就地?zé)嵩偕鸀r青混合料疲勞性能影響因素研究★

吳建華，崔宇陽，鄒曉翎

(1.江西省交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司,南昌北管理中心,江西 南昌 330200；2.重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400041)

就地?zé)嵩偕夹g(shù)工藝起步于大量再生瀝青路面與普通瀝青路面的性能變化規(guī)律研究，配套生產(chǎn)的工藝設(shè)備的完善使得歐美等國在瀝青路面就地?zé)嵩偕梅矫娴难芯咳〉蔑@著成就[1-4]。國內(nèi)的就地?zé)嵩偕夹g(shù)研究體系通過引進(jìn)國外成套設(shè)備，并以高速實(shí)體工程為依托，董平如等[5]首次對(duì)就地?zé)嵩偕膬?yōu)勢(shì)、原理、再生過程及施工工藝控制進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。順應(yīng)未來建設(shè)交通的發(fā)展需要，國際瀝青再生利用會(huì)議大力推廣瀝青混合料再生技術(shù)[6]?，F(xiàn)如今該項(xiàng)技術(shù)已積累了較多研究成果，吳金順[7]及董強(qiáng)柱[8]等通過提高瀝青路面就地?zé)嵩偕O(shè)備的使用效率以提高路面養(yǎng)護(hù)效益。崔娟等[9]提出多目標(biāo)施工方案方法以優(yōu)化再生施工方案的決策過程。

縱觀國內(nèi)針對(duì)就地?zé)嵩偕夹g(shù)的研究，多數(shù)集中于再生技術(shù)設(shè)計(jì)及施工環(huán)節(jié)，缺乏對(duì)瀝青路面再生技術(shù)效果的性能評(píng)估，因此為合理評(píng)價(jià)就地?zé)嵩偕访媛酚眯阅?，趙鑫[10]選擇高溫抗車轍、低溫抗裂性能表征路用性能的改善效果。林曉鋒[11]采用水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性分析了就地?zé)嵩偕袕?fù)拌再生和加鋪再生工藝的特點(diǎn)。韓波等[12]認(rèn)為就地?zé)嵩偕鸀r青混合料性能與瀝青老化及級(jí)配衰變具有相關(guān)性，尤其是低溫抗裂與水穩(wěn)定性影響效果顯著?？紤]長期性能追蹤方面，張清平等[13]研究了再生劑與舊料摻量對(duì)其疲勞壽命的影響，但并未深入研究疲勞壽命變化規(guī)律。因此牛文廣[14]分析了濕熱地區(qū)就地?zé)嵩偕鸀r青路面疲勞性能的敏感性與各結(jié)構(gòu)層模量和厚度、瀝青飽和度、車輛荷載的相關(guān)性，提出適合濕熱地區(qū)就地?zé)嵩偕鸀r青路面疲勞預(yù)估的模型。而陳楚鵬等[15]對(duì)實(shí)體工程工況進(jìn)行長期調(diào)研，采用抗滑和車轍等技術(shù)狀況指數(shù)用于再生技術(shù)的長期性能評(píng)價(jià)，并提出采用加鋪再生法或增設(shè)土工格柵以延長使用壽命。

綜上所述，為合理表征就地?zé)嵩偕鸀r青混合料長期路用性能及預(yù)估路面疲勞壽命，本文依托江西省昌九高速養(yǎng)護(hù)段就地?zé)嵩偕こ蹋偨Y(jié)再生混合料疲勞性能影響因素，提出溫度與荷載耦合條件下實(shí)際路段的疲勞壽命預(yù)估方程，為深入研究就地?zé)嵩偕鸀r青混合料的長期性能的追蹤提供參考[16]。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料技術(shù)性能

新用瀝青為SBSI-D類技術(shù)性質(zhì)見表1，再生劑為鞍山雙成科技SZS再生劑樣品性能參數(shù)如表2所示，舊料中瀝青技術(shù)參數(shù)見表3，輝綠巖粗細(xì)礦料指標(biāo)如表4，表5所示。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)性質(zhì)

