RAP摻量對熱再生瀝青混合料疲勞性能影響研究

陳永鋒，耿德華，陸志紅，楊曉華，袁松年

(1.江蘇先達建設集團有限公司，常州 213000；2.常州市市政工程管理中心，常州 213000)

瀝青路面廠拌熱再生技術是一項經(jīng)濟環(huán)保的瀝青混合料再生技術，具有顯著的技術優(yōu)勢。為了保證廠拌熱再生瀝青混合料的性能，在新瀝青混合料中使用的回收瀝青舊料(RAP)摻量一直受到限制，尤其是在表面層瀝青混合料中。目前廠拌熱再生混合料中舊料的摻量在10%～25%之間，25%以上視為高摻量[1]。造成這一現(xiàn)象的主要原因是老化瀝青變硬柔性降低的特性使熱再生瀝青混合料容易產(chǎn)生低溫開裂和疲勞開裂，并且隨著舊料摻量增大，越容易發(fā)生開裂現(xiàn)象[2]。為了保證瀝青混合料的抗裂性能，需要對其中的舊料摻量作出了限制。

現(xiàn)如今有許多關于熱再生瀝青混合料的疲勞抗裂性能的研究，國內(nèi)外學者使用了間接拉伸(IDT)疲勞、四點彎曲疲勞和德州Overlay tester等方法研究了熱再生瀝青混合料的疲勞性能。絕大多數(shù)研究認為RAP料降低了混合料的疲勞壽命，然而少數(shù)研究認為高RAP料摻量的混合料有著更高的疲勞壽命[3]。因此熱再生瀝青混合料的疲勞性能仍然存在爭議。

近年來，對半圓試件進行彎拉的試驗方法(Semi-Circular Bending Test)受到了國內(nèi)外學者的重視和應用。半圓彎曲試驗存在操作簡單、結果變異性低以及可以評價多種不同成型方式的瀝青混合料等優(yōu)點而廣受歡迎[4]。目前，半圓彎曲試驗主要用于評價瀝青混合料的低溫性能，且已經(jīng)取得了很好的效果。但半圓彎曲試驗用于評價熱再生瀝青混合料疲勞性能的研究較少，這不能充分發(fā)揮半圓彎曲試驗的優(yōu)點。該文采用將半圓彎曲試驗方法與常規(guī)的疲勞加載方式相結合的試驗方法——半圓彎曲重復加載法(Repeated Loading Semi-Circular Bending Test,R-SCB)來評價不同RAP料摻量(0，15%，30%，40%，50%和85%)的熱再生瀝青混合料的疲勞性能，分析RAP料摻量對熱再生瀝青混合料疲勞性能的影響。

1 材料與試驗

1.1 材料

文中的瀝青混合料類型為AC-13C。RAP料的摻量分別為0、15%、30%、40%、50%和85%，其中0 RAP料摻量的混合料為全新瀝青混合料。15%RAP料摻量是目前常見的廠拌熱再生瀝青技術中使用的舊料摻量。

RAP料在銑刨時的不均勻性導致在進行再生瀝青混合料設計時難以保證級配的一致性，因此使用前將RAP料以4.75 mm為界進行分檔處理，然后應用回收抽提法分析級配和油石比。選用玄武巖集料作為新集料。對于0、15%和30%RAP料摻量的瀝青混合料，使用PG76-22SBS改性瀝青作為新瀝青， 40%和50%RAP料摻量時，使用PG70-22SBS改性瀝青， 85%RAP料摻量時，使用PG64-22改性瀝青。

1.2 半圓彎曲重復加載疲勞試驗(R-SCB)

半圓彎曲重復加載試驗(R-SCB)試驗裝置如圖1所示。用兩個圓棒支撐半圓試件，在試件弧頂處使用圓棒進行加載，支點處兩根圓棒的距離根據(jù)試驗要求而定。對于半圓彎曲試驗中支點間的間距，國內(nèi)外學者作了廣泛的研究，一般均推薦0.8倍試件直徑[5,6]。此次試驗也選擇0.8倍試件直徑作為該文半圓彎曲重復加載疲勞試驗的支點間距。

