溫度對(duì)可回收瀝青路面填料蠕變特性的影響

殷 杰，余銳鋒，湯 勇，胡明明

(1. 江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 江蘇建科鑒定咨詢有限公司，江蘇 南京 210008)

我國(guó)高速公路采用的主要路面結(jié)構(gòu)形式是瀝青路面[1-3]。隨著瀝青路面運(yùn)營(yíng)時(shí)間陸續(xù)達(dá)到其設(shè)計(jì)使用年限15 a，不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量廢舊瀝青路面材料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生廢舊瀝青路面材料約2.2×108t[4-5]，但是再生利用率不足30%[5]，大多數(shù)是以堆放填埋處置的，無法實(shí)現(xiàn)固體廢物資源化。

現(xiàn)有的再生利用方式主要是將廢舊瀝青路面材料通過銑刨、篩分獲得可回收瀝青路面(recycled asphalt pavement，RAP)材料，再與新料混合作為建筑材料用于新的瀝青路面面層或基層的建設(shè)[6-8]。為了提高廢舊瀝青路面材料的再生利用率，已有研究[9-13]充分利用RAP材料級(jí)配良好和強(qiáng)度較高的特點(diǎn)，將RAP材料作為路基或擋墻填料進(jìn)行使用，替代傳統(tǒng)的砂石填料，以減少傳統(tǒng)砂石填料的開采消耗，達(dá)到節(jié)約自然資源、減少環(huán)境污染的目的。

由于RAP材料中含有瀝青，具有黏附性和溫度敏感性，作為填料時(shí)受溫度的影響較大，因此需要開展溫度對(duì)RAP填料力學(xué)性能影響的研究。研究[14]表明，擊實(shí)溫度對(duì)RAP填料的抗剪強(qiáng)度和蠕變性能有顯著影響，當(dāng)擊實(shí)溫度為50 ℃時(shí)，RAP填料的強(qiáng)度最大，蠕變量最小，建議夏季施工，以減小RAP填料的蠕變量。RAP作為擋墻填料，在施工完成后，強(qiáng)度和變形特性仍受周圍環(huán)境溫度的影響，而考慮溫度效應(yīng)的RAP填料蠕變特性少有研究涉及。

為了進(jìn)一步探討季節(jié)性環(huán)境溫度對(duì)RAP填料蠕變特性的影響規(guī)律和作用機(jī)制，本文中參考已有研究[15-16]關(guān)于不同季節(jié)溫度時(shí)地表土體的溫度變化情況，取代表性溫度0、20、35 ℃，開展相應(yīng)的直剪試驗(yàn)及直剪蠕變?cè)囼?yàn)，研究不同試驗(yàn)溫度時(shí)RAP填料的強(qiáng)度特性和蠕變性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

RAP填料取自江蘇省鎮(zhèn)江市某廢舊瀝青路面，經(jīng)銑刨、篩分后獲得。通過燃燒法測(cè)得RAP填料中瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.2%，采用比重試驗(yàn)測(cè)得RAP填料的相對(duì)密度為2.24。圖1所示為RAP填料級(jí)配曲線與擊實(shí)曲線。由圖1(a)可知，曲率系數(shù)為1.13，不均勻系數(shù)為7.57，因此RAP填料可近似為級(jí)配良好的砂礫土。由圖1(b)可知，RAP填料的最優(yōu)含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.1%，最大干密度為1.88 g/cm3，表明RAP填料具有良好的擊實(shí)特性。

(a)級(jí)配曲線

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)前以最優(yōu)含水率及最大干密度為控制指標(biāo)進(jìn)行RAP試樣制備，將試樣放入尺寸為10 cm×10 cm×4.8 cm(長(zhǎng)度×寬度×高度)的剪切盒中分3層進(jìn)行擊實(shí)，擊實(shí)溫度取為50 ℃。表1所示為RAP試樣的直剪試驗(yàn)與直剪蠕變?cè)囼?yàn)方案。其中，采用自行研制的應(yīng)變控制式直剪儀[14]進(jìn)行直剪試驗(yàn)；采用豎向應(yīng)力及試驗(yàn)溫度進(jìn)行剪切，剪切速率為2.4 mm/min；采用自行研制的應(yīng)力控制式直剪蠕變儀[14]開展不同工況下的直剪蠕變?cè)囼?yàn)。通過設(shè)置定滑輪，將施加在豎向托盤上的恒定荷載轉(zhuǎn)換為恒定的水平荷載，共施加對(duì)應(yīng)5個(gè)不同的剪應(yīng)力比的恒定水平剪應(yīng)力，記錄剪切位移隨時(shí)間的變化情況，試驗(yàn)時(shí)間設(shè)置為7 d。如果加載過程中土樣的剪應(yīng)變超過15%，則停止試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度有3種工況，20 ℃為室溫條件，分別通過在剪切盒外加裝制冷式和加熱式2種溫控箱實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)溫度為0、35 ℃時(shí)的工況，精度為1 ℃。

