移動荷載作用下熱再生瀝青路面響應分析

黃志義，陳雅雯，張勤玲

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移動荷載作用下熱再生瀝青路面響應分析

黃志義，陳雅雯，張勤玲

(浙江大學 交通工程研究所，浙江 杭州 310058)

為分析不同RAP摻量下熱再生瀝青混合料最佳瀝青用量及RAP摻量對混合料強度的影響，利用馬歇爾室內試驗確定最佳瀝青用量，并通過15 ℃和20 ℃下單軸壓縮試驗，分析熱再生瀝青混合料力學性能；利用3D-MOVE Analysis有限層軟件分析移動非均布荷載作用下的再生瀝青路面力學響應及RAP摻量對力學響應的影響。研究結果表明：RAP摻量增加，瀝青混合料抗壓性能有所提高；移動非均布荷載作用下，熱再生瀝青路面面層動力響應具有拉壓應變交替變化現象及應變集中現象，易造成疲勞開裂；前后輪作用在計算點位時動力響應峰值相近，但基層及其下各層存在殘余應變的影響；RAP摻量增加結構層內彎拉應變及豎向壓應變有所減小，但瀝青再生層層底剪應力有所增加。

道路工程；熱再生；配合比設計；移動荷載；動力響應

在車輛荷載及環境荷載的作用下，瀝青路面出現車轍、擁包和開裂等各種病害，進而產生大量的廢舊瀝青混合料。隨著環境保護的不斷重視及綠色公路理念的提出，RAP材料的使用越來越普遍。熱再生操作靈活，使用范圍廣，節約了新加瀝青及集料的用量，具有一定的經濟效益及符合環境友好型交通要求，是目前公路領域深入研究的關鍵性技術[1?2]。目前，關于熱再生瀝青混合料的研究主要偏向于室內試驗研究，而缺少熱再生瀝青混合料應用于路面結構的應力應變響應的研究，如：何兆益等[3]通過室內試驗，探討了RAP摻量對廠拌熱再生瀝青混合料路用性能及疲勞性能的影響；馬登成 等[4]對瀝青路面就地熱再生進行配合比優化設計，并在此基礎上進行路用性能分析。且對于新型路面結構主要停留在靜力分析上，與實際路面承受的動荷載作用存在一定偏差，如：薛廖卿等[5?6]通過彈性層狀體系計算分析廠拌熱再生瀝青混合料在含LSPM路面結構中的應用；李秀君等[7?8]采用有限元軟件對乳化瀝青冷再生路面結構的力學性能進行靜力分析。因此分析熱再生瀝青路面在移動荷載作用下的響應，對于認識路面結構可能產生的破壞，指導熱再生瀝青路面設計具有重要意義。本文通過室內試驗，分析不同RAP摻量下的最佳瀝青用量及力學性能；采用3D-MOVE有限層軟件對熱再生瀝青路面結構層動力響應進行分析，并分析不同RAP摻量對路面動力響應的影響規律。

1 廠拌熱再生瀝青混合料配合比設計

廠拌熱再生瀝青混合料配合比設計為后續力學性能試驗及再生瀝青混合料在路面結構層中的應用服務。為此，先對回收瀝青路面材料(RAP)進行檢測。RAP取自寧波繞城高速公路東行段上下面層。經測試，其瀝青含量為4.7%。新瀝青采用東海70號瀝青。RAP中瀝青性能指標及新瀝青性能指標見表1。

表1 RAP中瀝青和新瀝青各指標試驗結果

再生瀝青混合料的集料由原路面集料和外加集料混合料組成，原路面集料主要為玄武巖，外加集料選用凝灰巖粗集料及機制砂細集料?？紤]氣候條件、公路等級和建材提供等綜合因素，充分借鑒寧波地區配合比設計的成功經驗[9]，本文采用上述RAP生產AC-16C熱再生瀝青混合料，RAP舊料級配及AC-16C工程設計級配如表2所示[10]。對比RAP中集料級配及工程設計級配可知，原路面混合料出現細化，需根據不同RAP摻加比例，添加較粗的新集料。為了便于比較分析，不同RAP摻量下的合成級配應盡量靠近設計級配。

