熱再生瀝青混合料剪切性能分析

莫燦峰

摘 要：瀝青熱再生技術(shù)是老路重新再生所采用的瀝青重新拌和利用技術(shù)，對于舊路面返修加固可以節(jié)約大量的資金成本，也能夠?qū)崿F(xiàn)資源的可持續(xù)發(fā)展要求，瀝青路面的老化主要是瀝青成分在紫外線、熱能、氧化作用下使得瀝青路面結(jié)構(gòu)荷載降低產(chǎn)生破壞。目前對于瀝青混合料的老化作用機(jī)理從宏觀已經(jīng)轉(zhuǎn)向分子結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)，根據(jù)瀝青老化分析中分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，更好的分析熱拌瀝青混合料受剪切破壞的規(guī)律。本文通過綜合分析熱拌瀝青混合料剪切破壞，及熱拌瀝青混合料特點(diǎn)，為熱再生瀝青的使用提供參考性建議。

關(guān)鍵詞：剪切破壞;熱拌再生;瀝青老化

0 引言

瀝青混合料在受熱作用下使得在自然因素和交通荷載作用下產(chǎn)生疲勞破壞，主要是由于瀝青使用壽命在這種溫度和荷載雙重作用下產(chǎn)生破壞。瀝青產(chǎn)生的不可逆作用使得路面荷載降低通常是由于瀝青老化作用。隨著瀝青老化瀝青混合料的性能逐漸降低，這種老化呈現(xiàn)規(guī)律性變化。瀝青混合料的老化作用主要受存儲(chǔ)、運(yùn)輸、攤鋪?zhàn)饔玫挠绊?，在瀝青攤鋪過程中瀝青溫度較高老化作用較為明顯，在高溫狀態(tài)下瀝青老化一直在發(fā)生和發(fā)展[1]。

1 瀝青路面熱再生技術(shù)

1.1 瀝青熱再生法注意事項(xiàng)

熱再生瀝青混合料拌和施工重點(diǎn)控制好幾點(diǎn)：

（1）經(jīng)過試驗(yàn)確定再生瀝青混合料的有效加熱拌和溫度，避免溫度過高或過低，盡可能避免由于高溫加大瀝青的老化。目前最常用的加熱爐采用耐火材料的熱風(fēng)加熱爐，其作用原理是采用高溫?zé)煔饧訜釣r青混合料，避免混合料直接與火焰接觸，降低瀝青混合料再次老化問題。這種設(shè)備加熱時(shí)間長，造成能源浪費(fèi)是現(xiàn)在存在的缺點(diǎn)，導(dǎo)致施工時(shí)間延長。

（2）和新鋪瀝青一樣，需要在運(yùn)輸過程中采取保溫防粘結(jié)設(shè)備措施，盡可能減少加熱后再生瀝青料的長距離運(yùn)輸[2]。

（3）舊瀝青混合料一般加熱至130℃以上有大量的煙氣產(chǎn)生，帶走瀝青中的部分輕油分，直接排放會(huì)對大氣造成污染，直接采用布袋進(jìn)行除塵，久而久之再生瀝青設(shè)備的除塵效果就會(huì)受到影響。目前設(shè)備采用尾氣二次燃燒進(jìn)行解決二次污染問題。

1.2 瀝青熱再生優(yōu)缺點(diǎn)分析

路拌瀝青熱再生法的優(yōu)點(diǎn)：（1）現(xiàn)場路拌再生通過列車對舊路面進(jìn)行加熱后重新碾壓后數(shù)小時(shí)后就能恢復(fù)交通，這樣施工周期短對交通影響小。（2）熱再生瀝青混合料在現(xiàn)場再生使用有效降低施工成本。（3）機(jī)械設(shè)備施工完就可以轉(zhuǎn)換場地，設(shè)備轉(zhuǎn)場快。

