻量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的級(jí)配一與級(jí)配二冷再生混合料成型馬歇爾試件，對(duì)稱切割半圓柱型試件，在中點(diǎn)垂直于直徑切寬度1.5 mm的切縫。切割好的試件水沖干凈后放入(-10±0.5) ℃水浴箱中3 h，采用萬能試驗(yàn)機(jī)以1 mm/min速率進(jìn)行加載直到試件破壞，支座間距為80 mm，當(dāng)荷載應(yīng)力小于0.1 kN時(shí)試驗(yàn)終止，分別進(jìn)行5組平行試驗(yàn)。

斷裂能G計(jì)算公式為

(4)

(2)低溫彎曲試驗(yàn)。結(jié)合半圓劈裂試驗(yàn)確定的斷裂能，從能量角度引入應(yīng)變能密度作為綜合評(píng)價(jià)再生混合料低溫性能指標(biāo)。

設(shè)混合料的破壞模式與單位體積儲(chǔ)存的能量有關(guān)，則混合料應(yīng)變能密度表示為

(5)

式(5)中：Wf為應(yīng)變能密度；σij、εij分別為應(yīng)力、應(yīng)變分量；ε0為應(yīng)變臨界值。

采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，將250 mm×30 mm×35 mm梁試樣置于環(huán)境箱中，在-10 ℃保溫1 h，在跨徑中心施加1 kN的荷載，以50 mm/min的加載速率加載直至試件破壞，測(cè)試并計(jì)算抗彎拉強(qiáng)度、破壞應(yīng)變及破壞勁度模量。取水泥摻量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的級(jí)配一與級(jí)配二混合料分別進(jìn)行5組平行試驗(yàn)。

4.3.2 低溫試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)斷裂能作為低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。半圓劈裂試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，混合料破壞荷載及斷裂能均隨水泥含量的增加呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì)，在水泥用量為1.5%時(shí)達(dá)到最大值，水泥用量增加到2.0%時(shí)，級(jí)配一和級(jí)配二的斷裂能分別降低了4.1%和17.5%，這是由于隨水泥用量逐漸增大，水泥脆性逐漸體現(xiàn)，導(dǎo)致低溫抗裂性降低；盡管級(jí)配一的集料整體偏細(xì)，但由于其強(qiáng)度整體較低而導(dǎo)致級(jí)配一低溫性能總體比級(jí)配二差。

圖10 半圓劈裂試驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Semicircle split test results

(2)應(yīng)變能密度作為低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，混合料抗彎拉強(qiáng)度隨水泥用量的增加先增大后減小，水泥摻量為1.5%時(shí)抗彎拉強(qiáng)度最大。級(jí)配二強(qiáng)度高于級(jí)配一5%～11%，這是由于級(jí)配二集料形成了良好的嵌擠作用。采用抗彎拉強(qiáng)度作為低溫評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，級(jí)配二水泥摻量為2.0%時(shí)低溫性能最優(yōu)。

圖11 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Low temperature bending test results

混合料破壞應(yīng)變隨水泥用量的增加逐漸降低，這是由于水泥用量增加，混合料由柔性逐漸向半剛性轉(zhuǎn)變，因此其強(qiáng)度逐漸增加，應(yīng)變逐漸降低。級(jí)配一破壞應(yīng)變比級(jí)配二高5%左右，因?yàn)榧?jí)配一集料級(jí)配相比級(jí)配二細(xì)。采用破壞應(yīng)變作為低溫評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，水泥摻量為1.0%的級(jí)配一性能最優(yōu)。采用抗彎拉強(qiáng)度及破壞應(yīng)變的評(píng)價(jià)結(jié)果不一致，說明僅使用強(qiáng)度或應(yīng)變作為混合料低溫性能評(píng)價(jià)存在局限性，因此建議低溫彎曲試驗(yàn)采用應(yīng)變能密度評(píng)價(jià)其低溫性能。

從應(yīng)變能密度角度考慮，冷再生混合料的低溫性能與斷裂能評(píng)價(jià)結(jié)果一致，水泥用量為1.5%時(shí)其低溫抗裂性好，級(jí)配二低溫性能優(yōu)于級(jí)配一，這是因?yàn)榛旌狭习l(fā)生低溫彎拉破壞時(shí)，彎拉應(yīng)力由集料傳遞，裂縫在混合料內(nèi)擴(kuò)展的過程中，細(xì)集料會(huì)阻礙裂縫的發(fā)展，起到一定的控制作用，其所需能量大，但細(xì)集料過多，收縮不均，會(huì)導(dǎo)致其低溫抗裂性下降。

4.3.3 低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

(1)與彎拉應(yīng)變的相關(guān)性分析。取低溫彎拉應(yīng)變作為參考序列，應(yīng)變能密度及斷裂能作為比較序列，分析各指標(biāo)的相關(guān)性。步驟為：①參考序列彎拉應(yīng)變記為Y0={Y0(1)，Y0(2)，…，Y0(8)}，比較序列應(yīng)變能密度記為Y1={Y1(1)，Y1(2)，…，Y1(8)}，斷裂能記為Y2={Y2(1)，Y2(2)，…，Y2(8)}；②由于相關(guān)指標(biāo)的量綱并不相同，按照平均值法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行無量綱處理。