以4.5%的再生混合料瀝青用量為基準，在3.5%，4.0%，4.5%，5.0%和5.5% 5個瀝青用量下，制備馬歇爾試件，確定混合料的最佳油石比及各項性能指標，結果見表3。在最佳瀝青用量下，各瀝青混合料的體積指標和力學指標均滿足規范要求。RAP在20%~40%，瀝青混合料的最佳瀝青用量隨RAP摻量的增加而增大，但RAP在40%~50%范圍內，隨RAP增加最佳瀝青用量減小，初步分析原因是RAP材料經過使用后，其表面被老化，相應的吸油能力下降，以及級配及拌和溫度導致。但RAP摻加量由20%增加至50%，新瀝青用量由3.85%減少至2.64%，減少了0.31%，說明RAP中舊瀝青得到有效利用。

表2 RAP中集料級配和AC-16C工程設計級配

表3 廠拌熱再生瀝青混合料AC-16C馬歇爾試驗結果

2 廠拌熱再生瀝青混合料抗壓回彈模量試驗

在上述配合比設計基礎上，采用各RAP摻量在最佳瀝青用量條件下開展廠拌熱再生瀝青混合料抗壓強度和抗壓回彈模量試驗，為廠拌熱再生瀝青路面結構設計與分析提供數據依據。

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，采用靜壓法成型Ф100 mm×100 mm圓柱體試件，成型后的試件無須完全冷卻即可脫模。選用15 ℃及20 ℃2種溫度條件下進行試驗，試驗開始之前將試件置于恒溫水槽中保溫2.5 h，以確保試件內部溫度達到規定的試驗溫度[11]。

首先，以2 mm/min的加載速率測定試件的破壞荷載，并計算抗壓強度如表4所示。由表4可見，隨著廠拌熱再生瀝青混合料AC-16中RAP摻加量由20%增加到50%，其15 ℃和20 ℃抗壓強度分別從7.15 MPa和5.31 MPa增加到9.07 MPa和6.60 MPa，增幅為26.9%和24.3%。

表4 廠拌熱再生瀝青混合料AC-16C抗壓強度

按照破壞荷載的平均值，分別取0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6和0.7共7級作為試驗荷載，并計算各級荷載下試件實際承受的壓強i。根據實測的抗壓回彈變形Δi繪制i~Δi關系曲線。從第5級荷載讀取相應的5及Δ5，計算得到的抗壓回彈模量如表5所示。由表5可以看出，隨著廠拌熱再生瀝青混合料AC-16C中RAP摻加量由20%增加到50%，其15 ℃和20 ℃抗壓回彈模量分別從1 732 MPa和1 171 MPa增加到2 203 MPa和1 675 MPa，增幅為27.2%和43.0%，表明20 ℃下的抗壓回彈模量對RAP摻加量的敏感性高度15 ℃下。

表5 廠拌熱再生瀝青混合料AC-16C抗壓回彈模量

3 熱再生瀝青路面結構分析

3.1 計算模型和分析方法

采用3D-MOVE Analysis有限層軟件[12]對含再生瀝青混合料的典型路面進行結構分析，論證廠拌熱再生技術的可行性。參照國內外熱再生工程的結構體系，中面層采用上述研究的廠拌熱再生瀝青混合料AC-16C，路面結構層材料參數如表6所示。當以路表彎沉值作為設計驗算指標時，抗壓回彈模量選用各試件模量的平均值減去2倍標準差(20 ℃)。當選用層底拉應力為設計驗算指標時，抗壓回彈模量選用各試件模量的平均值加上2倍標準差(15 ℃)。廠拌熱再生瀝青混合料的抗壓回彈模量根據表5取值并選取20 ℃下的平均值減去2倍標準差，當RAP摻量為20%，30%，40%和50%，抗壓回彈模量值分別為1 104，1 230，1 410和1 614 MPa。