路拌瀝青熱再生法的缺點(diǎn)：（1）路拌現(xiàn)場再生熱拌瀝青混合料設(shè)備投資大，對設(shè)備要求較高。（2）現(xiàn)場熱再生混合料施工是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，質(zhì)量控制較為困難，要控制好熱再生瀝青混合料路面施工質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢驗(yàn)。（3）現(xiàn)場熱再生混合料需要添加新瀝青拌和以彌補(bǔ)瀝青老化產(chǎn)生粘性不足，這樣會(huì)增加瀝青混合料總量導(dǎo)致路面標(biāo)高增加。（4）目前熱拌瀝青在現(xiàn)場拌和會(huì)產(chǎn)生大量的藍(lán)色煙霧，污染環(huán)境，無法采用集中處理方式進(jìn)行處理。（5）現(xiàn)場熱再生瀝青混合料無法進(jìn)行轉(zhuǎn)場使用，高等級路面再生料只能適用于高等級路面[3]。

集中廠拌瀝青熱再生法優(yōu)點(diǎn)：（1）可以利用原有瀝青拌和料進(jìn)行改造后使用，設(shè)備投資成本低。（2）集中廠拌瀝青混合料根據(jù)瀝青含量、瀝青的老化程度、含水率等進(jìn)行摻加再生劑和選擇合適的拌和工藝，這樣拌和質(zhì)量容易控制，很好的控制熱拌再生料的生產(chǎn)質(zhì)量。（3）可以按照現(xiàn)場實(shí)際路面標(biāo)高進(jìn)行配料，標(biāo)高控制偏差較容易控制。（4）再生后的熱再生混合料需要進(jìn)行運(yùn)輸，因此可以進(jìn)行工地靈活運(yùn)輸?shù)竭m合鋪筑位置，能更好的利用熱拌再生混合料。（5）由于集中廠拌瀝青流程控制較為成熟，煙霧的產(chǎn)生污染容易得到控制，目前為了更好的保護(hù)環(huán)境優(yōu)先推薦采用廠拌法進(jìn)行拌制。

集中廠拌瀝青熱再生法缺點(diǎn)：（1）集中廠拌再生料的運(yùn)輸費(fèi)用有所增加，再生料運(yùn)輸?shù)桨韬蠄黾邪韬?，熱再生后需要運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場進(jìn)行攤鋪，因此相對于現(xiàn)場熱再生增加了運(yùn)輸費(fèi)用。（2）相比于現(xiàn)場拌和，為更好保護(hù)環(huán)境，減少設(shè)備投入，因此較為常見的還是采用集中廠拌熱再生瀝青混合料。

2 瀝青混合料老化性能分析

2.1 瀝青組分老化分析

瀝青的生產(chǎn)是通過石油進(jìn)行蒸餾工藝調(diào)和處理形成的，其組成中由多種碳?xì)浠衔镄纬傻难苌衔?，這種化合物主要由芳香烴、烷烴、環(huán)烷烴等組成，瀝青的化學(xué)組成中碳、氫占97%以上，其中還含有少量的硫、氮、氧、釩、鐵、錳、鎳等元素，我國最常采用四組分分析方法進(jìn)行分析，這對于瀝青老化作用機(jī)理的研究具有重要意義。四組分分析方法結(jié)構(gòu)組分變化圖如圖1所示。

2.2 紅外光譜分析瀝青老化分析

道路石油瀝青是紅外吸收光譜結(jié)構(gòu)分析中最常用的方法之一。通過紅外光譜圖與物質(zhì)結(jié)構(gòu)微觀分析之間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析，根據(jù)這種光譜分析來研究瀝青混合料分子結(jié)構(gòu)及有機(jī)化合物化學(xué)過程反應(yīng)的發(fā)生推測。瀝青的化學(xué)組分較為復(fù)雜，老化后會(huì)影響瀝青整體的性能，該性能通過光譜分析后得到[4]。

光譜分析基本原理是通過紅外光源照射在物質(zhì)上通過不同波長被分子吸收產(chǎn)生振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生能級躍進(jìn)，在光譜中由于波長被吸收而減弱形成紅外吸收光譜，光譜紅外根據(jù)物質(zhì)的不同譜帶強(qiáng)度及譜帶形狀進(jìn)行識(shí)別，各種物質(zhì)吸收紅外物質(zhì)的峰值、數(shù)量可以很好的反映出分子結(jié)構(gòu)、分子團(tuán)功能的物理和化學(xué)特性。物質(zhì)的特性和紅外光譜之間具有比較嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，這是基于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)對紅外輻射光譜特征建立定性的分析方法，瀝青混合料老化前后光譜試驗(yàn)結(jié)果比較如圖2所示。

