不同成型方式乳化瀝青冷再生混合料力學(xué)特性研究

易 勇，蔣應(yīng)軍，譚云鵬，胡永林，陳浙江

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710064；2. 金華市金東區(qū)公路管理段，浙江 金華 321000；3. 金華市公路管理局，浙江 金華 321000)

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)水平提高，不可再生能源的消耗越來越快，國(guó)家及地方越來越重視環(huán)境資源保護(hù)問題。近幾年乳化瀝青冷再生施工技術(shù)在節(jié)能、環(huán)保、便捷等方面的優(yōu)勢(shì)得到道路工作者的廣泛關(guān)注[1]。乳化瀝青冷再生混合料是一種應(yīng)用于面層、基層施工的道路材料[2]，在瀝青路面結(jié)構(gòu)中，冷再生混合料優(yōu)良的力學(xué)性能是路面結(jié)構(gòu)具有良好耐久性的保障[3]。冷再生混合料力學(xué)性能的提升對(duì)路面使用性能和使用年限的改善具有正向作用。國(guó)內(nèi)外道路工作者研究了冷再生混合料作為路面材料的可行性，并研究了其力學(xué)性能。國(guó)外，Babagoli等[4]研究了煤渣和灰渣粉等添加劑對(duì)冷再生混合料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明煤渣、灰渣粉作為添加劑摻入冷再生混合料中可提高其力學(xué)性能；Godenzoni等[5]就冷再生混合料級(jí)配與瀝青含量?jī)煞矫嫜芯坷湓偕旌狭掀谛阅?，結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)冷再生混合料的疲勞特性隨舊集料摻量增加而增大、冷再生瀝青含量增加而減??；Leandri等[6]通過室內(nèi)試驗(yàn)分析了冷再生混合料粘彈特性和抗疲勞特性，并與傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料進(jìn)行了比較，結(jié)果表明冷再生混合料疲勞特性有所降低，但其熱敏性及對(duì)施工時(shí)間的依賴性得到顯著降低。Li等[7]研究了水泥用量對(duì)冷再生混合料疲勞性能的影響，表明初始假定應(yīng)變水平與冷再生混合料疲勞性能息息相關(guān)。國(guó)內(nèi)，蔣應(yīng)軍等[8]采用幾種不同級(jí)配的冷再生混合料，并研究其力學(xué)性能和路用性能的變化規(guī)律，表明級(jí)配的改變對(duì)冷再生混合料的力學(xué)性能和路用性能都有顯著影響，優(yōu)化級(jí)配是提升其力學(xué)性能和路用性能的有效途徑。李明欣等[9]研究了新加瀝青類型對(duì)高RAP(reclaimed asphalt pavement)摻量冷再生混合料強(qiáng)度及疲勞特性的影響，結(jié)果表明選用合適標(biāo)號(hào)瀝青可有效改善冷再生混合料強(qiáng)度及疲勞特性。郝培文等[10]研究了水泥對(duì)冷再生混合料強(qiáng)度影響機(jī)理，結(jié)果表明水泥產(chǎn)物與瀝青膠漿混合可形成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而促使混合料力學(xué)性能顯著提高。上述冷再生混合料的研究中，主要針對(duì)級(jí)配、外加劑和瀝青標(biāo)號(hào)與用量等方面研究力學(xué)性能的變化規(guī)律，鮮有報(bào)道成型方法的影響。文章基于垂直振動(dòng)成型方法，對(duì)比垂直振動(dòng)成型試件與馬歇爾法成型試件的疲勞性能，研究成果可作為后續(xù)研究的理論基礎(chǔ)，具有參考價(jià)值。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料及礦料級(jí)配

1.1.1 原材料

路面RAP銑刨料采用金華曹嶺線X115縣道路瀝青路面回收集料，RAP銑刨料篩分結(jié)果見表1。乳化瀝青采用SBR改性乳化瀝青；新集料采用山西柳林石灰?guī)r；水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥。原材料各項(xiàng)技術(shù)性質(zhì)均滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41—2008)的技術(shù)要求。

表1 路面銑刨料RAP級(jí)配篩分結(jié)果

1.1.2 礦料級(jí)配

乳化瀝青冷再生混合料由新集料、RAP集料組成，新集料摻量為33%，由表1可知，銑刨料中粒徑2.36～9.5 mm含量較高，達(dá)57%。粗集料含量較少。這是由于瀝青路面在銑刨過程中，部分粗集料被破碎，使得銑刨料與原路面相比粒徑偏細(xì)[11]。根據(jù)本課題組研究，優(yōu)化出乳化瀝青冷再生混合料級(jí)配。新集料摻量為33%(9.5～19 mm粗集料20%，機(jī)制砂10%，礦粉3%)；篩孔孔徑為26.50，19.00，16.00，9.50，4.75，2.36，0.30，0.075 mm下，RAP礦料的通過百分率分別為100%，97.5%，91.7%，65.9%，47.4%，32.9%，10.5%，5%。