表2 再生劑技術(shù)性能

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)儀器采用NU-14氣動(dòng)伺服瀝青混合料試驗(yàn)機(jī)，設(shè)定試驗(yàn)溫度為5 ℃,15 ℃,25 ℃，應(yīng)力比為0.3,0.35,0.4,0.45,0.5，模擬交通荷載和不同溫度條件下瀝青混合料的間接拉伸勁度模量試驗(yàn)、間接拉伸疲勞試驗(yàn)等。

表3 Rap料技術(shù)性能

表4 粗集料級(jí)配性能

表5 細(xì)集料級(jí)配性能

1.3 試驗(yàn)配合比

根據(jù)昌九高速面層材料類型，本研究設(shè)計(jì)級(jí)配類型為AC-13-C型再生瀝青混合料，合成后瀝青混合料級(jí)配如表6所示。其中，RAP摻量：新集料摻量為9∶1，再生瀝青混合料最佳瀝青用量為4.8%。

表6 合成后瀝青混合料級(jí)配

2 影響因素分析

2.1 外部因素

2.1.1 勁度

瀝青混合料的勁度模量與其疲勞壽命具有相關(guān)性，在控制應(yīng)力的加載模式下，隨著勁度模量的降低，其相應(yīng)的應(yīng)變隨之增大，使疲勞壽命降低。

2.1.2 空隙率

疲勞壽命與空隙率呈反相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)樵谳^小的空隙率的情況下，瀝青混合料的微裂縫較少，在荷載反復(fù)作用下，這些微裂縫和空隙的擴(kuò)張直至破壞的速率較為緩慢，其疲勞性能就顯著有所提高。

在15 ℃,0.45的溫度應(yīng)力比水平下比對(duì)空隙率和疲勞壽命相關(guān)性，此時(shí)空隙率變化率為4.3%～8.0%左右。在排除了誤差數(shù)據(jù)點(diǎn)后，利用該組數(shù)據(jù)(如表7所示)建立空隙率與就地?zé)嵩偕鸀r青混合料對(duì)數(shù)疲勞壽命之間的關(guān)系曲線(見圖1)。

表7 空隙率對(duì)熱再生瀝青混合料疲勞壽命的影響

通過線形擬合可以發(fā)現(xiàn)，空隙率與對(duì)數(shù)疲勞壽命呈較好的線性關(guān)系。每升高1%空隙率再生混合料疲勞壽命會(huì)降低45%左右。

2.1.3 瀝青用量

瀝青混合料最佳疲勞壽命確定的相對(duì)最佳瀝青含量一般比馬歇爾穩(wěn)定度所確定的最佳瀝青含量稍大。同時(shí)混合料中的瀝青用量越低，增加瀝青用量對(duì)延長疲勞壽命的效果越明顯。

2.1.4 集料表面性狀

集料表面性狀包括其紋理、形狀及級(jí)配等，均與空隙結(jié)構(gòu)相關(guān)，通過影響空隙大小、形狀與連貫狀況等間接影響其疲勞壽命。通常認(rèn)為表面光滑，棱角性較差的集料，壓實(shí)后空隙率較小，相應(yīng)的疲勞性能較好。

2.1.5 再生劑的影響

研究發(fā)現(xiàn)，選用的再生劑對(duì)含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%RAP的瀝青混合料抗疲勞性能有明顯改善，但改善效果并未完全達(dá)到新瀝青混合料的疲勞效果，且摻加再生劑的混合料較不摻再生劑的混合料的應(yīng)力敏感性更強(qiáng)。

2.2 內(nèi)部因素

相關(guān)研究[16]表明，材料的疲勞性能與荷載波形有一定的關(guān)系，加載頻率是反映行車速度的一項(xiàng)指標(biāo)，不同的加載波形對(duì)瀝青混合料疲勞壽命性能影響不同。荷載的間歇時(shí)間在一定范圍內(nèi)與疲勞壽命呈反比關(guān)系，當(dāng)超過一定的間歇時(shí)間后，間歇時(shí)間的有利作用就穩(wěn)定下來。

2.2.1 溫度

不同溫度下的再生瀝青混合料疲勞壽命如圖2所示。

由圖2可以明顯看出，對(duì)于相同的應(yīng)力比作用下時(shí)，疲勞壽命隨溫度的降低而增長。這是由于溫度在一定限度內(nèi)下降時(shí)，瀝青混合料的勁度增大，試件在承受一定應(yīng)力的條件下所產(chǎn)生的應(yīng)變就小，因而在控制應(yīng)力加載模式的試驗(yàn)中導(dǎo)致有較長的壽命。

