再生瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)研究

蘇 杰，劉忠根

（吉林建筑大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130118）

0 引言

隨著我國(guó)公路建設(shè)不斷發(fā)展，瀝青路面的銑刨物再利用問(wèn)題一直是我國(guó)公路行業(yè)的研究熱點(diǎn)[1]。我國(guó)早期鋪筑的SBS改性瀝青路面遭受長(zhǎng)時(shí)間紫外光照、氧氣、雨水等自然因素和不同的交通荷載作用的影響，因此發(fā)生嚴(yán)重老化，并且伴隨著路面結(jié)構(gòu)的損傷出現(xiàn)大量坑槽、裂縫等病害，需要進(jìn)行回收再利用[2-3]。然而，這些回收的廢舊混合料通常會(huì)被認(rèn)為是低性能并且重新利用危害大，因而采用簡(jiǎn)單的堆積處置?；谶@一現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者紛紛對(duì)瀝青路面可持續(xù)發(fā)展的相關(guān)研究和工程應(yīng)用進(jìn)行探索，并取得了豐富的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[4]。筆者通過(guò)閱讀、參考大量相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)這些理論和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，對(duì)再生瀝青混合料進(jìn)行更深刻的分析和闡述。

截至2020年底，我國(guó)公路總里程達(dá)到519.81萬(wàn)km，并且在不斷增長(zhǎng)，瀝青路面的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，作為道路鋪設(shè)材料的瀝青混合料是一類粘彈性材料，在路面使用過(guò)程中，實(shí)際道路結(jié)構(gòu)遭受車輛荷載影響時(shí)荷載頻率和靜態(tài)時(shí)有顯著的不同[5]。因此靜態(tài)模量指標(biāo)對(duì)瀝青路面的力學(xué)性能表征是有缺陷的[6]。所以，為了研究再生瀝青混合料在動(dòng)態(tài)載荷作用下的力學(xué)性能，通過(guò)AASHTO法研究再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量，并比較分析了不同舊料摻入量的再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量，進(jìn)一步對(duì)再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)進(jìn)行深入的研究[7]。

1 混合料設(shè)計(jì)

本文依據(jù)Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)方法，得到了舊料摻入率分別為10%，20%及30%的再生瀝青混合料。在對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析可再生瀝青混合料的荷載頻率、試驗(yàn)溫度及其對(duì)動(dòng)態(tài)模量和相位角變化的影響。

1.1 設(shè)計(jì)概述

Superpave瀝青混合料設(shè)計(jì)，包含Ⅰ水平設(shè)計(jì)、Ⅱ水平設(shè)計(jì)和Ⅲ水平設(shè)計(jì)。Ⅰ水平設(shè)計(jì)是指根據(jù)瀝青混合料體積指標(biāo)：瀝青填充比、礦料間隙率等指標(biāo)對(duì)熱拌瀝青混合料進(jìn)行設(shè)計(jì)[8]。Ⅱ水平設(shè)計(jì)也包括主要的路面性能測(cè)試和體積設(shè)計(jì)，通過(guò)測(cè)試和設(shè)計(jì)的參數(shù)還可以對(duì)道路特性進(jìn)行預(yù)報(bào)。Ⅲ水平設(shè)計(jì)包括更全面的道路性能測(cè)試及其體積設(shè)計(jì)，從而可以比較嚴(yán)格的對(duì)道路性能作出預(yù)測(cè)。在3個(gè)設(shè)計(jì)水平中，Ⅱ水平、Ⅲ水平又統(tǒng)稱為混合料分析[9]。本文選擇I水平進(jìn)行設(shè)計(jì)，即瀝青混合料的體積設(shè)計(jì)。選擇Superpave—19再生瀝青混合料進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)。同一舊料不同摻量的瀝青混合料級(jí)配見(jiàn)表1。