1.2 設(shè)計(jì)方法

1.2.1 傳統(tǒng)試驗(yàn)方法

乳化瀝青冷再生混合料傳統(tǒng)方法是采用重型擊實(shí)法確定最佳含水率，采用馬歇爾法確定密度與乳化瀝青最佳用量。重型擊實(shí)法確定最佳含水率分3層擊實(shí)，每層擊實(shí)98次，落高45 cm；馬歇爾法試件成型，擊實(shí)50次后，連同試模置于60 ℃鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生至恒重(一般不少于40 h)，然后擊實(shí)25次。

1.2.2 垂直振動(dòng)法(VVTM, vertical vibration test method)

所采用的振動(dòng)壓實(shí)儀基本參數(shù)：工作頻率35 Hz、名義振幅1.2 mm、上車系統(tǒng)質(zhì)量108 kg、下車系統(tǒng)質(zhì)量167 kg；采用垂直振動(dòng)擊實(shí)確定最大干密度和最佳含水率，振動(dòng)成型時(shí)間60 s；采用垂直振動(dòng)成型直徑100 mm×高63.5 mm圓柱體試件，即VVTM試件，振動(dòng)成型時(shí)間60 s。

1.3 測(cè)試方法

1.3.1 劈裂試驗(yàn)方法

成型好的冷再生混合料試件放入恒溫水浴箱中15 ℃水浴1 h，取出試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)過程按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中(T0716—2011)進(jìn)行。

1.3.2 疲勞試驗(yàn)

研究[12]表明，間接拉伸疲勞試驗(yàn)?zāi)茌^好地模擬實(shí)際路面荷載下路面內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，與路面鉆芯取樣試件對(duì)比更直觀，且具有操作方便、結(jié)果穩(wěn)定等特點(diǎn)，相比其他疲勞試驗(yàn)方法具有優(yōu)越性，故本文采用圓柱體試件間接拉伸疲勞試驗(yàn)方法。動(dòng)態(tài)伺服液壓試驗(yàn)系統(tǒng)(UTM, university testing machine)與夾具及試件安裝如圖1和圖2所示。

圖1 UTM動(dòng)態(tài)伺服液壓試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 疲勞試驗(yàn)夾具圖

為使疲勞試驗(yàn)中試件應(yīng)力變化與波形變化與行車荷載下路面接近，文中采用半正矢正弦波荷載以應(yīng)力控制模式加載。疲勞試驗(yàn)參數(shù)如下：加載頻率為10 Hz，加載時(shí)間間隔為0，循環(huán)特征值(高低應(yīng)力比)R為0.1，應(yīng)力水平S分別為0.3，0.4，0.5，0.6，0.7等5種。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果與對(duì)比

2.1 物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)果

表2 不同設(shè)計(jì)方法下試件物理力學(xué)指標(biāo)

2.2 路用性能對(duì)比

2種設(shè)計(jì)方法下，乳化瀝青冷再生混合料路用性能如表3所示。其中DS表示動(dòng)穩(wěn)定度，τd表示抗剪強(qiáng)度，RB表示彎拉強(qiáng)度，MS0表示殘留馬歇爾穩(wěn)定度，PV/PM指VVTM試件與Marshall試件路用性能比值。

表3 不同設(shè)計(jì)方法下冷再生混合料路用性能

根據(jù)表3可以得出，與馬歇爾法設(shè)計(jì)結(jié)果相比，VVTM設(shè)計(jì)的乳化瀝青冷再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度可提高48%，抗剪強(qiáng)度提高16%，彎拉強(qiáng)度提高21%，殘留馬歇爾穩(wěn)定度影響不大。這是由于VVTM設(shè)計(jì)的乳化瀝青混合料在振動(dòng)壓力波的作用下，粗、細(xì)骨料得到充分的移動(dòng)和排列，進(jìn)而獲得更為穩(wěn)定的強(qiáng)骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，混合料具有較高粘結(jié)力和內(nèi)摩阻力。因此，VVTM設(shè)計(jì)的乳化瀝青冷再生混合料路用性能優(yōu)于馬歇爾試驗(yàn)方法。

3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 劈裂強(qiáng)度

劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表4，其中PV/PM表示VVTM試件與Marshall試件劈裂強(qiáng)度比值。

表4 不同成型方式劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，VVTM試件的劈裂強(qiáng)度大于馬歇爾試件，是馬歇爾試件劈裂強(qiáng)度的1.20倍。這主要是由于VVTM試件骨架結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，混合料具有較高粘結(jié)力和內(nèi)摩阻力，使冷再生混合料的力學(xué)強(qiáng)度得到極大的提高[13]。

3.2 試件疲勞破壞過程

冷再生混合料疲勞破壞過程分為6個(gè)階段：

1)完整應(yīng)力階段。試驗(yàn)開始時(shí)試件加載次數(shù)較少，其表面未發(fā)生破壞，整體結(jié)構(gòu)也未出現(xiàn)裂紋及局部損傷。如圖3(a)所示。

