凍融循環(huán)對(duì)熱再生瀝青混合料耐久性能的影響

刁錫剛 陳智勇 朱云升 王開(kāi)鳳 李華聰

(四川省交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司1) 成都 610047) (武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院2) 武漢 430063)

0 引 言

熱再生技術(shù)的運(yùn)用為產(chǎn)生病害的瀝青路面進(jìn)行局部補(bǔ)修、大修，以及路面改建提供了新的方法和途徑，而廠拌熱再生瀝青路面在實(shí)際工程應(yīng)用中，往往比新瀝青路面更容易出現(xiàn)裂化現(xiàn)象，導(dǎo)致再生瀝青路面過(guò)早的進(jìn)入維修養(yǎng)護(hù)階段[1].

陳雅雯[2]研究了熱再生瀝青混合料的路用性能，發(fā)現(xiàn)其主要和RAP(reclaimed asphalt pavement)摻量有關(guān)，但總體和新拌瀝青混合料路用性能相差不大.李兆生等[3]比較了未凍融和凍融后的瀝青混合料的高溫性能、抗壓強(qiáng)度、回彈模量及疲勞性能的性能衰變規(guī)律，對(duì)凍融作用下瀝青混合料的損傷特性進(jìn)行了定性分析.結(jié)果表明：凍融循環(huán)作用使得瀝青混合料的蠕變速率增大，且應(yīng)力敏感性增大；瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度及回彈模量均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，損傷變量的呈現(xiàn)3階段特征.

文中采用凍融循環(huán)來(lái)模擬水溫作用對(duì)廠拌熱再生瀝青混合料性能的影響，凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)置為0、1、3和6次，通過(guò)劈裂試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)、半圓彎曲試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)廠拌熱再生瀝青混合料的抗水損害能力、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性.

1 材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)所用瀝青原材料類型為70號(hào)基質(zhì)瀝青，基本性能指標(biāo)見(jiàn)表1，試驗(yàn)所用粗細(xì)新集料均為石灰?guī)r，基本性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，填料為石灰?guī)r礦粉，基本性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3.

表1 70號(hào)基質(zhì)瀝青基本性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

表2 粗細(xì)新集料基本性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

表3 礦粉基本性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

本研究使用的回收RAP料來(lái)源于山西省某高速路段養(yǎng)護(hù)維修過(guò)程中銑刨的回收料，采用燃燒法可以得到RAP中的舊集料的級(jí)配和舊瀝青的含量，舊集料級(jí)配見(jiàn)圖1，基本性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4～5，舊瀝青含量為4.5%，通過(guò)三大指標(biāo)試驗(yàn)獲取舊瀝青的老化程度指標(biāo)，見(jiàn)表6.

圖1 級(jí)配篩分曲線

表4 舊細(xì)集料主要檢測(cè)指標(biāo)

表5 舊粗集料主要檢測(cè)指標(biāo)

表6 舊瀝青與70號(hào)基質(zhì)瀝青指標(biāo)對(duì)比

1.2 級(jí)配及最佳瀝青用量

RAP原級(jí)配為AC-13，因此熱再生瀝青混合料和新拌瀝青混合料配合比采用規(guī)范規(guī)定的AC-13中級(jí)配，其中熱再生瀝青混合料中RAP摻量為35%，最佳瀝青用量為4.46%，新拌瀝青混合料最佳瀝青用量為4.45%.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1試件凍融循環(huán)處理

采用凍融循環(huán)處理模擬外部水溫的作用，采用多次凍融加深長(zhǎng)期水溫作用對(duì)再生料的性能影響[4]，凍融循環(huán)處理具體步驟為：對(duì)試件進(jìn)行15 min的真空飽水，然后在常壓下浸水30 min，再將試件放入塑料袋，加入10 mL的水，放入到-10 ℃的低溫箱中保溫16 h，最后放入60 ℃的恒溫箱中解凍24 h，此為一次.設(shè)置循環(huán)次數(shù)為0，1，3和6次，再對(duì)試件分別進(jìn)行劈裂試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)和低溫半圓彎曲試驗(yàn)(semi-circular bending test, SCB).

1.3.2試驗(yàn)條件

劈裂試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度為25 ℃，加載速率設(shè)置為50 mm/min；動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)采用單軸加載方式，軸向壓力為0.7 MPa，加載周期為1s，其中包括0.1 s的半正弦壓力荷載和0.9 s的間隔時(shí)間，試驗(yàn)溫度控制在60 ℃，試驗(yàn)終止條件為荷載作用次數(shù)達(dá)10 000次或軸向累計(jì)應(yīng)變達(dá)試件高度的5%或蠕變曲線進(jìn)入第3階段[5]；SCB試驗(yàn)試驗(yàn)溫度為-5 ℃，加載速率設(shè)置為1 mm/min，選取支點(diǎn)間距為80%的試件直徑，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)對(duì)試件進(jìn)行0.1 kN的預(yù)壓[6].劈裂試驗(yàn)在全自動(dòng)瀝青壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)和SCB試驗(yàn)均在MTS試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，每個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行四組平行試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 水溫作用對(duì)熱再生瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