表1 Superpave-19再生瀝青混合料級(jí)配 %

1.2 設(shè)計(jì)要求

Superpave—19是粗型密級(jí)配的瀝青混合料，關(guān)鍵篩孔尺寸通過(guò)率符合Superpave的相應(yīng)最大公稱粒徑混合料級(jí)配設(shè)計(jì)條件。本試驗(yàn)中所用粗集料顆粒的棱角性為99.9%，以便確保粗集料具有更多的內(nèi)摩擦力。細(xì)集料顆粒的棱角性〉45%，并對(duì)粗集料顆粒間隙加以適當(dāng)補(bǔ)充。扁平細(xì)長(zhǎng)顆粒含量〈10%且砂當(dāng)量要求〉60%。試驗(yàn)所用集料為石灰?guī)r，瀝青為SBS改性瀝青及不同摻量的舊瀝青混合料，其中舊混合料是從已服務(wù)吉林省10年經(jīng)過(guò)銑刨舊路面得到的瀝青混合料[10]。各材料性能均滿足規(guī)范要求。

4種同一類型舊料不同摻入程度的再生瀝青混合料的集料，其各指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 瀝青混合料設(shè)計(jì)組成及體積指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件成型

本次試驗(yàn)通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓儀（SCG）壓實(shí)成型高為16.5 cm~17.5 cm的原始試件，用取芯機(jī)從試件中取出Φ100 mm的芯樣，再用雙側(cè)刨切削出高為150 mm的小圓柱體試件，但試件空隙率必須保持控制在4%±0.5%范圍內(nèi)（見(jiàn)圖1）。

圖1 取芯切割后的試件

2.2 試驗(yàn)步驟

本試驗(yàn)規(guī)范符合AASHTO TP62—07，試驗(yàn)的環(huán)境溫度依次選擇-10℃，5℃和20℃；加載頻率為：25.00 Hz，10.00 Hz，5.00 Hz，1.00 Hz，0.50 Hz，0.10 Hz，0.01 Hz，以此來(lái)計(jì)算動(dòng)態(tài)模量和相位角。采取線性應(yīng)變控制方式，利用DTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件施加荷載（見(jiàn)圖2），同時(shí)控制應(yīng)變值為50×10-6~100×10-6，從而確定測(cè)試為無(wú)損試驗(yàn)。根據(jù)上述方法完成試驗(yàn)并分別記下試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)。

圖2 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

3 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

舊料摻入量為10%，20%，30%和不摻的瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量及其相位角測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可看出，動(dòng)態(tài)模量隨著試驗(yàn)溫度的提高和荷載頻率的下降而減小，反之亦然。也就是說(shuō)動(dòng)態(tài)模量與荷載頻率成正相關(guān)，與試驗(yàn)溫度成負(fù)相關(guān)。相位角的變化規(guī)律：相位角隨著試驗(yàn)溫度的提高而逐步上升；隨著荷載頻率的提高，逐漸下降。

表3 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果

在常溫或更低時(shí)，瀝青混合料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受膠結(jié)料的影響很大，但隨著荷載頻率降低，其粘滯力便更加明顯。在工作溫度較高時(shí)，由于荷載頻率的降低，礦料結(jié)構(gòu)骨架的相互嵌擠對(duì)瀝青混合料勁度系數(shù)的影響顯著，使相位角降低，動(dòng)態(tài)模量增大。不同于動(dòng)態(tài)模量，相位角首先伴隨加載頻次的提高而上升至頂點(diǎn)逐漸趨于平緩進(jìn)而下降。即在工作溫度較低狀態(tài)時(shí)，瀝青混合料受瀝青膠結(jié)料正向影響，伴隨工作溫度的提高粘性加強(qiáng)，而相位角也提高；在高溫條件下，瀝青混合料結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，不同粒徑礦料的相互作用對(duì)混合料整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響加強(qiáng)，相位角降低。

