基于超聲波法的凍融作用下冷再生混合料路用性能預測研究

楊彥海,岳靚,楊野,2*

(1.沈陽建筑大學 交通與測繪工程學院,沈陽 110168；2.大連海事大學 交通運輸工程學院,遼寧 大連 116026)

0 引言

冷再生技術是一種低碳環保型筑路技術，能夠充分發揮其能源消耗低、環境污染小、性價比高的特點對廢舊瀝青路面材料進行再生利用，目前在國內外已廣泛使用[1-2]。然而我國幅員遼闊，季節性冰凍區分布廣泛，占國土面積的50%以上，且隨著近年來南方地區的降雪冰凍天氣明顯增加，使得冷再生材料鋪筑的路面在季凍區服役過程中需要承受更多的凍融循環作用。通過大量的實際工程鉆芯取樣發現，凍融循環作用下由于溫度應力和凍脹力以及行車荷載的作用，冷再生層芯樣往往因強度不足而普遍出現破碎和松散等現象。因此，對凍融作用下冷再生混合料路用性能的精準預測可以有效預防路面病害的產生。然而，傳統的路面評價與檢測過程通常先鉆取路面材料芯樣，再通過標準室內試驗獲得相應性能，其鑒定過程復雜，試驗周期較長[3-4]，且對原有路面造成不可逆的損傷。因此，本研究針對利用超聲波無損檢測技術預測凍融作用下冷再生混合料路用性能進行研究。

超聲波法在土木工程中的應用最早始于20世紀40年代的英國、加拿大等國家，20世紀70年代以來得到了迅猛的發展。近年來，國內外學者對于超聲波檢測技術的研究主要集中在利用超聲波檢測水泥混凝土材料的配合比參數、強度參數、損傷演變規律以及凍融循環作用下的內部損傷特性等[5-11]。而對于瀝青混合料，顧興宇等[12]研究了瀝青混凝土超聲波檢測的衰減特征與影響因素。齊蘭[13]建立了基于超聲波探測的路面無損檢測模型和方法，為高速公路的路面結構質量檢測提供支撐服務。于函[14]運用超聲波檢測技術對透水混凝土試件的超聲波波速進行測定，研究了超聲波波速與總孔隙率、干密度、滲透系數、抗壓強度及抗折強度之間的關系，并在凍融耐久性試驗中采用超聲波波速的凍融損傷度、超聲波波速損失率與質量損失率3種凍融損傷評價指標評價透水混凝土凍融損傷劣化程度。潘曉軍[15]建立超聲波在瀝青路面中傳播的模型，分析超聲波在瀝青混凝土路面中的傳播衰減規律，分析并推導了瀝青混凝土路面黏彈性對超聲波的衰減作用以及黏彈性介質與超聲波速度的關系式。Norambuenacontreras等[16]提出了在特定溫度下瀝青混合料動態模量的超聲波測定方法，但此方法的測定結果普遍大于動態試驗計算的動態模量。針對較為致密以及多孔的混合料，該研究給出了不同的修正系數，以利用修正超聲波法測定的動態模量。崔新壯等[17]測試不同高度與不同損傷狀態試件的超聲波速，研究瀝青混合料內部損傷對超聲波速的影響規律，并對其進行尺寸效應修正。易軍艷[18]將超聲波檢測技術引入瀝青混合料的凍融試驗中，但凍融循環試驗中溫度、含水率及空隙率等因素變化頻繁，混合料動態模量、密度以及裂紋尺寸與深度對超聲波檢測結果影響較大[19]，直接對凍融循環后的馬歇爾試件進行超聲波速檢測結果準確性較差[20-21]。根據瀝青混合料微細觀結構特點以及試驗條件，探究試驗過程中影響超聲波速的因素，提出超聲波速修正時間公式或采取多個測量點進行測量的方式，能夠消除部分材料自身因素以及人為因素對試驗數據的影響。修正的超聲波速往往與瀝青混合料經凍融后的強度性能呈現良好的相關關系，通過擬合得到的經驗公式預測混合料的強度性能具有一定的可靠性[22-24]。

目前，超聲波檢測技術在道路工程中的應用仍處于探索階段。本研究在乳化瀝青冷再生混合料性能試驗的基礎上，利用超聲波檢測技術對凍融作用下冷再生混合料路用性能進行預測，建立凍融循環次數與路用性能衰變的關系，從而避免實際檢測對原有路面造成損傷，實現路用性能無損檢測。