從圖像斜率來分析，試件在較低試驗(yàn)溫度時(shí)對(duì)應(yīng)力比水平的敏感程度比較高試驗(yàn)溫度時(shí)敏感程度更高。造成這種現(xiàn)象的原因是對(duì)于相同的應(yīng)力比水平，較低試驗(yàn)溫度增長幅度較大，而較高試驗(yàn)溫度增長幅度較小。

2.2.2 應(yīng)力比

為了比較高、低應(yīng)力比條件下的疲勞特性，選擇應(yīng)力比水平為0.3～0.5，平行對(duì)照試件4組分別進(jìn)行了不同溫度(5 ℃,15 ℃,25 ℃)下的間接拉伸疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 不同溫度下疲勞試驗(yàn)結(jié)果

顯然可以看出，隨著應(yīng)力比水平從0.3逐漸升高至0.5時(shí)，瀝青混合料的疲勞壽命逐漸降低。對(duì)于較低應(yīng)力比的試件，其內(nèi)部空隙受壓密實(shí)過程和疲勞變形過程持續(xù)時(shí)間較長，而一旦其豎向位移增大到一定極限后,試件在較短的時(shí)間發(fā)生疲勞破壞。而對(duì)于較高應(yīng)力的試件其受壓密實(shí)過程和疲勞變形過程持續(xù)時(shí)間短，變形增長較為迅速。

應(yīng)力控制模式下，疲勞壽命方程通常以式(1)表示：

(1)

其中，Nf為疲勞壽命；K，n均為瀝青混合料性質(zhì)的常數(shù)；σ為對(duì)試件每次施加的常量應(yīng)力最大幅值，MPa。

研究表明，對(duì)于應(yīng)力控制模式下的疲勞性能預(yù)測(cè)模型可以轉(zhuǎn)化為應(yīng)力比與疲勞壽命在雙、單對(duì)數(shù)曲線上的線性方程，如式(2)，式(3)所示：

lgNf=a-b×S

(2)

lgNf=c-d×lgS

(3)

其中，S為應(yīng)力比；a,b,c,d均為回歸系數(shù)。

以單對(duì)數(shù)曲線方程對(duì)不同溫度下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，如圖3～圖5所示。

由上述曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同溫度下的單對(duì)數(shù)疲勞壽命方程表現(xiàn)出良好的線性特性。

3 疲勞壽命預(yù)估方程

3.1 室內(nèi)外溫度-疲勞壽命方程比對(duì)分析

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立起室內(nèi)溫度-疲勞壽命方程(如表9所示)與室外溫度-疲勞壽命方程(如式(4)所示)對(duì)比分析。

lgNf=-0.052 5t+8.070 2R2=0.999 9

(4)

通過比對(duì)室內(nèi)外的溫度-疲勞壽命方程可知，室內(nèi)建立的疲勞方程的一次項(xiàng)系數(shù)約為室外疲勞方程一次項(xiàng)系數(shù)的8倍，說明室內(nèi)試件較室外路面對(duì)溫度的敏感性更為顯著；而對(duì)于常數(shù)項(xiàng)而言，室外疲勞方程的常數(shù)項(xiàng)系數(shù)約為室內(nèi)疲勞方程的2倍，說明在溫度的影響下，室外路面結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能明顯優(yōu)于室內(nèi)試件的疲勞性能。

表9 不同應(yīng)力比下溫度-疲勞壽命方程

3.2 室內(nèi)外應(yīng)力比-疲勞壽命方程比對(duì)分析

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立起室內(nèi)應(yīng)力比-疲勞壽命方程如式(5)與室外應(yīng)力比-疲勞壽命方程如式(6)所示對(duì)比分析。

lgNf=-8.201S+6.312 2

(5)

lgNf=-4.382 6S+7.148 5R2=0.994 6

(6)

