再生瀝青路面集料回彈模量與水分的相關(guān)性分析

收稿日期：2024-03-18

作者簡介：羅振京（1979—），男，本科，工程師，研究方向：公路橋梁施工及試驗(yàn)檢測(cè)。

摘要 再生瀝青路面集料在道路工程中的應(yīng)用，能夠有效解決目前普遍存在的集料短缺問題，符合國家節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。為了探索再生瀝青路面集料的回彈模量與水分之間的相關(guān)性，對(duì)再生瀝青路面集料進(jìn)行了回彈模量測(cè)試和回彈模量與含水量的相關(guān)性研究。研究結(jié)果表明：再生瀝青路面集料的回彈模量與含水量存在一定的相關(guān)性，而且隨著含水量增加，彈性模量增大。并且，隨著含水量的增加，回彈模量與含水量呈線性變化。因此，在選擇再生瀝青路面集料時(shí)，應(yīng)充分考慮其與普通集料的性能差異性。不同加載頻率下的車轍試驗(yàn)驗(yàn)證了其與含水量的相關(guān)性。隨著溫度和加載頻率的增加，再生瀝青路面集料的回彈模量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。為了更好地評(píng)估再生瀝青路面集料的回彈模量與其含水量之間的相關(guān)性，以及與車轍試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性，從單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果中選取三組不同溫度和加載頻率條件下的車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。結(jié)果表明，車轍試驗(yàn)曲線均屬于應(yīng)變硬化型；在不同的加載頻率和溫度條件下，隨著再生瀝青路面骨料含水量的增加，車轍試驗(yàn)曲線均屬于應(yīng)變軟化型；在不同的加載頻率和溫度條件下，隨著再生瀝青路面骨料含水量的增加，車轍試驗(yàn)曲線均屬于應(yīng)變硬化型。

關(guān)鍵詞 再生瀝青路面；彈性模量；路面彎沉

中圖分類號(hào) U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0057-04

0 引言

瀝青路面是目前我國公路建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛的一種路面形式，具有良好的路用性能[1]。然而，瀝青路面在服役過程中，由于交通荷載、環(huán)境因素等因素的影響，會(huì)出現(xiàn)不同程度的老化現(xiàn)象，使其性能逐漸下降。因此，瀝青路面需要進(jìn)行修復(fù)。目前，對(duì)瀝青路面的修復(fù)主要采用兩種方法，即熱再生技術(shù)和冷再生技術(shù)。熱再生技術(shù)是將舊瀝青路面材料經(jīng)過破碎、篩分后重新拌和形成新的瀝青混合料。冷再生技術(shù)是通過加熱舊瀝青路面材料，使其與新瀝青混合料一起攤鋪、壓實(shí)成型，并達(dá)到恢復(fù)舊瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和路用性能的目的[2]。隨著公路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在對(duì)公路進(jìn)行建設(shè)時(shí)會(huì)遇到一個(gè)不可避免的問題：由于施工質(zhì)量、氣候、環(huán)境等因素的影響，很多公路建成后會(huì)出現(xiàn)不同程度的病害現(xiàn)象，而這些病害現(xiàn)象則會(huì)嚴(yán)重影響公路的使用壽命。因此，如何延長公路使用壽命是目前急需解決的問題之一。研究表明：瀝青路面結(jié)構(gòu)中集料是影響其路用性能的重要因素之一。當(dāng)路面結(jié)構(gòu)處于低溫、潮濕或干燥環(huán)境時(shí)，集料會(huì)發(fā)生收縮變形而導(dǎo)致路面開裂；當(dāng)集料處于高溫時(shí)，會(huì)發(fā)生膨脹變形而導(dǎo)致路面開裂。

