再生高模量瀝青混合料勁度模量的影響因素研究

費(fèi)維水，張直云，吳志強(qiáng)，申鵬翔

(1.昆明理工大學(xué)　建筑工程學(xué)院，云南　昆明　650500；2.國家林業(yè)局　昆明勘察設(shè)計(jì)院，云南　昆明　650216)

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再生高模量瀝青混合料勁度模量的影響因素研究

費(fèi)維水1，張直云2，吳志強(qiáng)1，申鵬翔1

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南昆明650500；2.國家林業(yè)局昆明勘察設(shè)計(jì)院，云南昆明650216)

摘要：針對(duì)再生高模量瀝青混合料，結(jié)合當(dāng)前瀝青路面使用過程中普遍存在的車轍和疲勞開裂等問題，以法國高模量瀝青混合料性能評(píng)價(jià)體系為依托，采用溫拌再生技術(shù)成型試件，通過試驗(yàn)測(cè)試來分析再生高模量瀝青混合料勁度模量的影響因素。該試驗(yàn)分析中的配合比設(shè)計(jì)采用AC-20C的級(jí)配中值，外摻劑分別為EC120和硫酸鈣晶須(CSW)，瀝青回收舊料摻量分別為0，40%，50%和60%，采用全試驗(yàn)的方法共開展8組試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：試驗(yàn)加載頻率越高，其勁度模量就越大，并成對(duì)數(shù)關(guān)系變化；針對(duì)同一種外摻劑，15 ℃時(shí)的勁度模量和相位角成反比例關(guān)系；勁度模量隨舊料摻量的不同而變化，當(dāng)舊料摻量為50%時(shí)，勁度模量有最大值；硫酸鈣晶須對(duì)于提高溫拌再生瀝青混合料模量的使用效果要比EC120更加顯著。

關(guān)鍵詞：道路工程；瀝青路面；溫拌再生；勁度模量；影響因素；試驗(yàn)評(píng)價(jià)

0前言

瀝青混合料的勁度模量是表征瀝青路面結(jié)構(gòu)中瀝青混合料力學(xué)響應(yīng)方式的基本特點(diǎn)之一，同時(shí)也是法國高模量瀝青混合料性能評(píng)價(jià)體系中的水平。他是對(duì)瀝青混合料性能評(píng)價(jià)的核心指標(biāo)，也是最能體現(xiàn)瀝青混合料路面抗車轍性能的評(píng)價(jià)方法之一。

法國高模量瀝青混合料性能評(píng)價(jià)體系采用復(fù)數(shù)模量(正弦壓力作用在梯形梁試件或平行六面體試件)或單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)來測(cè)定瀝青混合料在黏彈性范圍內(nèi)的勁度模量[1]。本研究采用英國某公司生產(chǎn)的法國瀝青混合料設(shè)計(jì)直接拉伸模量測(cè)試-液壓伺服通用材料試驗(yàn)機(jī)，測(cè)試溫拌再生高模量瀝青混合料在高度仿真移動(dòng)和停泊的車輛荷載狀況下的模量，并對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，為路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和厚度計(jì)算提供依據(jù)[2]。

1試驗(yàn)方案及參數(shù)的確定

在持續(xù)高溫環(huán)境下，瀝青性能由彈性體向塑性體轉(zhuǎn)變，勁度模量大幅度降低，抗變形能力急劇下降[3]，故無法抵抗現(xiàn)有行車荷載的反復(fù)作用而產(chǎn)生路面整體性破壞[4]。為了分析再生高模量瀝青混合料的性能，需對(duì)其進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，同時(shí)還要注意材料的抗車轍能力及抗剪切流動(dòng)特性[5]。

該勁度模量試驗(yàn)的配合比設(shè)計(jì)采用AC-20C的級(jí)配中值[6]，外摻劑分別為EC120和硫酸鈣晶須(CSW)，而且采用溫拌再生技術(shù)，舊料摻量分別為0，40%，50%和60%，采用全試驗(yàn)的方法共開展8組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)制4個(gè)件，試驗(yàn)后對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行處理[7]。