表6 路面各結構層參數

采用3D-MOVE Analysis軟件建立有限層模型，模型尺寸取5.12 m(縱向)×3 m(橫向)×6.92 m(豎向)。模型有以下假設：1) 以平面為層狀組成的半空間體。路基為彈性半空間體，路面各層為平面無限大的彈性層。2) 各層材料應力應變關系假定為各向同性。3) 假定層元厚度較小時，位移沿方向顯線性變化，節面位移連續。道路平行于軸的2個斷面方向位移被約束，平行于軸的2個斷面方向的位移被約束，底部全部約束。有限層模型如圖1所示。

圖1 有限層計算模型

Sebaaly等[13]采用應力傳感器獲得非均勻分布的輪胎?路面接觸應力模型。車輛荷載參照Sebaaly實測結果，采用兩軸四輪荷載，軸重為90 kN，單個輪胎壓力非均勻分布如圖2所示。單個輪胎荷載作用面積簡化為0.2 m×0.182 m的矩形，雙輪中心間距為0.37 m，前后軸軸距為1.22 m，如圖3所示。采用實測的非均布輪胎接地壓力作為模型施加荷載，模型表面設置了荷載移動區，通過控制荷載在每個單元的作用時間從而實現車速為20 km/h的移動加載。

圖2 不同胎壓下實測接地壓力分布。

圖3 輪胎接地印記

3.2 RAP摻量40%的熱再生路面時程響應分析

取有限層模型選取中心軸線上不同深度點(上面層底面、中面層底面、下面層底面、基層底面、土基頂面)作為研究對象，中面層采用RAP摻加量為40%的AC-16C廠拌熱再生瀝青混合料，分析車速為20 km/h，移動荷載作用下的各研究點的縱向應變、橫向應變、豎向應變的時程變化規律，如圖4~6所示。

從豎向應變的時程變化可以看出，瀝青層中的豎向應變出現拉壓交變的現象。當車輛荷載接近或遠離作用點位時，出現微小的拉應變，車輛荷載作用在計算點位時，路面面層主要承受壓應變。隨深度的增加，交變現象逐漸減弱。且瀝青層中出現應變集中現象。基層及其下各層主要承受壓應變。后輪荷載作用在計算點位上時與前輪荷載作用在計算點位時相比，路面各層壓應變峰值相近，但基層及土基層存在一定殘余應變，且恢復較慢。瀝青面層彎沉超過極限值時，將不可避免材料的斷裂 破壞。

圖4 豎向應變時程變化

從縱向應變的時程變化可以看出，路面面層內出現縱向應變拉壓交變，且拉應變、壓應變在同一個數量級上?；鶎蛹耙韵赂鲗映霈F縱向拉應變。最大拉應變出現在中面層(瀝青再生層)，最大壓應變出現在上面層。瀝青再生層不但出現較大的拉應變，拉應變與壓應變交互作用顯著，容易引起材料的疲勞破壞，因此對再生瀝青混合料的疲勞性能有較高要求。

圖5 縱向應變時程變化

同樣，瀝青混合料面層橫向應變時程變化也同樣具有應變集中及交變現象，在車輛荷載駛過瞬間出現微小波動。最大橫向拉應變出現在中面層(瀝青再生層)。各層主要承受拉應變，因此主要出現拉裂破壞。后輪荷載作用在計算點位上時與前輪荷載作用在計算點位時相比，各層拉應變峰值略微增加但不顯著。車輛荷載離開后，基層及土基層存在的一定的殘余變形，且殘余變形恢復較慢。

圖6 橫向應變時程變化

3.3 AC-16C熱再生層模量的影響分析

熱拌瀝青混合料AC-16C抗壓回彈模量根據表5的20 ℃各試件模量的平均值減去兩倍的標準差。當RAP摻配比例分別為20%，30%，40%和50%，再生瀝青層抗壓回彈模量分別取1 104，1 230，1 410和1 614 MPa，計算路面結構在移動荷載下的響應。目前，國內外路面結構力學性能評價指標主要有面層層底彎拉應變、土基頂部壓應變及面層底部剪應力[14]。經3D-MOVE Analysis軟件計算，中心軸線上再生層層底拉應變及下面層底部層底拉應變隨RAP摻量的變化如圖7所示，中心軸線上再生層壓應變及土基頂部壓應變隨RAP摻量的變化如圖8所示，中心軸線上再生層層底剪應力及下面層層底剪應力隨RAP摻量的變化如圖9所示。