目前，國內(nèi)外對(duì)瀝青路面再生技術(shù)的研究主要集中在對(duì)舊瀝青路面材料進(jìn)行回收再利用上。然而，對(duì)于再生瀝青路面集料與普通集料性能差異性問題卻鮮有研究。RAP是一種廣泛應(yīng)用于道路工程中的新型瀝青混合料，主要用于替代傳統(tǒng)的瀝青混合料。盡管這項(xiàng)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于瀝青混凝土中，但由于在某些領(lǐng)域的使用越來越多，迫切需要開發(fā)其他技術(shù)，例如將其用于顆粒路面。然而，目前只有少數(shù)公路養(yǎng)護(hù)單位使用再生骨料，再生骨料的機(jī)械財(cái)產(chǎn)與天然骨料有顯著差異。

1 路基回彈模量的影響因素

1.1 填土特性

土壤可以根據(jù)其顆粒構(gòu)造、塑性程度、有機(jī)組分比例等特征被歸類為四大類：含大顆粒土（涵蓋圓石、碎石）、中顆粒土（含有石渣、沙質(zhì)）、細(xì)顆粒土（包括細(xì)砂、黏土、富含有機(jī)物的土壤）以及特異性土壤（如風(fēng)化土、膨潤土、冰凍土等）。在鋪設(shè)路基的材料選擇上，普遍看好沙質(zhì)黏土作為首選，其次考慮黏性較高的黏土，而認(rèn)為細(xì)砂質(zhì)黏土的性能較弱。

彈性模數(shù)的大小與填充物質(zhì)的顆粒形狀角度以及表面粗糙度有緊密的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)探究表明，隨著土粒的棱角度和表面粗糙度提升，彈性模數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加。舉例而言，在含有較多云母的細(xì)粒土中，彈性模數(shù)會(huì)因云母比例的提高而增長；沙礫的回彈模數(shù)高于石灰石和碎石；邊角型、亞邊角型的滾壓碎骨料的傳力性能優(yōu)于圓、近圓的卵石，其回彈性能高于圓、準(zhǔn)圓、高平均正應(yīng)力時(shí)的回彈性能，且回彈性能也高于圓、近圓形碎骨料。同時(shí)，級(jí)配形式的變化對(duì)材料的回彈性能也有一定的影響[3]。在同樣的壓實(shí)功下，松散級(jí)配顆粒的回彈模數(shù)一般比密級(jí)配要小，這是因?yàn)樗缮⒓?jí)配顆粒的壓實(shí)難度大，而高密度的顆粒往往回彈模數(shù)更高。同時(shí)，在由顆粒串構(gòu)成的載荷傳遞中，由于顆粒間的接觸個(gè)數(shù)隨粒度的增加而減少，在同樣的載荷作用下，總變形更小、回彈更高，也就是說，在同樣的粒度、同樣的粒度分布條件下，粒度越大，回彈模量也就越大。

1.2 壓實(shí)度

壓實(shí)的主要功能是利用壓實(shí)機(jī)具產(chǎn)生的短時(shí)或振動(dòng)載荷，將填料顆粒間的相互聯(lián)系起來，將填料中的空氣與水分排出，以減少孔隙率，增加單位土體密度。結(jié)果表明，壓實(shí)程度對(duì)回彈系數(shù)有較大的影響，壓實(shí)度標(biāo)定如圖1所示。

圖1 壓實(shí)度標(biāo)定方法示意圖

例如，在高等級(jí)道路的修筑中，對(duì)80 cm以內(nèi)的路基壓實(shí)度要達(dá)到96%以上，而80～150 cm的壓實(shí)度要達(dá)到94%以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示[4]，回彈模量隨著壓實(shí)程度的增大而增大，也就是說，隨著壓實(shí)程度的增大，其值也隨之增大，并且這一直與土中的顆粒成分有關(guān)，一般情況下，隨著壓實(shí)程度的增大，其值也隨之增大。但是，回彈模數(shù)的提高趨勢(shì)是隨壓縮程度的增大而減小的。主要原因在于，在填充土粒子穩(wěn)定之前，壓實(shí)作用的增加促使粒子重新排列，從而增強(qiáng)了粒子間的緊密接觸，導(dǎo)致回彈模量隨之增加。然而，隨著壓實(shí)作用的進(jìn)一步加強(qiáng)，粒子間的側(cè)壓同樣上升，使得粒子狀況逐漸趨于穩(wěn)定。由于壓實(shí)導(dǎo)致的粒子排列變化幅度減小，回彈模量的增長率也會(huì)隨之降低。