3 瀝青剪切變形分析

本次對熱拌瀝青混合料進(jìn)行四組剪切疲勞試驗(yàn)破壞進(jìn)行了研究，以下分別對瀝青混合料試件最大剪切破壞、試件抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了綜合分析，分析計(jì)算數(shù)據(jù)如下表所示。

試件制作根據(jù)瀝青混合料的最佳瀝青用量進(jìn)行試件制作，確定試件在60℃時(shí)的最大剪切破壞荷載，試驗(yàn)結(jié)果如表1結(jié)果所示。

根據(jù)剪切破壞試驗(yàn)最大破壞荷載應(yīng)選用0.2～0.8倍最大荷載重復(fù)作用。試驗(yàn)通過支撐塊和壓塊之間放置到試件的合適位置，試件處于支撐塊和壓塊的凹陷處，剪切試驗(yàn)所采用半正弦矢波（振幅為施加荷載的大小）的方式控制剪切試驗(yàn)機(jī)的加載大小， 頻率本次選用10 Hz，所得出的反復(fù)剪切作用使得試件破壞所需要的作用次數(shù)就是我們所確定的試件疲勞壽命[5]。

加載時(shí)間計(jì)算確定通過式確定，本次試驗(yàn)所需的加載時(shí)間為：=0.016 s，本次選用的破壞相當(dāng)于最大65 km/h的行車速度所產(chǎn)生的疲勞損壞。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)路面的破壞疲勞壽命和加載荷載正玄波有直接關(guān)系，由于結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)加載波形受力處于一側(cè)，因此稱作半正弦矢波加載。

根據(jù)試驗(yàn)對瀝青荷載作用下產(chǎn)生的疲勞剪切破壞產(chǎn)生的剪應(yīng)力-疲勞壽命關(guān)系如圖3所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合繪制剪應(yīng)力和疲勞壽命（）曲線，為瀝青混合料的層間界面剪應(yīng)力，為混合料的疲勞壽命。

以上擬合的線形關(guān)系計(jì)算式得出剪應(yīng)力-疲勞壽命線形關(guān)系函數(shù)，可表示為：

（1）

上式中：K表示疲勞壽命和豎曲線的截距;n表示疲勞壽命的對數(shù)曲線斜率。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果曲線求得（2）（3）式：

? （2）

（3）

當(dāng)取值等于1時(shí)，單次荷載的作用對瀝青混合料層間產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度值。

瀝青受到剪力作用層間抗剪強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)如下式（4）：

（4）

4 結(jié)語

本文通過對熱再生瀝青混合料進(jìn)行性能和老化原因分析，從而更好掌握瀝青產(chǎn)生老化的作用機(jī)理，常用的瀝青熱再生技術(shù)采用現(xiàn)場熱再生和集中廠辦瀝青混合料再生兩種方式，并對兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了綜合分析。

通過瀝青混合料老化的分析方法對瀝青混合料進(jìn)行了綜合成分分析和光譜老化分析研究瀝青老化的基本原理，為緩解瀝青老化速度采取必要的措施。最后根據(jù)實(shí)際工程中剪切變形曲線進(jìn)行分析，反映出瀝青剪切變形和疲勞壽命之間的變化關(guān)系。

參考文獻(xiàn)：

[1]喬向軍.瀝青路面熱再生技術(shù)在公路工程中的應(yīng)用[J].交通世界，2020（25）：50-103.

[2]劉策.瀝青路面廠拌熱再生技術(shù)[J].建材與裝飾，2019（14）：200-270.

[3]王小兵.高摻量RAP在瀝青路面熱再生技術(shù)中的應(yīng)用[D].鄭州大學(xué)，2019.

[4]郭瑾.談瀝青路面熱再生技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)[J].山西建筑，2018（36）：120-130.

[5]劉莎莎.瀝青路面熱再生技術(shù)在高速公路養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用[J].交通世界，2018（22）：22-85.