熱再生瀝青路面的水損害會(huì)導(dǎo)致路面出現(xiàn)松散，坑槽現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致路面開(kāi)裂，這極大的影響了其耐久性能，從而降低路面的實(shí)際使用壽命[7].王抒音等[8]針對(duì)凍融劈裂對(duì)高速重載條件下的破壞力模擬偏小的問(wèn)題，采用多次凍融循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M瀝青路面高速重載交通下的實(shí)際損壞過(guò)程，以凍融循環(huán)劈裂強(qiáng)度比為評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠更好的反應(yīng)瀝青混合料的抗水損能力.凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的指標(biāo)為劈裂強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度比，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 瀝青混合料劈裂強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度比

由圖2可知：新拌瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度普遍比熱再生瀝青混合料高，這是因?yàn)闊嵩偕鸀r青混合料中老化瀝青在舊集料表面形成了黏度較大的強(qiáng)作用界面，導(dǎo)致新舊集料不能完全融合，從而降低了瀝青膠結(jié)料的黏性，經(jīng)過(guò)一次凍融作用后，新拌瀝青混合料和熱再生瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度差距增大，最大相差40%，而劈裂強(qiáng)度可以反應(yīng)瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度，由于再生料中老化瀝青的影響導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度隨之減??；對(duì)比再生料和新拌料的劈裂強(qiáng)度比可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)一次凍融后再生料劈裂抗拉強(qiáng)度比比新拌料下降明顯，劈裂強(qiáng)度衰減率達(dá)到23%，而后經(jīng)過(guò)多次凍融循環(huán)后，再生料和新拌料的劈裂強(qiáng)度比下降速率保持一致，這是因?yàn)槔匣癁r青的黏附性不如新瀝青，再生料中瀝青與集料之間黏結(jié)力的下降幅度比新瀝青的大，從而導(dǎo)致再生料的水穩(wěn)定性明顯低于新拌料.

2.2 水溫作用對(duì)熱再生瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

瀝青路面車轍或永久變形就是瀝青及瀝青混合料黏彈性特性的直接反映[9].蠕變?cè)囼?yàn)可以用來(lái)研究瀝青混合料的高溫變形特征，其中動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)比靜載蠕變?cè)囼?yàn)更能反映瀝青混合料的黏彈性.參照美國(guó)NCHRP(national co-operative highway research program)采用重復(fù)加載動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料在不同凍融次數(shù)影響下的高溫性能.

動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)行過(guò)程中通過(guò)采集軸向應(yīng)力和應(yīng)變數(shù)據(jù)，得到累計(jì)永久變形和重復(fù)荷載作用次數(shù)的曲線圖，典型永久應(yīng)變與荷載作用次數(shù)曲線發(fā)展過(guò)程可分為三個(gè)階段[10]：第一階段永久變形的累積非?？?，但累計(jì)率是逐漸下降的；第二階段屬于穩(wěn)定期，永久變形的累計(jì)率相等；第三階段屬于破壞期，永久變形累計(jì)率逐漸增大.由此可見(jiàn)，第二階段和第三階段的連接點(diǎn)可以用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫車轍性能的指標(biāo)，定義為流動(dòng)荷載作用次數(shù)(FN)，F(xiàn)N越大，則抗車轍性能越好.

FN可以通過(guò)下述三階段模型計(jì)算得出：

(1)

式中：εp為累積永久應(yīng)變；N為荷載作用次數(shù)；Nps為對(duì)應(yīng)于第二階段端頭的荷載作用次數(shù)；Nst為對(duì)應(yīng)于第三階段端頭的荷載作用次數(shù)；εps為對(duì)應(yīng)于第二階段端頭的永久應(yīng)變；εst為對(duì)應(yīng)于第三階段端頭的永久應(yīng)變；a，b，c，d和f為與試驗(yàn)條件有關(guān)的材料參數(shù).

不同凍融次數(shù)下的再生料和新拌料累計(jì)應(yīng)變曲線見(jiàn)圖3，命名方式為瀝青料種類-凍融次數(shù).

圖3 瀝青混合料累計(jì)永久應(yīng)變曲線

根據(jù)累計(jì)永久應(yīng)變曲線擬合得到流動(dòng)荷載作用次數(shù)FN和對(duì)應(yīng)的累計(jì)應(yīng)變見(jiàn)表7.

表7 不同凍融循環(huán)次數(shù)后瀝青混合料動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

由表7可知：再生料的未凍融試件的流變荷載作用次數(shù)FN比新拌料的要大，說(shuō)明再生混合料抗車轍性能有明顯的提高.經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后瀝青混合料的流變次數(shù)都呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明再生料和新拌料經(jīng)水溫循環(huán)作用后，抗車轍能力都會(huì)降低；對(duì)于FN對(duì)應(yīng)的累計(jì)應(yīng)變，新拌料呈上升趨勢(shì)而再生料呈先上升后下降趨勢(shì)，這體現(xiàn)了再生料具有更小的粘性導(dǎo)致其能承受的變形更小.以未凍融的瀝青混合料試件流變次數(shù)為基準(zhǔn)，計(jì)算得到多次凍融后的流變次數(shù)衰減率見(jiàn)圖4.