4 構(gòu)建動(dòng)態(tài)模量主曲線

瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量是加載時(shí)間和環(huán)境溫度的函數(shù)。由于瀝青混合料屬于粘彈性材料,因此形成瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線的主要理論依據(jù)是粘彈性材料的時(shí)間-溫度等效機(jī)理，不同加載時(shí)間和溫度的動(dòng)態(tài)模量之間能夠相互代替，將瀝青混合料在不同工作溫度和加載頻率的動(dòng)態(tài)模量原始數(shù)據(jù)點(diǎn)形成的曲線平移至參考環(huán)境溫度，產(chǎn)生一個(gè)平滑的動(dòng)態(tài)模量曲線。此方法能夠?yàn)橐呀?jīng)確定的參考溫度建立獨(dú)立的動(dòng)態(tài)模量-時(shí)間通用曲線。

4.1 函數(shù)擬合

根據(jù)動(dòng)態(tài)模量主曲線,可以拓展并預(yù)測(cè)更為廣闊的某些溫度、頻率下的動(dòng)態(tài)模量，通過(guò)有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)便可得知，其他區(qū)域或某些地區(qū)未知環(huán)境條件下的瀝青混合料的動(dòng)力學(xué)特性[11]。

已知建立瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量通用曲線的關(guān)鍵在于確定位移因子。粘彈性材料的動(dòng)態(tài)模量通用曲線一般根據(jù)Sigmoidal函數(shù)進(jìn)行擬合[12]。函數(shù)模型為：

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)用Sigmoidal函數(shù)擬合動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)論，以5℃為參照溫度繪制動(dòng)態(tài)模量主曲線，并利用相對(duì)誤差及位移因子中的形狀參數(shù)進(jìn)行規(guī)劃求解，同時(shí)利用判定系數(shù)總誤差R2評(píng)價(jià)廣義西格摩德函數(shù)模型的擬合優(yōu)越程度。表4為模型的各參數(shù)值，其中：Se為動(dòng)態(tài)模量預(yù)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)差，Sy為動(dòng)態(tài)模量實(shí)測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)差，Se/Sy為預(yù)測(cè)值相對(duì)實(shí)測(cè)值的大小，其數(shù)字越小，代表建模的整體擬合程度越好[13-14]。

表4 Sigmoidal函數(shù)模型各參數(shù)值

通過(guò)圖3可以發(fā)現(xiàn)，主曲線的趨勢(shì)基本一致，然而舊料摻量大的再生瀝青混合料的主曲線比摻量小的有略微升高，不摻再生的瀝青混合料主曲線處于最低，通過(guò)曲線斜率可知，各主曲線的增幅分別是：舊料摻量為10%最大，其次是20%，最小的是30%。因此可以看出合理的舊料摻量能夠更有效地改善瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量，進(jìn)而提升瀝青混合料的力學(xué)特性。

圖3 瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線（5℃）

5 結(jié)論

1）利用（DTS）萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)成型試件進(jìn)行3個(gè)試驗(yàn)溫度、6個(gè)荷載頻率的測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用Superpave瀝青混合料Ⅰ水平設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的0，10%，20%，30%同一舊料的4種摻量的再生瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量變化幅度均不一致，相比于不摻舊料的瀝青混合料摻加舊料的再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量要略高。

2）通過(guò)試驗(yàn)得出相位角的改變具有一定的活動(dòng)范圍，當(dāng)試驗(yàn)工作溫度較低甚至常溫時(shí)，相位角隨著荷載頻率的提高而降低，但當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境溫度提高時(shí)，相位角的改變斜率則是逐漸降低的，逐漸趨于一個(gè)臨界點(diǎn)。這也是由于再生瀝青混合料是一種粘彈性材料決定的。

3）根據(jù)Sigmoidal函數(shù)及原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)求得的未知參數(shù)，計(jì)算出不同荷載頻率下的再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差比對(duì)和分析。采用規(guī)劃求解函數(shù)使不同加載頻率下的再生瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合縮減誤差，求解新的位移因子和參數(shù)。通過(guò)構(gòu)建動(dòng)態(tài)模量主曲線，進(jìn)而更好的表征再生瀝青混合料的力學(xué)性能。