此次半圓彎曲重復加載疲勞試驗使用UTM-25試驗機進行強度試驗和疲勞試驗兩部分試驗。通過強度試驗測試混合料的最大破壞荷載和抗拉強度。疲勞試驗采用應力控制模式，利用常規(guī)疲勞加載方式進行試驗。加載波形為半正弦波形，周期為100 ms，頻率為10 Hz。施加荷載的峰值根據(jù)混合料半圓彎曲強度試驗得到的最大破壞荷載乘以設定的應力比得到，最小荷載統(tǒng)一采用0.1 kN。試驗采用的應力比為0.1、0.2、0.3和0.4。試驗溫度采用15 ℃。半圓彎曲重復加載試驗以試件破壞作為疲勞破壞標準。

半圓彎曲重復加載疲勞試驗采用直徑150 mm和高度40 mm的半圓形試件。每組試驗采用3個平行試件，取平均值進行分析。在進行疲勞試驗前，半圓試件在15 ℃環(huán)境箱中預保溫4 h，而后進行試驗，試驗中對半圓彎曲疲勞試驗的荷載和位移進行實時采集，采集間隔時間為0.001 s。

2 結果與討論

2.1 半圓彎曲強度試驗結果

半圓彎曲強度試驗是將半圓試件在50 mm/min的變形速率和15 ℃溫度下對其垂直界面施加荷載直至破壞，記錄破壞時的最大荷載從而計算得試件底部彎拉強度，計算公式由Molenaar等[7]給出，見式(1)

(1)

式中，σt為試件底部彎拉強度，MPa；F為豎直方向荷載，N；D為試件直徑，mm；B為試件厚度，mm。

半圓彎曲強度試驗結果見表1。由試驗結果可知，15%RAP料摻量的抗拉強度大于新料，表明少量的RAP料對混合料的抗拉性能影響不大，甚至提升了其抗拉性能。隨著RAP料摻量的增加，瀝青混合料的抗拉強度隨RAP摻量的增加而逐漸減少。由于瀝青老化后拉伸變形能力下降，RAP摻量低時(少于15%)，其對瀝青混合料的影響較小，但RAP料摻量高時，瀝青老化的影響體現(xiàn)，高RAP料摻量的混合料抗拉性能降低。

表1 半圓彎曲強度試驗結果

2.2 半圓彎曲重復加載疲勞試驗結果

2.2.1 疲勞試驗過程中位移變化

半圓彎曲重復加載疲勞試驗過程中UTM軟件自動記錄試件加載點的變形位移，得到位移隨循環(huán)加載次數(shù)變化曲線，4種應力比下不同瀝青混合料位移曲線如圖2所示。可以發(fā)現(xiàn)，位移變化曲線存在兩個反彎點，曲線可以分為三個階段，即位移快速增長階段、穩(wěn)定增長階段和破壞階段。疲勞過程中的位移穩(wěn)定增長階段位移呈線性發(fā)展，不同瀝青混合料位移穩(wěn)定增長階段的斜率不同，具有較大疲勞壽命的混合料的斜率較小。斜率的大小關系為：15%RAP<0RAP<30%RAP<40%RAP<50%RAP<85%RAP，15%RAP摻量的位移增長速率最小，說明少量RAP摻量對瀝青混合料的疲勞性能沒有顯著的影響。隨著RAP摻量的增加，瀝青混合料的位移增長速率增大，疲勞性能降低，85%RAP摻量混合料位移增長速率最大，其疲勞性能也最差。高RAP摻量對混合料的疲勞性能不利。