2)裂紋萌生階段。隨著循環(huán)應(yīng)力加載次數(shù)的增加，試件底面中心位置處開始出現(xiàn)細(xì)微疲勞裂紋，如圖3(b)所示。

3)裂紋緩慢擴(kuò)展階段。此階段試件的裂紋沿徑向、軸線逐漸延伸，直至試件底部，如圖3(c)所示。

4)裂紋迅速擴(kuò)展階段。此階段試件承載力逐漸降低，當(dāng)承載力降低到一定程度時(shí)，裂紋迅速擴(kuò)展，如圖3(d)所示。

5)裂紋貫通階段。裂紋沿徑向貫穿整個(gè)試件，然后沿軸線迅速擴(kuò)展，如圖3(e)所示。

6)失穩(wěn)破壞階段。裂紋貫穿整個(gè)試件，并完成疲勞試驗(yàn)，如圖3(f)所示。

圖3 試件破壞過程

3.3 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表5所示。

表5 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3.3.2 疲勞壽命預(yù)估模型

由表5可知，室內(nèi)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大，因此，采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)一步分析研究冷再生混合料的疲勞壽命規(guī)律。

(1)

(2)

式中：α為形狀參數(shù)；u為尺度參數(shù)；n為隨機(jī)變量N的特征值。

表6 Weibull分布檢驗(yàn)結(jié)果

表7 不同失效概率下的等效疲勞壽命

采用式(3)對(duì)表7數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，求得不同失效概率下的疲勞方程回歸系數(shù)和相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表8所示，其中R2為相關(guān)系數(shù)。

表8 疲勞方程回歸系數(shù)及相關(guān)系數(shù)

(3)

冷再生混合料疲勞方程式(3)中的回歸系數(shù)a越大，表征應(yīng)力作用下材料抗疲勞性能越好；回歸系數(shù)b越小，表征材料對(duì)應(yīng)力變化越不敏感，材料的抗疲勞性能越好[14-15]。

根據(jù)表8繪制不同成型方式，在5%和50%失效概率下的疲勞特性曲線，如圖4所示。

圖4 不同成型方法及失效概率下的疲勞特性曲線

結(jié)合表7及圖4可知：

1)不同成型方法及失效概率下，lgσ隨lgN均呈線性變化趨勢(shì)，相關(guān)性系數(shù)R2均大于0.90，且不同成型方法對(duì)冷再生混合料的疲勞性能影響顯著。

2)對(duì)比分析失效概率為5%及50%時(shí)VVTM試件下的疲勞預(yù)估壽命曲線可知，在不同失效概率下乳化瀝青冷再生混合料的疲勞壽命存在較大差異，當(dāng)失效概率由5%增大為50%時(shí)，混合料的疲勞壽命顯著增大，在進(jìn)行混合料疲勞壽命分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定合適的失效概率進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3)在不同失效概率下，VVTM試件疲勞曲線的回歸系數(shù)a取值均最大，b取值均最小，說明VVTM設(shè)計(jì)冷再生混合料的疲勞特性良好，對(duì)應(yīng)力變化敏感性良好，具有一定的抗疲勞優(yōu)勢(shì)。這是由于VVTM成型試件時(shí)，在振動(dòng)壓力波作用下，不同公稱粒徑間的集料更容易相互錯(cuò)動(dòng)滑移，粗、細(xì)骨料更容易相互靠攏，以致達(dá)到緊密接觸狀態(tài)，形成密實(shí)的后期結(jié)構(gòu)，試件疲勞特性與混合料結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[7-8,13,16]，因此，VVTM設(shè)計(jì)冷再生混合料疲勞特性優(yōu)于馬歇爾法。

綜上，VVTM振動(dòng)壓實(shí)方式比Marshall擊實(shí)方式更加合理，且有利于提高乳化瀝青冷再生混合料的疲勞性能。

4 結(jié) 論

1)與馬歇爾設(shè)計(jì)的乳化瀝青冷再生混合料相比，VVTM設(shè)計(jì)的冷最佳含水率降低約10%，乳化瀝青最佳用量降低約10%，最大干密度提高約1.021倍，與馬歇爾試件相比，VVTM試件的馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度分別至少提高40%，32%和57%。

2)乳化瀝青冷再生混合料劈裂壽命服從雙參數(shù)Weibull分布，建立的不同成型方式下的乳化瀝青冷再生混合料疲勞方程能夠較為準(zhǔn)確地反映乳化瀝青冷再生混合料劈裂壽命。

3)不同失效概率下，VVTM乳化瀝青冷再生混合料在應(yīng)力作用下抗疲勞性能及對(duì)應(yīng)力變化敏感性優(yōu)于馬歇爾法，主要體現(xiàn)在VVTM成型試件的疲勞方程的截距a值均大于馬歇爾法，而斜率b值正好相反。