表1 可回收瀝青路面試樣直剪試驗(yàn)與直剪蠕變?cè)囼?yàn)方案

2 結(jié)果與討論

2.1 直剪試驗(yàn)

圖2所示不同試驗(yàn)溫度時(shí)RAP試樣剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系。從圖中可以看出，各種工況下RAP試樣的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)應(yīng)變軟化的特性。當(dāng)試驗(yàn)溫度相同時(shí)，豎向應(yīng)力越大，則RAP試樣的最大剪應(yīng)力越大，并且最大剪應(yīng)力對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變隨著豎向應(yīng)力的增加而增加。以圖2(c)為例，RAP試樣在豎向應(yīng)力為50、75、100 kPa時(shí)的最大剪應(yīng)力分別為62.9、86.3、111.4 kPa，對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變分別為3.6%、6.0%、6.8%，這主要?dú)w因于豎向應(yīng)力的增加使RAP顆粒被壓得更密實(shí)，顆粒間咬合更緊密。此外，當(dāng)豎向應(yīng)力為50 kPa時(shí)，RAP試樣在試驗(yàn)溫度為0、20、35 ℃時(shí)的最大剪應(yīng)力分別為85.6、68.8、62.9 kPa。隨著溫度的升高，最大剪應(yīng)力逐漸減小，表明RAP試樣的抗剪強(qiáng)度受試驗(yàn)溫度影響顯著，這主要?dú)w因于溫度升高時(shí)RAP試樣中的瀝青成分發(fā)生軟化，黏性增大，試樣內(nèi)部顆粒翻轉(zhuǎn)，滑移阻力減弱，從而導(dǎo)致最大剪應(yīng)力減小。

(a)試驗(yàn)溫度為0 ℃

圖3所示為不同試驗(yàn)溫度時(shí)RAP試樣最大剪應(yīng)力與豎向應(yīng)力的擬合關(guān)系，不同試驗(yàn)溫度時(shí)RAP試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力與內(nèi)摩擦角如表2所示。從圖3中可以看出，隨著試驗(yàn)溫度升高，黏聚力明顯減小，而內(nèi)摩擦角略微增大。當(dāng)試驗(yàn)溫度從0 ℃升至35 ℃時(shí)，黏聚力減小至32.3 kPa，內(nèi)摩擦角增加4.7°，這主要是由瀝青成分的溫度敏感性所致。從表2中可以看出，RAP試樣的內(nèi)摩擦角的變化范圍為39.4°～44.1°。傳統(tǒng)的粗粒土(砂石)填料的內(nèi)摩擦角一般為40°～48°[17]，因此RAP試樣的內(nèi)摩擦角與傳統(tǒng)砂石填料的相近。

τ—剪應(yīng)力；σ—豎向應(yīng)力；R—相關(guān)系數(shù)。

表2 不同試驗(yàn)溫度時(shí)可回收瀝青路面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

2.2 直剪蠕變?cè)囼?yàn)

圖4所示為不同試驗(yàn)溫度時(shí)RAP試樣的剪應(yīng)變隨時(shí)間的對(duì)數(shù)變化。由圖可知，在給定的剪應(yīng)力比條件下，剪應(yīng)變隨著蠕變時(shí)間的增加而增大，表明RAP試樣具有明顯的蠕變特性。在時(shí)間相同的條件下，RAP試樣的剪應(yīng)變隨著剪應(yīng)力比的增大而增大。在試驗(yàn)溫度為35 ℃且剪應(yīng)力比為0.9的工況下，RAP試樣的剪應(yīng)變?cè)谳^短的時(shí)間內(nèi)迅速增大，表明試樣發(fā)生蠕變破壞。