EC-120型瀝青普適溫拌降黏劑[8-9]是海川某公司生產(chǎn)的瀝青改性添加劑，其表觀形狀為白色固體米粒狀細(xì)顆粒，是一種長(zhǎng)鏈脂肪烴化合物，其熔點(diǎn)在100 ℃左右，熔融狀態(tài)下的黏度低于0.02 Pa·s，在120 ℃的情況下可以完全、均勻地融解在瀝青中，從而使得瀝青混合料在拌和站的拌和溫度及攤鋪壓實(shí)溫度得到有效降低。

硫酸鈣晶須(簡(jiǎn)寫為CSW)是以石膏為原料[10]，以人為方式來控制其生長(zhǎng)，具有完善內(nèi)部結(jié)構(gòu)的纖維狀單晶體。其平均直徑一般在1～8 μm，平均長(zhǎng)度一般在100～200 μm，平均長(zhǎng)徑比一般在10～200。硫酸鈣晶須具有高模量、韌性好、抗磨損、耐高低溫、易于分散的性能特點(diǎn)，故可有效提高瀝青混合料的抗車轍性能和抗疲勞性能。

溫拌再生技術(shù)[11]是指將溫拌技術(shù)和再生技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。溫拌技術(shù)通過降低瀝青混合料的拌和及攤鋪溫度來實(shí)現(xiàn)降低燃料成本和減少廢氣排放的目的，但又能使瀝青混合料滿足性能要求，在施工現(xiàn)場(chǎng)攤鋪時(shí)，其壓實(shí)溫度一般在 120～140 ℃之間即可滿足攤鋪要求；而再生技術(shù)通過摻配外摻劑對(duì)翻修銑刨出來的廢舊瀝青混合料進(jìn)行重新利用以達(dá)到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的目的。

對(duì)于高模量瀝青混合料，法國規(guī)范規(guī)定了在15 ℃的溫度條件和10 Hz的頻率條件加載下測(cè)得的模量要大于14 000 MPa。試驗(yàn)采用正弦波軸向加載方式，加載頻率分別為25，10，5，1，0.5，0.1 Hz，隨著加載的進(jìn)行，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄下不同頻率加載下的應(yīng)力大小和軸向應(yīng)變值。

勁度模量試驗(yàn)在沒有圍壓只有主壓的環(huán)境下開展，而且需采用荷載控制模式進(jìn)行加載。結(jié)合車轍敏感性分析[12]并確保溫拌再生高模量瀝青混合料在線彈性范圍之內(nèi)的力學(xué)響應(yīng)條件，則需保證溫拌再生高模量瀝青混合料的應(yīng)變控制在125 με以下。對(duì)于勁度模量試驗(yàn)在15 ℃和20 ℃這兩個(gè)溫度等級(jí)下，選取主壓力初始荷載均為0.6 kN，其峰-峰值可達(dá)到2 kN。

2開展勁度模量試驗(yàn)

試驗(yàn)采用英國某公司生產(chǎn)的法國瀝青混合料設(shè)計(jì)直接拉伸模量測(cè)試-液壓伺服通用材料試驗(yàn)機(jī)(CRT—UTM—HYD EL—0652)，對(duì)溫拌再生高模量瀝青混合料在高度仿真移動(dòng)和停泊的車輛荷載狀況下的模量進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)程序參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN 12697—26)熱拌瀝青混合料試驗(yàn)方法第26部分的勁度模量試驗(yàn)(該方法采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方式成型圓柱體試件，試件直徑d為50～160 mm，試件高度H是直徑d的1.8～3倍)和美國ASTM D3497和AASHTO TP62—03及國內(nèi)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的試驗(yàn)方法，采用荷載控制的加載模式，加載波形為正弦波，試驗(yàn)溫度分別為15 ℃和20 ℃，在設(shè)定的溫度下，在25，10，5，1，0.5，0.1 Hz的頻率條件下從高到低，并按表1中給出的重復(fù)加載次數(shù)開展勁度模量試驗(yàn)。在開始試驗(yàn)之前，需對(duì)勁度模量試件進(jìn)行加載預(yù)處理，其方法就是對(duì)試件施加正弦波軸向壓力試驗(yàn)荷載，預(yù)加載的頻率控制為25 Hz，循環(huán)次數(shù)控制為200次。試驗(yàn)中采集的數(shù)據(jù)是這5個(gè)波形的荷載及變形曲線，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)實(shí)時(shí)記錄下這5個(gè)波形下的勁度模量及相位角。