由圖7可見，隨著RAP摻量增加，瀝青再生層底部及下面層底部層底拉應變基本顯線性減小趨勢。隨RAP摻量由20%增加到50%，瀝青再生層層底拉應變由116 με減小到109 με，減少了6.0%，下面層層底拉應變由35.8 με減小到32.9 με，減少了8.1%。

圖7 RAP摻配比例對層底拉應變的影響

由圖8可見，隨著RAP摻量增加，瀝青再生層底部及土基頂部豎向壓應變均減小。尤其是當RAP摻量由20%增加到30%時，瀝青再生層豎向應變減小幅度較大。當RAP摻量由20%增加到50%，瀝青再生層底部豎向應變由450.8 με減小到311.9 με，減少了30.8%，土基頂部豎向壓應變由126.1 με減小到114.0 με，減少了9.5%。由此可見RAP摻量對再生層豎向應變的影響遠大于對土基頂部壓應變的影響。

由圖9可見，隨RAP摻量增加，瀝青再生層層底剪應力增加，而下面層層底剪應力減小RAP摻量由20%增加至30%，下面層層底剪應力減小幅度較大。RAP摻量由20%增加至50%，瀝青再生層層底剪應力由3.046 kPa增加至3.688 kPa，增加了21%；下面層層底剪應力由1.465 kPa減小至0.954 kPa，減少了34%，由此可見RAP摻量變化對剪應力影響顯著。

圖8 RAP摻配比例對豎向應變的影響

圖9 RAP摻配比例對剪應力的影響

4 結論

1) RAP摻量越高時，15 ℃及20 ℃瀝青混合料AC-16C抗壓強度及抗壓回彈模量越大。且20 ℃下的抗壓回彈模量對RAP摻量的敏感性高于15 ℃下的。

2) 在移動荷載作用下，瀝青面層內出現縱向、橫向、豎向拉壓應變交變現象及應力集中現象，這是造成瀝青路面材料疲勞破壞的主要原因。基層及其下各層主要承受豎向壓應變、橫向拉應變及縱向拉應變。

3) 后輪荷載作用在計算點位上時與前輪荷載作用在計算點位時相比，路面各層應變峰值相近，但基層及土基層存在殘余應變的影響。

4) 隨RAP摻量增加，瀝青再生層層底及下面層層底彎拉應變線性減小，但減小幅度不大；瀝青再生層層底及土基頂部豎向壓應變均減小，且RAP摻量變化對再生豎向壓應變影響遠大于土基頂部豎向壓應變的影響。但RAP摻量增加增大了瀝青再生層層底剪應力，且剪應力變化顯著。

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Analysis of the dynamic response in hot recycled asphalt pavement under moving vehicle loads

HUAN Zhiyi, CHEN Yawen, ZHANG Qinling

(Institute of Transportation Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

In order to analyze the optimal asphalt-aggregate ratios of hot recycled asphalt under different RAP content and the strength with different RAP percentages, the mechanical performance was analyzed by uniaxial compression test at 15 ℃ and 20 ℃. The dynamic response of hot recycled asphalt pavement under moving vehicle loads and the dynamic response under different RAP content were obtained using 3D-MOVE Analysis software. The results show that with the raise of RAP content, the compressive performance of asphalt mixture has improved; The dynamic response of strains in asphalt surface subjected to moving loads exhibit alteration between positive and negative value and the strain concentrate within the asphalt layer, which will cause fatigue cracking; The maximum dynamic response under the front wheel moving load and the rear-wheel moving load are close, but the base and the subgrade have residual strain; With the raise of RAP content, the flexural strain and vertical compressive strain decrese, but the shear stress in the asphalt layer increase.

road engineering; hot recycling; mix design; moving load; dynamic response

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.01.015

U416.217

A

1672 ? 7029(2019)01 ? 0107 ? 07

2017?10?18

寧波市交通委員會科技項目[2013]191-3

黃志義(1957?)，男，福建莆田人，教授，博士，從事道路新材料新技術研究；E?mail：hzy@zju.edu.cn

(編輯 涂鵬)