(6)

參考序列與比較序列間的關(guān)聯(lián)度系數(shù)可通過式(7)、式(8)計(jì)算，結(jié)果如表8所示。

表8 關(guān)聯(lián)系數(shù)結(jié)果

γi(m)=

(7)

Δi(m)=|Y′0(m)-Y′i(m)|

(8)

參考序列與比較序列的灰色關(guān)聯(lián)度通過式(9)計(jì)算，結(jié)果如表9所示。

表9 灰色關(guān)聯(lián)度結(jié)果Table 9 Gray correlation results

(9)

式(9)中：n為指標(biāo)中元素總個(gè)數(shù)；γi′為灰色關(guān)聯(lián)度。

通過相關(guān)性分析可得，冷再生混合料低溫性能中應(yīng)變能密度與規(guī)范中提出的瀝青混合料彎曲應(yīng)變相關(guān)性最大，達(dá)到0.6以上，斷裂能與彎拉應(yīng)變的相關(guān)性小于應(yīng)變能密度。

(2)對(duì)變量的敏感性分析。斷裂能與應(yīng)變能密度的低溫評(píng)價(jià)結(jié)果一致，但其對(duì)不同變量敏感性是不同的。所以需分析應(yīng)變能密度及斷裂能對(duì)不同變量的敏感性。

根據(jù)可導(dǎo)的定義，如fi(y)可導(dǎo)，則fi(y)一階靈敏度為

(10)

(11)

水泥摻量是變化因素yi，試驗(yàn)確定的各指標(biāo)結(jié)果為fi。水泥摻量的變化幅度均為0.5%，故假定yj+1-yj為不影響其結(jié)果的對(duì)比常數(shù)，所以通過對(duì)比fi的變化幅度，就可得到不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的敏感性，為消除其量綱，敏感性程度按照式(12)計(jì)算。

(12)

按照式(12)計(jì)算靈敏度結(jié)果如表10所示。由表10可知，應(yīng)變能密度較斷裂能及彎拉應(yīng)變對(duì)不同級(jí)配、水泥摻量靈敏度高，即應(yīng)變能密度可以更好地區(qū)分不同水泥摻量、不同級(jí)配的冷再生混合料低溫性能，結(jié)合相關(guān)性分析，選擇應(yīng)變能密度作為低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)更為合理。

表10 靈敏度結(jié)果

4.4 再生混合料高溫性能評(píng)價(jià)

采用車轍試驗(yàn)確定水泥摻量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的級(jí)配一、級(jí)配二混合料動(dòng)穩(wěn)定度來評(píng)價(jià)其高溫穩(wěn)定性。

成型30 cm×30 cm×5 cm的車轍板，在60 ℃烘箱養(yǎng)生不少于48 h，接地壓強(qiáng)取0.7 MPa，采用全自動(dòng)車轍試驗(yàn)儀，車轍試驗(yàn)溫度分別取40 ℃和60 ℃，車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 40、60 ℃車轍試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Rutting test results at 40, 60 ℃

由圖12知，動(dòng)穩(wěn)定度均在4 000次/mm以上，車轍試驗(yàn)后車轍深度相對(duì)較小，40 ℃動(dòng)穩(wěn)定度相比60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度高30%以上。動(dòng)穩(wěn)定度隨水泥用量的增大逐漸增加，但動(dòng)穩(wěn)定度增幅逐漸減小，說明隨著水泥摻量的增加，混合料高溫敏感性逐漸下降。級(jí)配二動(dòng)穩(wěn)定度較級(jí)配一高20%～30%，級(jí)配二混合料高溫穩(wěn)定性優(yōu)于級(jí)配一。

再生混合料高溫性能較普通瀝青混合料高，且再生層位于下面層或基層，其工作溫度區(qū)間最高為40 ℃，因此推薦采用40 ℃的動(dòng)穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

4.5 路用性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

通過路用性能指標(biāo)的研究，推薦路用性能評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)如表11所示。

表11 冷再生混合料路用性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

5 結(jié)論

(1)針對(duì)銑刨料瀝青膠結(jié)、集料抽提前后舊料整體變異性大及級(jí)配存在差異性的問題，提出正交試驗(yàn)-貝雷法的配合比優(yōu)化方法，對(duì)比修正馬歇爾設(shè)計(jì)法，其干、濕劈裂強(qiáng)度分別提高了34.5%及30.3%，整體力學(xué)指標(biāo)有所提高。

(2)通過溫度場(chǎng)分析，確定試驗(yàn)路再生層工作溫度范圍為-20～40 ℃。

(3)采用正交試驗(yàn)貝雷法配合比設(shè)計(jì)混合料路用性能優(yōu)于修正馬歇爾法配合比設(shè)計(jì)混合料，凍融劈裂強(qiáng)度比、斷裂能、應(yīng)變能密度、動(dòng)穩(wěn)定度分別提高7%、19.2%、8.6%、20%～30%。

(4)通過路用性能指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)的研究，提出冷再生混合料低溫性能、水穩(wěn)定性及高溫性能分別采用低溫應(yīng)變能密度、凍融劈裂強(qiáng)度比及40 ℃動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)指標(biāo)并確定了各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值。