3數(shù)據(jù)采集及分析

3.1數(shù)據(jù)采集

表1　各荷載頻率下重復(fù)加載次數(shù)

(1)

按上述方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將平均勁度模量代表值和平均相位角代表值匯總后列于表2、表3中，即將瀝青混合料的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)字化處理[13]。

表2　15 ℃下的勁度模量及相位角數(shù)據(jù)匯總表

從表2、表3可知，15 ℃和10 Hz頻率加載下測(cè)得的模量要大于14 000 MPa，符合法國高模量體系規(guī)范規(guī)定。舊料摻量為40%，50%和60%時(shí)其勁度模量均大于14 000 MPa，符合高模量的要求；而舊料摻量為0%時(shí)，只有摻硫酸鈣晶須的一組剛剛超過14 000 MPa，而摻EC120的這組卻達(dá)不到這個(gè)要求。當(dāng)溫度為 20 ℃時(shí)，舊 料摻量為 40%, 50%和60%時(shí)其勁度模量均大于14 000 MPa，符合高模量的要求；而舊料摻量為0%時(shí)，無論是摻硫酸鈣晶須還是摻EC120的試件均達(dá)不到高模量的要求。

表3　20 ℃下的勁度模量及相位角數(shù)據(jù)匯總表

3.2頻率對(duì)溫拌再生高模量瀝青混合料勁度模量的影響分析

在加載頻率分別為25，10，5，1,0.5,0.1 Hz的條件下，依據(jù)15 ℃和20 ℃溫度等級(jí)建立在不同加載頻率變化下的勁度模量變化趨勢(shì)曲線，如圖1所示。

圖1　15 ℃和20 ℃時(shí)勁度模量隨頻率變化曲線圖Fig.1　Curves of stiffness modulus varying with frequency at 15 ℃ and 20 ℃

從圖1可知：無論是在15 ℃還是20 ℃溫度條件下，溫拌再生高模量瀝青混合料的勁度模量隨著頻率的升高而升高，對(duì)于每組試件的變化曲線均符合對(duì)數(shù)關(guān)系，而且相關(guān)性很大，這是由瀝青混合料的黏彈性特性所決定的。這種特性使得瀝青混合料對(duì)荷載的反應(yīng)有一個(gè)滯后的過程，即在外力作用下，當(dāng)加載頭對(duì)試件進(jìn)行壓縮時(shí)，試件變形有一個(gè)漸變過程而不會(huì)被瞬間壓縮；當(dāng)對(duì)試件進(jìn)行卸載時(shí)，試件變形也有一個(gè)漸變過程而不會(huì)瞬間恢復(fù)形變。所以當(dāng)荷載加載頻率逐漸增大時(shí)，這種變形特征的滯后現(xiàn)象更加明顯，即頻率越高勁度模量越大，而且這種變化趨勢(shì)呈對(duì)數(shù)關(guān)系變化。

3.3相位角對(duì)溫拌再生高模量瀝青混合料勁度模量的影響分析

試驗(yàn)分析以溫度15 ℃舊料摻量50%為例，為了使勁度模量和相位角能在同一圖幅中進(jìn)行分析，現(xiàn)將勁度模量縮小1 000倍，分析見圖2所示。

圖2　15 ℃時(shí)勁度模量和相位角的關(guān)系曲線圖(RAP：50%)Fig.2　Curves of stiffness modulus vs. phase angle at 15 ℃(RAP：50%)

從圖2可知，當(dāng)舊料摻量均為50%時(shí)，對(duì)于同一種外摻劑硫酸鈣晶須或EC120，15 ℃時(shí)的勁度模量和相位角成反比例關(guān)系。隨著頻率的不斷增加，溫拌再生高模量瀝青混合料的勁度模量不斷增大，而相位角卻不斷降低，這是由于隨著頻率的不斷增加時(shí)，試件變形的滯后過程在不斷減小，所以就造成勁度模量不斷增大，而相位角就不斷減小。

