基于Fénix法的膠乳摻量對乳化瀝青冷再生混合料抗開裂性能影響研究

韓慶奎，李曉民，魏定邦

(1.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州　730070；2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院有限責任公司，蘭州　730000)

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基于Fénix法的膠乳摻量對乳化瀝青冷再生混合料抗開裂性能影響研究

韓慶奎1,2，李曉民1,2，魏定邦2

(1.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州730070；2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院有限責任公司，蘭州730000)

在公路建設中，乳化瀝青冷再生混合料可作為一種柔性基層或中下面層，要求具有一定的承載能力與抗開裂性能。膠乳具備的粘彈特性，可提高乳化瀝青冷再生混合料的抗開裂性能。本文基于Fénix法，研究膠乳摻量對乳化瀝青冷再生混合料抗開裂性能影響，結(jié)果表明，當膠乳摻量小于3%時，對混合料抗開裂性能影響較小，膠乳摻量在4.5%左右時，抗開裂性能明顯增強，建議膠乳摻量在4.5%為宜。

Fénix法； 膠乳摻量； 乳化瀝青冷再生混合料； 抗開裂性能

1　引　言

隨著我國公路建設的逐步完善，修葺與養(yǎng)護成為下一階段公路建設的重點，由此出現(xiàn)了各種各樣不同的養(yǎng)護技術。為響應國家節(jié)能減排號召，乳化瀝青冷再生技術憑借其廢料再利用、經(jīng)濟節(jié)約、環(huán)境保護等優(yōu)點，備受人們關注?，F(xiàn)行《公路瀝青路面再生技術規(guī)范》(JTGF41-2008)僅對乳化瀝青冷再生混合料的水穩(wěn)定性能提出了相應要求，并未對高溫性能和抗開裂性能做出要求。在近代工業(yè)中，材料斷裂時有發(fā)生，是不容忽視的問題[1]，并逐漸發(fā)展為斷裂力學一門學科。斷裂力學認為，在材料加工和使用的過程中，經(jīng)常會形成宏觀尺寸的裂紋，在一定條件下，裂紋急劇擴展，最后導致構(gòu)件的脆性斷裂。而乳化瀝青冷再生常作為一種柔性基層，甚至高等級公路的高層位，具有一定的承載能力與抗開裂性能，正逐漸成為人們關注的焦點[2]。

目前國內(nèi)外對于瀝青混合料的抗開裂性能評價主要采用的試驗方法包括：間接拉伸試驗、低溫彎曲試驗、單軸壓縮試驗、彎曲蠕變試驗、收縮系數(shù)試驗、J-積分試驗、半圓彎曲試驗[3,4]。

(1)間接拉伸試驗、低溫彎曲試驗和單軸壓縮試驗均屬于等應變加載的破壞試驗，用于測定瀝青混合料在規(guī)定溫度和加載速率下受到拉伸、彎曲或壓縮等條件下至試件破壞過程的力學性能。黎曉等[5]利用間接拉伸試驗，研究瀝青混合料的疲勞行為，結(jié)果表明，應力控制下的間接拉伸試驗作為研究瀝青混合料疲勞行為的試驗方法是合適的。國外學者Valkenring[6]也已經(jīng)證明了微觀裂縫的形成遵循著，隨混合料勁度變大，路面結(jié)構(gòu)為釋放應力必會采用另一替代的機理反應，這一準則。

(2)彎曲蠕變試驗用于測定瀝青混合料在規(guī)定溫度和加載應力水平條件下彎曲蠕變的應變速率，用以評價混合料的變形能力。王嵐等[7]，利用彎曲蠕變試驗研究膠粉改性瀝青混合料的低溫性能，結(jié)果表明，膠粉改性瀝青混合料比SBS改性瀝青混合料具有更好的低溫性能。Navarro等[8]國外學者也利用彎曲蠕變試驗研究廢棄膠輪研磨而成的膠粉，改性瀝青混合料后，具有較好的抗開裂性能。

(3)收縮系數(shù)試驗用于測定瀝青混合料的收縮系數(shù)。李峰等[9]，對瀝青混合料低溫抗裂性能及影響因素進行了評價研究，結(jié)果表明，瀝青和級配對低溫線收縮系數(shù)均沒有顯著影響，但對低溫彎拉應變有顯著影響，溫縮裂縫主要受外界溫度等因素影響。

(4)J-積分試驗用于模擬路面開裂，即由內(nèi)部潛在的微裂縫擴展開始產(chǎn)生，進而采用切口小梁試件，即在試件跨中位置刻槽，然后進行加載試驗。劉敬輝等[10]，利用J積分試驗模擬路面開裂狀況，對瀝青混合料抗裂性能進行了評價，結(jié)果表明，斷裂韌度JC可以作為一有效的評價瀝青混合料抗裂性能的指標。Huang等[11]采用Mull類似的試驗方法對由回收瀝青混凝土組成的瀝青混合料的抗裂性能進行了評價，發(fā)現(xiàn)JC隨著回收瀝青混凝土的含量的增加而增大，但是增加到一定程度后，JC反而會隨著回收瀝青混凝土的含量的增加而減小。