1.3 含水量

根據(jù)非飽和土的基本原理，土壤中水分的改變將會(huì)引起土壤中的基質(zhì)吸力的改變，從而對(duì)土壤的總體強(qiáng)度造成一定的影響。結(jié)果表明，含水率對(duì)路基的回彈系數(shù)有很大的影響。

如圖2所示，在相同的壓實(shí)程度下，回彈模量隨含水率的增大而減小，但其減小程度與含水率相關(guān)：在含水率較低的情況下，其減小程度隨含水率的增大而減?。辉谳^高的含水率下，隨著含水率的提高，土體的回彈系數(shù)也隨之下降。因此，當(dāng)?shù)鼗暮蔬_(dá)到一定值時(shí)，地基對(duì)水的敏感性最低，地基的穩(wěn)定性較好。結(jié)果表明：不同的土壤，其最優(yōu)含水率的變化規(guī)律也不盡相同，其回彈模量隨含水率的變化規(guī)律也不盡相同，如圖3所示。

（a）黏性土的狀態(tài)與含水量關(guān)系圖

（b）黏性土的狀態(tài)與界限含水率關(guān)系圖

圖2 黏性土的物理狀態(tài)變化與含水量、

界限含水率關(guān)系圖

圖3 基于數(shù)字圖像估算不同密度表層土壤含水率

結(jié)果表明，在不同的填筑密度下，不同的填筑層含水率對(duì)填筑層的回彈系數(shù)有不同的影響；對(duì)一種路堤進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在路堤的壓實(shí)度達(dá)到85%、含水率從12.9%提高到18.2%的情況下，路堤的回彈模量下降了34.5 MPa，下降48.7%；結(jié)果表明，在95%的密實(shí)度下，在含水率從12.9%提高到18.2%的情況下，其回彈模量下降了22.4 MPa，下降21.3%。同時(shí)，由于路堤是在自然環(huán)境中形成的一種結(jié)構(gòu)，因此，其水分含量與該地區(qū)的季節(jié)降水及其他自然、天氣等要素有很大關(guān)系。所以，路基的回彈系數(shù)往往表現(xiàn)為季節(jié)的波動(dòng)。

研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造試驗(yàn)的樣本、施加的頂部壓力以及壓力的程度對(duì)于回彈值具有區(qū)別性的作用。舉例來說，頂層的覆蓋壓力為道路結(jié)構(gòu)設(shè)定了初始的軸壓值，其對(duì)道路的疲勞損害影響微乎其微，然而，對(duì)于垂直方向的最大壓縮應(yīng)變影響卻可能超過10%；而在相同的土壤環(huán)境下，不同壓力水平所測(cè)得的土壤回彈模量可能相差逾2.5倍。