3.4舊料摻量對(duì)溫拌再生高模量瀝青混合料勁度模量的影響分析

為了與法國高模量體系相對(duì)應(yīng)，試驗(yàn)分析采用的溫度等級(jí)分別為15 ℃和20 ℃，試驗(yàn)加載頻率為10 Hz。通過對(duì)不同舊料摻量下勁度模量大小的比較來分析舊料摻量對(duì)勁度模量的影響程度，從而可通過分析勁度模量的大小，為最佳舊料摻量的確定提供理論依據(jù)。當(dāng)然，想要確定舊料最佳摻配比例，需要綜合考慮瀝青混合料的水敏感性、高溫抗車轍穩(wěn)定性、低溫抗裂性及抗疲勞性能等因素。不同舊料摻量下的勁度模量曲線如圖3所示。

圖3　勁度模量隨舊料摻量變化的關(guān)系曲線圖Fig.3　Curves of stiffness modulus varying with RAP content

從圖3可知，勁度模量隨舊料摻量的變化而變化，當(dāng)舊料摻量為50%時(shí)，勁度模量出現(xiàn)最大值。

3.5外摻劑對(duì)溫拌再生高模量瀝青混合料勁度模量的影響分析

結(jié)合表2、表3及相應(yīng)圖表可知，當(dāng)摻硫酸鈣晶須時(shí)的勁度模量較摻EC120時(shí)的要大，也就是說硫酸鈣晶須對(duì)于溫拌再生瀝青混合料模量的提高效果更顯著。

4結(jié)論

試驗(yàn)研究采用的外摻劑分別為EC120和硫酸鈣晶須(CSW)，采用溫拌再生技術(shù)，舊料摻量分別為0, 40%, 50%和60%。基于法國高模量試驗(yàn)評(píng)價(jià)體系，通過對(duì)勁度模量的一系列影響因素分析表明：

(1)針對(duì)溫拌再生高模量瀝青混合料的勁度模量變化規(guī)律，加載頻率越高勁度模量就越大，而且這種變化趨勢(shì)成對(duì)數(shù)關(guān)系變化。

(2)對(duì)于同一種外摻劑硫酸鈣晶須或EC120，15 ℃時(shí)的勁度模量和相位角成反比例關(guān)系。隨著頻率的不斷增加，溫拌再生高模量瀝青混合料的勁度模量不斷增大，而相位角卻不斷降低。

(3)勁度模量隨舊料摻量的不同而變化，即當(dāng)舊料摻量為50%時(shí)，勁度模量出現(xiàn)最大值。

(4)硫酸鈣晶須對(duì)于提高溫拌再生瀝青混合料模量的效果比使用EC120時(shí)的效果要更加顯著。

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Study of Factors Affecting Stiffness Modulus of Regenerated High Modulus Asphalt Mixture

FEI Wei-shui1, ZHANG Zhi-yun2, WU Zhi-qiang1，SHEN Peng-xiang1

(1.School of Architectural Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming Yunnan 650500，China;2. Kunming Survey & Design Institute, National Bureau of Forestry，Kunming Yunnan 650216，China)

Abstract：For the regeneration of high modulus asphalt mixture, combining with the rutting and fatigue cracking and other issues in current prevalent use of asphalt pavement, based on the French high modulus asphalt mixture performance evaluation system, the test specimens are made by warm mix renewable technologies, the influencing factors of stiffness modulus of renewable high modulus asphalt mixture is analysed by experimental method. In the experimental analysis, the designed mix proportion adopts AC-20C grading median, the additives are EC120 and calcium sulfate whisker, the RAP contents are 0, 40%, 50% and 60% respectively, 8 experiments are carried out by full test method. The result shows that(1) the higher the frequency of test load, the greater the stiffness modulus and it shows logarithmic change;(2) for the same kind of additive, the stiffness modulus is inversely proportional to phase angle at 15 ℃;(3) stiffness modulus varies with RAP content, when the RAP content is 50%, the stiffness modulus has a maximum value;(4) the effect of calcium sulfate whisker for improving the modulus of regenerated WMA is more significant than that of EC120.

Key words：road engineering;asphalt pavement; warm mix regeneration; stiffness modulus; influencing factor; test evaluation

中圖分類號(hào)：U416.217

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-0268(2016)04-0020-05

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.004

作者簡(jiǎn)介：費(fèi)維水(1964- )，男，安徽合肥人,教授.(fws6407@163.com)

基金項(xiàng)目：云南省教育廳科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2014Y068)；昆明理工大學(xué)科研基金項(xiàng)目(KKZ3201406029)

收稿日期：2014-11-20