圖4 凍融循環(huán)后瀝青混合料流變次數(shù)衰減率

由圖4可知：在一次凍融循環(huán)下，新拌料的流變次數(shù)衰減率較小，但在多次凍融循環(huán)后，其衰減率陡然增加，說(shuō)明多次凍融循環(huán)對(duì)瀝青混合料的抗車轍性能影響較大；長(zhǎng)期凍融作用下新拌料比再生料具有更好的高溫抗變形能力，而再生料雖然前期FN較大，但在長(zhǎng)期凍融作用下由于瀝青膠結(jié)料直接粘結(jié)不緊密，會(huì)出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，因此高溫穩(wěn)定性急劇降低.

2.3 水溫作用對(duì)熱再生瀝青混合料低溫抗裂性能的影響

斷裂能代表的是試件產(chǎn)生開(kāi)裂破壞所需要的能量，斷裂能越大則瀝青混合料抗裂性能越好[11]，計(jì)算公式為

Gt=Wf/Alig

(2)

對(duì)SCB試驗(yàn)荷載-位移曲線采用ORIGIN軟件進(jìn)行冪函數(shù)擬合，積分從位移為0開(kāi)始，到達(dá)到最大荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的位移結(jié)束，試驗(yàn)曲線和積分上下限包圍的面積即為斷裂功，不同凍融次數(shù)后的瀝青混合料半圓彎曲試件斷裂能見(jiàn)表8.

表8 凍融循環(huán)后半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知：凍融作用下下再生料的最大破壞荷載均大于新拌料，而破壞時(shí)對(duì)應(yīng)位移均小于新拌料，說(shuō)明RAP的摻入會(huì)使得瀝青混合料低溫強(qiáng)度提高但低溫抗變形能力減弱，通過(guò)對(duì)比新拌料和再生料的斷裂能，可以發(fā)現(xiàn)，同等條件下再生料的斷裂能均小于新拌料，且隨著凍融次數(shù)的增加，再生料和新拌料的斷裂能的差距越來(lái)越大，在6次凍融循環(huán)后再生料較新拌料斷裂能下降53.3%，說(shuō)明長(zhǎng)期水溫作用下，再生料的低溫抗裂性更差，凍融作用對(duì)再生料的損害作用更強(qiáng).以未凍融瀝青混合料試件斷裂能為基準(zhǔn)，將再生料和新拌料經(jīng)不同凍融次數(shù)的斷裂能衰減率繪于圖5.

圖5 不同凍融次數(shù)下瀝青混合料斷裂能衰減率

與高溫穩(wěn)定性耐久性衰變規(guī)律不同的是，再生料和新拌料在一次凍融時(shí)斷裂能衰減率相差不大，均為20%，而隨著凍融次數(shù)的增加，兩者的差距逐漸拉開(kāi)，且相比于新拌料，再生料的斷裂能衰減率有隨著凍融次數(shù)的增加而增大的趨勢(shì)，在3～6次凍融之間，再生料斷裂能衰減率為16.5%，而新拌料衰減率為11.3%，說(shuō)明凍融循環(huán)作用對(duì)熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性損害作用更大，熱再生瀝青混合料在長(zhǎng)期水溫作用下的低溫耐久性更差，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了再生瀝青路面相比于新瀝青路面有著更快的開(kāi)裂速率.

3 結(jié) 論

1) 凍融作用前后，熱再生瀝青混合料劈裂強(qiáng)度均小于新拌瀝青混合料；對(duì)于再生料，一次凍融循環(huán)即可使其劈裂強(qiáng)度大幅度下降，而對(duì)于新拌料則需要多次凍融循環(huán)作用才出現(xiàn)水損害.

2) 采用流動(dòng)荷載作用次數(shù)FN評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，未凍融時(shí)熱再生瀝青混合料高溫穩(wěn)定性優(yōu)于新拌瀝青混合料，隨著凍融次數(shù)的增加，兩者瀝青混合料高溫穩(wěn)定性均呈下降趨勢(shì)，熱再生瀝青混合料高溫穩(wěn)定性性能衰變速率較新瀝青混合料快，在6次凍融后FN值低于新拌瀝青混合料.

3) 低溫條件下與新拌瀝青混合料相比，熱再生瀝青混合料強(qiáng)度提升而抗變形能力降低，采用斷裂能評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性發(fā)現(xiàn)，同等條件下再生料的斷裂能均小于新拌料，且隨著凍融次數(shù)的增加，再生料和新拌料的斷裂能相差越來(lái)越大，在6次凍融循環(huán)后再生料較新拌料斷裂能下降53.3%.

4) 凍融循環(huán)作用對(duì)熱再生瀝青混合料三種性能影響大小排序?yàn)椋焊邷胤€(wěn)定性>低溫抗裂性>水穩(wěn)定性.