通過比對(duì)室內(nèi)外的應(yīng)力比疲勞壽命方程可知，室內(nèi)建立的疲勞方程的一次項(xiàng)系數(shù)約為室外疲勞方程一次項(xiàng)系數(shù)的1.87倍，說明室內(nèi)試件較室外路面對(duì)應(yīng)力比的敏感性更為顯著；而對(duì)于常數(shù)項(xiàng)而言，室外疲勞方程的常數(shù)項(xiàng)系數(shù)約為室內(nèi)疲勞方程的1.13倍，說明在應(yīng)力比的影響下，室外路面結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能略優(yōu)于室內(nèi)試件的抗疲勞性能。

通過室內(nèi)外溫度和應(yīng)力比對(duì)疲勞壽命的影響比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，室外就地?zé)嵩偕Y(jié)構(gòu)層在溫度和應(yīng)力比的影響下，其抗疲勞性均優(yōu)于室內(nèi)的情況；且其對(duì)溫度和應(yīng)力比的敏感性均較室內(nèi)試件不顯著。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于室外路面長期受到行車壓實(shí)的作用，使路面混合料的密實(shí)度增加，從而使室外瀝青路面抗疲勞性能得以提高。

3.3 室內(nèi)溫度-應(yīng)力耦合疲勞壽命方程

傳統(tǒng)單一外部因素的疲勞壽命方程不同很好的反映在多因素共同作用下的疲勞壽命。鑒于此，多數(shù)學(xué)者從材料內(nèi)部因素方面著手，建立了瀝青混合料的內(nèi)部影響因素與疲勞壽命預(yù)測(cè)方程，但從外部影響因素角度對(duì)現(xiàn)場(chǎng)路段實(shí)際路段的疲勞壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)研究較少。

對(duì)于昌九段高速公路就地?zé)嵩偕范味?，?duì)已建成的路段其材料的內(nèi)部影響因素和結(jié)構(gòu)層特性可似為一個(gè)常量，對(duì)其疲勞壽命所起主導(dǎo)影響是其外部影響因素：水環(huán)境、行車荷載、溫度等。本文從行車荷載和溫度角度出發(fā)，通過室內(nèi)的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，建立該路段的瀝青混合料在行車荷載和溫度耦合作用下的室內(nèi)疲勞壽命方程，為實(shí)際路面疲勞壽命方程的建立提供一定的依據(jù)。

對(duì)疲勞壽命方程假定為以下形式：

Nf=a(T)b(σ)c

(7)

其中，Nf為室內(nèi)疲勞壽命；T為試驗(yàn)溫度，℃；σ為試驗(yàn)荷載，MPa；a，b，c均為待定常量。

將上式整理為以下形式：

lgNf=lga+blg(T)+clg(σ)

(8)

整理室內(nèi)間接拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表10所示。

表10 間接拉伸疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行多元線性回歸分析。溫度和荷載耦合作用下疲勞預(yù)測(cè)模型如表11所示。

表11 溫度和荷載耦合作用下疲勞預(yù)測(cè)模型

判定系數(shù)為89.4%，表明在疲勞壽命的變動(dòng)中，有89.4%由試驗(yàn)溫度和試驗(yàn)荷載兩個(gè)因素的變動(dòng)來解釋，而只有10.6%的因素屬于隨機(jī)誤差。

因?yàn)?7.14>2.178 8,3.862>2.178 8,7.088>2.178 8,拒絕H0:a，b，c=0，H1：a，b，c≠0的假設(shè)，認(rèn)為這三個(gè)回歸系數(shù)在統(tǒng)計(jì)上是顯著的。

對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，在顯著性水平，α=0.05，F(xiàn)0.05(2,12)=3.89。而F=50.822>F0.05(2,12)=3.89，則拒絕原假設(shè)H0，即表明原方程總體上的線性關(guān)系是顯著成立的。

由此進(jìn)行的多元回歸分析所推導(dǎo)的溫度與荷載耦合作用下的回歸模型(由表9中方程進(jìn)行適當(dāng)變形整理)：

(9)

綜上所述，上式方程可以較好地反映溫度和荷載耦合作用下的試件的間接拉伸疲勞壽命，為室內(nèi)就地?zé)嵩偕鸀r青混合料的長期性能的評(píng)價(jià)提供了參考意義。

4 結(jié)論