(5)半圓彎曲試驗(SemiCircleBending，SCB)借鑒J-積分試驗方法及原理，采用圓柱體切割后的半圓柱體試件，沿直徑邊的中點向半圓方向切割一條直縫，然后進行加載試驗。李萍等[12]，利用SCB試驗研究瀝青混合料低溫抗裂性，結(jié)果表明，在SCB試驗中，對試驗結(jié)果影響最大的是瀝青混合料本身的級配類型，其次為試驗溫度，最后為SBS含量。Mull等[13]利用SCB試驗，進行了瀝青混合料的疲勞開裂問題的研究，認為該種試驗方法能夠較好的評價瀝青混合料的疲勞特性。

上述試驗方法均能從不同角度反映出瀝青混合料的抗開裂性能，而對于乳化瀝青冷再生混合料的抗開裂性能目前尚未有相關標準要求。本文借鑒SCB試驗方法及原理，采用改進的半圓彎曲試驗(Fénixtest)，研究膠乳摻量對乳化瀝青冷再生混合料抗開裂性能的影響。

2　試　驗

2.1原材料

舊料(RAP)采用蘭州公路總段樹屏料場銑刨料，為G6蘭海高速養(yǎng)護工程廢料；膠乳采用進口丁苯膠乳PC-1468：固含量50%，密度(0.95±0.02)g/cm3，機械穩(wěn)定性≤1.0；乳化瀝青采用龍孚乳化劑LXF2105制備乳化瀝青，乳化瀝青指標及冷再生混合料級配，如表1和表2所示。

表1　乳化瀝青技術指標

表2　冷再生混合料級配選定

2.2改進的半圓彎曲試驗(Fénixtest)

現(xiàn)有的半圓彎曲(SemiCircleBending，SCB)試驗中，除了使試件開裂的兩個水平力外，還存在一個附加的豎直向下的壓力和兩個承載端豎直向上的反向力，如圖1所示，致使所得數(shù)據(jù)不能準確表征抗開裂性能。

古典詩文是我國歷史長河中一顆璀璨的明珠，從諸子散文到楚詞漢賦再到唐詩宋詞元曲，詩風詞韻陶冶了一代又一代的華夏兒女。那千百年來，經(jīng)過大浪淘沙，流行至今的經(jīng)史子集，唐詩宋詞、格言警句，已成為世界文化的瑰寶。其情韻之美和語言之美，滋養(yǎng)著一代又一代的龍的傳人，炎黃子孫。

加泰羅尼亞科技大學道路研究實驗室研發(fā)了一種直接拉伸試驗方法-Fénixtest，通過斷裂過程中的開裂耗散能GD、開裂指數(shù)IRT和開裂位移mdp指標來表征瀝青混合料的抗開裂性能[14,15]。Gonzalo[16]也采用Fénixtest直接拉伸試驗對半圓形的冷再生混合料進行抗開裂試驗，計算開裂耗散能以及開裂指數(shù)評價其抗開裂性能。Fénixtest工作圖及應力-應變曲線如圖2所示，依據(jù)開裂過程中的荷載和位移數(shù)據(jù)計算GD、WD、IRT。

圖1　半圓彎曲試驗及受力圖Fig.1　Semi circle bending and force diagram

圖2　Fénix test工作圖及應力-應變曲線圖Fig.2　Fénix test work drawing and stress-strain curve

開裂耗散能GD通過公式(1)、(2)可得：

(1)

GD-開裂耗散能，J/m2；WD-某一斷裂位移下的應力-應變曲線面積，kN·mm；h-試件厚度，m；l-初始斷裂長度，m。

(2)

F-荷載，kN；u-位移，mm； R-F=0.1kN下的曲線峰位移，mm。

開裂指數(shù)IRT通過公式(3)計算可得，二分之一最大荷載峰的位移值mdp可評價瀝青混合料可變性的能力：

(3)

IRT-開裂指數(shù)，kN/mm；Fmax-荷載峰值，kN； m-達到1/2Fmax前的位移，mm。

本文采用改進的半圓彎曲試驗(Fénixtest)方法，分別外摻乳化瀝青用量的1.5%、3.0%、4.5%膠乳，旋轉(zhuǎn)壓實成型乳化瀝青冷再生試件，切割成高(72±2)mm和厚度(40±1)mm的半圓試件，每種摻量成型后切割成四個半圓試件，在半圓柱直徑中點處開6mm深凹槽，將切割好的試件用水沖洗干凈，置于60 ℃通風恒溫烘箱中不少于12h，取出后在室溫下冷卻不少于2h。將試件置于規(guī)定溫度的環(huán)境保溫箱中保溫4～6h，直至試件內(nèi)部溫度達到試驗溫度±0.5 ℃為止。將試件放置于(-10±0.5) ℃的具有環(huán)境溫度箱的萬能試驗機支座上以1mm/min的速率進行加載至試件破壞，至其荷載應力低于0.1kN時停止試驗。