2.2.2 疲勞破裂能

粘彈性材料的破壞是能量耗散的過程。瀝青混合料在疲勞開裂過程中，耗散的能量是由裂紋生成所需表面能和粘塑性變形能組成。每一個加載循環(huán)內(nèi)的耗散能可以通過荷載位移曲線滯后回路面積確定。單次加載循環(huán)內(nèi)，加載階段位移隨荷載增加而增大，而在卸載階段隨荷載減小位移恢復。由于試件在荷載作用下發(fā)生粘塑性變形和裂紋擴展，故而位移不能回復到初始位置，形成了滯后回路。滯后回路面積即為加載和卸載所做功之差，為疲勞破壞所消耗的單次循環(huán)疲勞破裂能。各瀝青混合料在第二階段的單次循環(huán)疲勞破裂能的平均值如表2所示。從表2中可以看出，隨著RAP摻量的增加，混合料的單次循環(huán)疲勞破裂能也隨之增加，主要原因在于RAP料中老化的瀝青增大了混合料的勁度。就疲勞損傷而言，更高的單次循環(huán)疲勞損傷造成了再生混合料有著比新混合料更大的損傷，疲勞損傷累積的速度高于新混合料，因此其疲勞壽命小于新混合料。

表2 瀝青混合料疲勞試驗穩(wěn)定破壞階段單次循環(huán)疲勞破裂能 /J

疲勞過程中所有加載循環(huán)疲勞破裂能之和為材料的總疲勞破裂能。從圖3中可以看出：各瀝青混合料疲勞破裂能隨疲勞加載次數(shù)的增加而呈線性增加，只是在臨界破壞時累積能耗有加速的趨勢，因此可以認為在疲勞加載過程中，疲勞破裂能符合Miner疲勞能耗累積的線性準則。從圖3中還可以看出，疲勞過程中總疲勞破裂能的斜率是一個平均單次循環(huán)疲勞破裂能，是單次循環(huán)破裂能的一個大概的均值。各瀝青混合料總疲勞破裂能曲線的大小與單次循環(huán)疲勞破裂能基本相同。當RAP料摻量高于30%時，疲勞損傷的速度快于新瀝青混合料，因此再生瀝青混合料的疲勞性能不如新瀝青混合料。

各瀝青混合料在不同應力比下的疲勞壽命Nf和對應的總疲勞破裂能Wf如表3所示。從表3中可以看出，疲勞壽命越大的瀝青混合料，其疲勞破裂能越大。相同的應力比下，15%和30%RAP摻量的混合料總疲勞破裂能比新瀝青混合料大，說明15%和30%RAP摻量的混合料疲勞性能好于新瀝青混合料。而后瀝青混合料的總疲勞破裂能隨RAP摻量的增加而降低，意味著瀝青混合料疲勞性能在高摻量時(高于30%)不如新混合料，且舊料摻量越高，疲勞性能下降越厲害。

表3 瀝青混合料總疲勞破裂能

3 結 論

a.半圓彎曲重復加載疲勞試驗可以有效評價不同RAP摻量瀝青混合料的疲勞性能。

b.半圓彎曲重復加載疲勞試驗過程中位移隨加載次數(shù)變化第二階段位移穩(wěn)定發(fā)展階段的斜率可以用來評價不同RAP摻量瀝青混合料的疲勞性能，RAP料摻量較小時(低于30%)，RAP摻量對瀝青混合料疲勞性能影響并不顯著；但是隨著RAP摻量進一步增加，混合料的疲勞性能隨之降低。

c.半圓彎曲重復加載疲勞試驗過程中不同RAP摻量瀝青混合料單次循環(huán)疲勞破裂能平均值存在差異，隨著RAP摻量的增加，混合料單次循環(huán)疲勞破裂能增大，更高的單次疲勞損傷造成了再生混合料有著比新瀝青混合料更大的損傷，疲勞損傷累積的速度高于新料，因而疲勞壽命不如新料。

d.不同RAP摻量的瀝青混合料的總疲勞破裂能符合Miner線性假設，瀝青混合料疲勞壽命越大，其疲勞破裂能越大。當RAP摻量低時(小于30%)，瀝青混合料的總疲勞破裂能大于新料，表明其疲勞性能得到提升。隨著RAP摻量的進一步增加，混合料的總疲勞破裂能逐漸下降，其疲勞性能也下降。因而RAP料摻量不可以過大。