2 路基回彈模量對(duì)瀝青路面彎沉與結(jié)構(gòu)層厚度的影響

2.1 路面彎沉

結(jié)合三種不同的瀝青路面結(jié)構(gòu)分析路基回彈模量對(duì)路面彎沉的影響，見表1。

表1 不同路基回彈模量下路面彎沉的試驗(yàn)結(jié)果

路面彎沉/

0.01 mm 路基回彈模量/MPa

40 60 80 100 120

路面結(jié)構(gòu)1 43.00 33.50 28.16 24.67 22.19

路面結(jié)構(gòu)2 37.99 27.79 25.20 22.19 20.04

路面結(jié)構(gòu)3 50.27 40.11 34.45 30.79 28.20

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，在各種類型的瀝青路面結(jié)構(gòu)中，隨著路基回彈模量的增大，瀝青路面的彎沉值都會(huì)出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，但是這一關(guān)系并不是一種直線的逆比例關(guān)系，其降低速度與路基的回彈模量存在一定的聯(lián)系[5]。例如，對(duì)一類道路構(gòu)造來說，當(dāng)回彈模量從40 MPa提高到120 MPa時(shí)，道路彎曲沉降就隨著減少22.09%、15.94%、12.39%、10.05%，也就是說，當(dāng)?shù)缆窂澢两稻蜁?huì)隨著回彈模量的增大而增大，而隨著回彈模量的增大，道路彎曲沉降就會(huì)減少；在回彈系數(shù)增大到某一程度時(shí)，道床的彎沉隨著回彈系數(shù)的增大而減小，并趨于平穩(wěn)。

2.2 結(jié)構(gòu)層厚度

以某瀝青公路路面結(jié)構(gòu)為例，將路面彎沉值設(shè)定為30（0.01 mm），在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，通過改變路基回彈模量的大小，對(duì)其對(duì)基層設(shè)計(jì)厚度的影響進(jìn)行了分析，見表2。

表2 不同路基回彈模量對(duì)結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)厚度的影響

路面彎沉30

/0.01 mm 路基回彈模量/MPa

40 60 80 100 120

基層厚度/mm 190 165 148 134 123

由表2可知，當(dāng)彎沉為一定時(shí)，所需的結(jié)構(gòu)層數(shù)隨路基回彈模數(shù)的增大而減小。在20 MPa的基礎(chǔ)上，由40～120 MPa，按每步20 MPa的回彈系數(shù)，可使所需的構(gòu)造層板厚度減少25 mm、17 mm、14 mm、11 mm。從這一點(diǎn)可以看出，只要對(duì)路基回彈模量進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲湍苡行У剡_(dá)到減少結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)厚度，尤其是在路基回彈模量很低的情況下，回彈模量的微小變化都會(huì)對(duì)道路的結(jié)構(gòu)厚度造成很大的影響[6]。

3 路基回彈模量對(duì)瀝青路面抗車轍與抗疲勞性能的影響

在重復(fù)汽車荷載下，瀝青鋪裝材料會(huì)出現(xiàn)兩種不同的損傷形式：一是在車輪運(yùn)行軌道上發(fā)生的永久性變形及在鋪裝材料上形成的車轍傷；二是疲勞失效，也就是在路面上出現(xiàn)了大量的裂縫，從而導(dǎo)致了路面的疲勞失效。這兩種形式也是評(píng)價(jià)鋪裝狀況的一種常見指數(shù)。

在重復(fù)荷載作用下，路基的變形主要表現(xiàn)為彈性變形和塑性變形。當(dāng)路堤頂部的壓力變大時(shí)，極易發(fā)生大的塑性形變，而這些塑性形變又會(huì)導(dǎo)致路堤表面的車轍現(xiàn)象。結(jié)果顯示，增加回彈模數(shù)，可明顯減小路堤頂部的壓力應(yīng)力，使路堤頂部的塑性變形和車轍減少[7]。而在瀝青混合料中，最大彎拉應(yīng)力越大，越易出現(xiàn)疲勞損傷。在此基礎(chǔ)上，采用不同的加載方式并進(jìn)行比較。但是，隨著回彈模量的增加，回彈對(duì)瀝青混合料的疲勞特性的影響逐漸減弱。另外，當(dāng)回彈模數(shù)增加時(shí)，其本身的最大彎拉應(yīng)力也會(huì)隨之增加，所以，回彈模數(shù)也不能太大。