(a)試驗(yàn)溫度為0 ℃

圖5所示為不同工況下RAP試樣的剪應(yīng)變率隨時(shí)間在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的變化。從圖中可以看出，剪應(yīng)變率隨著時(shí)間的增加而線性減小。在相同試驗(yàn)溫度和時(shí)間條件下，剪應(yīng)力比越大，剪應(yīng)變率越大，并且不同剪應(yīng)力時(shí)的剪應(yīng)變率曲線呈近似平行線性關(guān)系，即剪應(yīng)變率曲線的斜率近似相同，已有研究[18]中也報(bào)道了類似試驗(yàn)結(jié)果。特別地，當(dāng)試驗(yàn)溫度為35 ℃且剪應(yīng)力比為0.9時(shí)，RAP試樣的剪應(yīng)變率在短時(shí)間內(nèi)先減小后快速增大，表明RAP試樣發(fā)生蠕變破壞，對(duì)應(yīng)最小剪應(yīng)變率的時(shí)間為蠕變破壞起始時(shí)間。蠕變速率隨時(shí)間增大而減小的主要原因在于蠕變變形是由顆粒間滑動(dòng)引起的。在蠕變過程中，隨著變形的增加，RAP顆粒發(fā)生輕微的重新排列，從而減小RAP顆粒間滑動(dòng)的速度和整體的蠕變速率[19]。

(a)試驗(yàn)溫度為0 ℃

為了進(jìn)一步分析溫度對(duì)RAP填料蠕變性能的影響，考察在剪應(yīng)力比為0.9的條件下，不同試驗(yàn)溫度時(shí)RAP試樣的剪應(yīng)變與剪應(yīng)變率隨時(shí)間的變化，如圖6所示。從圖中可以看出，在蠕變時(shí)間相同的條件下，溫度越高，試樣的剪應(yīng)變及剪應(yīng)變率越大。比較不同溫度時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，RAP試樣在溫度為0、20 ℃時(shí)，并未發(fā)生蠕變破壞，而當(dāng)溫度達(dá)到35 ℃時(shí)，試樣發(fā)生蠕變破壞，表明RAP材料的蠕變變形受溫度影響顯著，主要原因在于溫度升高，瀝青軟化，RAP顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度、摩擦力、剪切阻力減小，導(dǎo)致顆粒間滑動(dòng)速度增大，表現(xiàn)為RAP材料蠕變變形和蠕變速率增加。由此可知，在實(shí)際工程中，不能忽略溫度變化對(duì)RAP材料蠕變變形性能的影響。

(a)剪應(yīng)變

2.3 考慮溫度影響的蠕變方程

(1)

表3 3個(gè)模型參數(shù)在不同試驗(yàn)溫度時(shí)的數(shù)值

(a)A

A=0.003T+0.053，

(2)

(3)

m=0.002T+0.834。

(4)

將式(2)、(3)、(4)代入式(1)，可以得到考慮溫度影響的RAP填料的蠕變方程為

(5)

圖8所示為豎向應(yīng)力為75 kPa的條件下不同試驗(yàn)溫度時(shí)RAP試樣的剪應(yīng)變率試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與式(5)計(jì)算值對(duì)比。從圖中可以看出，試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值較吻合，表明本文中基于不同溫度工況下擬合的蠕變方程可以較好地反映RAP填料在不同溫度及應(yīng)力比時(shí)的蠕變變形規(guī)律。由此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)充分考慮溫度影響下的RAP填料的蠕變特性，本模型的建立能為RAP擋墻工程的安全運(yùn)營(yíng)和長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析提供有效的參考。

(a)試驗(yàn)溫度為0 ℃

3 結(jié)論

本文中為了研究溫度對(duì)RAP填料蠕變特性的影響，分別進(jìn)行了3種不同溫度時(shí)的直剪試驗(yàn)及直剪蠕變?cè)囼?yàn)，得到以下主要結(jié)論：

1)RAP填料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)受試驗(yàn)溫度的影響。黏聚力隨著試驗(yàn)溫度的升高而減小，內(nèi)摩擦角隨著試驗(yàn)溫度的升高而略有增大。

2)試驗(yàn)溫度對(duì)RAP填料的直剪蠕變變形影響顯著。當(dāng)剪應(yīng)力比相同時(shí)，RAP填料在試驗(yàn)溫度較高的工況下，剪應(yīng)變與剪應(yīng)變率隨時(shí)間的變化曲線位于低溫度工況下的上方，在剪應(yīng)力較大時(shí)，RAP填料容易發(fā)生試蠕變破壞。