3　結(jié)果與討論

不同膠乳摻量下的Fénixtest均值數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　不同膠乳摻量下的Fénix test均值數(shù)據(jù)

圖3　不同膠乳摻量下的乳化瀝青冷再生混合料應力-應變曲線圖Fig.3　Emulsified asphalt cold recycled mixtures stress-strain curve under different latex content

由上述實驗結(jié)果可知，隨著膠乳摻量的增加，導致冷再生混合料開裂的最大力逐漸增加。這是由于丁苯膠乳是以丁二烯和苯乙烯經(jīng)低溫聚合而成的穩(wěn)定乳液，當膠乳摻量增加時，其溶解時電離的離子或離子束，與親油基連的親水基團帶有陽電荷，并且親油基部分與瀝青部分結(jié)構(gòu)相同的直鏈烷烴也隨之增加，這種結(jié)構(gòu)與瀝青有很好的相溶性，使瀝青混合料的抗開裂性能增強。當膠乳摻量從1.5%增加到4.5%時，F(xiàn)max從755.42N增加到966.78N，相應需要對混合料所做的功就越多，開裂耗散能從0.773J增加到1.022J。開裂指數(shù)IRT表明混合料是否容易開裂，是應力-應變曲線由開始至最大力區(qū)間的斜率，如果斜率較大，表明混合料容易開裂，斜率小則不容易開裂，如表所示開裂指數(shù)IRT由1.218逐漸降低至1.000，表明膠乳含量的增加，降低了開裂風險。這是由于摻入膠乳后，增加了銑刨料顆粒之間的膠結(jié)力和抵抗開裂的粘結(jié)力，使瀝青混合料抗壓、抗剪能力增強。文章又對不同膠乳摻量下應力、應變關系進行了試驗，不同膠乳摻量下的乳化瀝青冷再生混合料應力-應變曲線圖如圖3所示。

由圖3可知，在相同應變值下，隨膠乳摻量的增加，應力值逐漸增大，表明瀝青混合料抵抗開裂荷載的能力在增強，這是由于膠乳的粘彈特性，其親油基部分與瀝青部分結(jié)構(gòu)相同的直鏈烷烴增加，與瀝青相容性增強，使瀝青-石料間粘附力、瀝青-瀝青間粘聚力同時增強。但當摻量在1.5%和3%時，同一應變值下的應力值基本保持一致，最大應力值分別為770N、805N；而當膠乳摻量增加到4.5%時，同一荷載應變下抵抗應力的能力明顯增強，最大應力值達到1020N，這說明當膠乳摻量小于3%時，對乳化瀝青冷再生混合料抗開裂性能影響較小，膠乳摻量在4.5%左右時，抗開裂性能明顯增強，因此建議膠乳摻量在4.5%為宜。

4　結(jié)　論

(1)現(xiàn)有的半圓彎曲(SemiCircleBending，SCB)試驗不能準確表征瀝青混合料抗開裂性能；

(2)改進的半圓彎曲試驗(Fénixtest)能更好的模擬乳化瀝青冷再生混合料開裂時的受力情況，在開裂過程中的開裂耗散能GD、開裂指數(shù)IRT和開裂位移mdp指標能定量的表征瀝青混合料的抗開裂性能；

(3)當膠乳摻量小于3%時，對乳化瀝青冷再生混合料抗開裂性能影響較小，膠乳摻量在4.5%左右時，抗開裂性能明顯增強，建議膠乳摻量在4.5%為宜。

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EffectofLatexContentonCrackingResistanceofEmulsifiedAsphaltColdRecycledMixtureBasedonFénixTest

HAN Qing-kui1,2，LI Xiao-min1,2，WEI Ding-bang2

(1.SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China;2.GansuProvincialCommunicationsPlanningSurveyandDesignInstituteCo.Ltd.,Lanzhou730000,China)

Emulsifiedasphaltcoldrecycledmixturescanbeusedasaflexiblebaselayerorthebottomlayerandrequiresacertaincarryingcapacityandcrackingresistanceinhighwayconstruction.Thelatexcanbeimprovedemulsifiedasphaltcoldrecycledmixturecrackingresistancebecauseofitsviscoelasticproperties.EffectoflatexcontentonemulsifiedasphaltcoldrecycledmixtureofcrackingresistancebasedonFénixtestwasstudied.Theresultsshowthatthereislittleeffectforemulsifiedasphaltcoldrecycledmixturecrackingresistancewhenthelatexcontentlessthan3%.However,itsignificantlyenhancescrackingresistancewhenthelatexcontentataround4.5%andrecommendlatexcontentof4.5%isappropriate.

Fénixtest;latexcontent;emulsifiedasphaltcoldrecycledmixtures;crackingresistance

韓慶奎(1987-)，男，碩士研究生.主要研究道路材料與養(yǎng)護技術方面的研究.

李曉民，博士，正高級工程師，副教授.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0336-05