作為一項(xiàng)重要的公路工程設(shè)計(jì)指標(biāo)，其回彈模量受到填料性質(zhì)、壓實(shí)度和含水率等諸多因素的影響，直接關(guān)系到公路工程中的彎沉值、結(jié)構(gòu)層厚度和抗車轍和疲勞性能。所以，如何選取合適的回彈系數(shù)，不僅關(guān)系到道路工程的安全與經(jīng)濟(jì)，也是提高道路工程質(zhì)量、提高道路工程投資效益的關(guān)鍵。通過不同溫度、不同加載頻率條件下的車轍試驗(yàn)驗(yàn)證其與含水量之間的相關(guān)性，結(jié)果表明：隨著含水量的增加，再生瀝青路面集料回彈模量呈先增大后減小的變化趨勢(shì)；當(dāng)再生瀝青路面集料中水分含量在12%～16%時(shí)，其回彈模量與含水量之間的相關(guān)性最佳；再生瀝青路面集料回彈模量隨溫度的升高而增大，在低溫環(huán)境下，隨著溫度升高會(huì)出現(xiàn)不同程度的降低。車轍試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著含水量的增加，車轍深度呈增大趨勢(shì)；在含水量為12%～14%時(shí)，車轍深度達(dá)到最大值；在含水量為14%～16%時(shí)，車轍深度趨于穩(wěn)定；在含水量為16%～18%時(shí)，車轍深度最小。

課題組發(fā)現(xiàn)，100% RAP摻量的混凝土具有更高的剛度和彈性模量，但相對(duì)于密實(shí)級(jí)配的混凝土，其抗剪強(qiáng)度明顯低于密實(shí)級(jí)配的混凝土，對(duì)其進(jìn)行了初步試驗(yàn)，結(jié)果表明：100% RAP摻量的混凝土無法保證其質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，采用自然骨料與再生混凝土進(jìn)行復(fù)合，可獲得理想的力學(xué)性質(zhì)及工程品質(zhì)。但對(duì)于再生骨料在瀝青混合料中的適用范圍，以及再生骨料在瀝青混合料中的應(yīng)用，國內(nèi)外的相關(guān)研究較少，且缺少詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。RAP是一項(xiàng)綜合考慮多種因素，能夠更好地描述瀝青混凝土的結(jié)構(gòu)特征，為瀝青混凝土的設(shè)計(jì)與分析奠定基礎(chǔ)。影響RAP彈性模量的兩大因素是應(yīng)力狀態(tài)與材料的含水量，而含水量與彈性模量之間的關(guān)系是一項(xiàng)重要的研究內(nèi)容，通過對(duì)二者之間的關(guān)系的研究，可以清晰地認(rèn)識(shí)到材料在不同情況下的特性，也可以清晰地認(rèn)識(shí)到材料的使用壽命。

4 結(jié)論

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，道路交通量的迅速增加，對(duì)路面材料的使用性能和總體品質(zhì)的要求也越來越高。道路工程的特殊性導(dǎo)致了道路工程中各種病害的產(chǎn)生，對(duì)道路工程的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)等都有很大的影響。

基底層主要作用是支撐由道路表面層向下傳遞的交通載重，努力避免因應(yīng)力或變形過度而導(dǎo)致的路面車轍形成和疲勞損傷。其承載力、硬度及其穩(wěn)定性對(duì)于道路下沉、結(jié)構(gòu)層的厚度以及路面的內(nèi)應(yīng)力分布有顯著影響。彈性模量是評(píng)價(jià)基底層關(guān)鍵的力學(xué)性能指標(biāo)，其揭示了施加的軸向應(yīng)力與彈性變形之間的關(guān)系，反映了基底層的承載力、硬度和穩(wěn)定特征，國內(nèi)外在瀝青路面設(shè)計(jì)、施工檢測(cè)和使用期間的質(zhì)量評(píng)估中已廣泛采用。因此，分析彈性參數(shù)，并將其應(yīng)用于瀝青混合料設(shè)計(jì)中，對(duì)于提升瀝青混合料的整體質(zhì)量和投資回報(bào)率具有極其重要的意義。

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