1 試件制備與試驗方法

1.1 原材料與配合比設計

本研究使用的瀝青混合料回收料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)來自遼寧省某一級公路的銑刨料，試驗時將其篩分成單粒徑使用。新集料來自遼寧省遼陽市的石灰巖堿性集料，為保證乳化瀝青冷再生混合料的強度和性能，試驗中添加了30%的石灰巖。乳化瀝青為慢裂型陽離子乳化瀝青。水泥為遼寧省某廠生產的32.5普通硅酸鹽水泥。試驗中使用的水為潔凈，不含油污、泥土等雜質的飲用水。本研究使用的原材料均滿足相關規范要求。

本研究采用的級配類型是中粒式乳化瀝青冷再生混合料。首先按照級配要求進行RAP和水泥、新集料和水泥的配合比設計，并按照合成新舊集料質量比為3∶7的比例得到最終合成級配，其級配曲線如圖1所示。根據《公路瀝青路面再生技術規范》(JTG/T 5521—2019)[25]規定，通過空隙率、15 ℃劈裂強度、干濕劈裂強度比等確定最佳乳化瀝青用量為3.5%，外摻最佳含水率為3.0%。

圖1 級配曲線Fig.1 Gradation curve

1.2 凍融循環試驗

將成型的標準馬歇爾試件在壓強為98.3～98.7 kPa的真空條件中做真空飽水處理，然后將其取出放入袋中，注入3～5 mL水后密封[26]并放入凍融循環箱中，設定凍結溫度為-20 ℃，融化溫度為20 ℃。試件中心溫度先從室溫降至-20 ℃后保溫1 h，再升溫至20 ℃后保溫1 h，此過程作為1次凍融循環，分別進行0、5、10、15、20次凍融循環。

2 凍融作用下冷再生混合料路用性能

2.1 高溫穩定性

本研究采用高溫單軸貫入強度試驗測得的高溫貫入強度來評價冷再生混合料的高溫穩定性。試驗前先將試件與直徑為28.5 mm的壓頭置于60 ℃烘箱中保溫6 h，試驗加載速率為1 mm/min，分別對凍融0、5、10、15、20次后的冷再生混合料試件進行高溫貫入試驗。試驗結果如圖2所示，貫入深度增長率和強度損失率見表1。

圖2 高溫貫入試驗結果Fig.2 The results of high temperature penetration test

表1 貫入深度增長率及貫入強度損失率Tab.1 Penetration depth growth rate and penetration strength loss rate

由圖2與表1可知，乳化瀝青冷再生混合料的高溫穩定性隨著凍融循環次數的增加而降低。未經凍融處理的冷再生混合料貫入強度為1.07 MPa，貫入深度為1.19 mm；經歷20次凍融循環后，冷再生混合料貫入強度降為0.70 MPa，貫入深度為1.65 mm。其中，第10次凍融到第15次凍融后混合料的貫入深度增長及強度損失最為明顯；第5次凍融到第10次凍融次之；20次凍融循環后的貫入深度增長累計達38.65%，貫入強度損失累計達34.57%。

2.2 低溫抗裂性

本研究采用低溫劈裂試驗測得的低溫劈裂強度來評價冷再生混合料的低溫抗裂性。試驗前先將經歷不同凍融循環次數的試件置于環境箱中保溫5 h以上，試驗溫度控制為-10 ℃，試驗加載速率為1 mm/min，分別對凍融0、5、10、15、20次后的冷再生混合料試件進行低溫劈裂試驗。試驗后試件如圖3所示，試驗結果如圖4所示，低溫劈裂強度損失率見表2。

圖3 低溫劈裂試驗Fig.3 Low temperature splitting test

圖4 低溫劈裂試驗結果Fig.4 The results of low temperature splitting test

表2 低溫劈裂強度損失率

由圖3可知，在低溫劈裂試驗后，試件的破壞形式以沿徑向分布的貫穿裂縫為主，各試件破壞形式趨于一致，說明試件成型比較均一，變異性較小。試件隨凍融次數的增加，其表面變得粗糙且有少量細集料脫落，主裂紋寬度與條數明顯增加，說明凍融作用使得膠漿性能受到損傷，其界面黏結強度下降，隨著損傷積累出現微裂紋，微裂紋不斷萌生、擴展、搭接和貫通，最終造成在細觀層面上混合料空隙增大，從而導致混合料宏觀性能的衰減與路面病害的產生。由圖4與表2可知，乳化瀝青冷再生混合料的低溫抗裂性隨著凍融循環次數的增加而降低。未凍融試件低溫劈裂強度為1.03 MPa；經歷20次凍融循環后，低溫劈裂強度為0.56 MPa。其中，第5次凍融到第10次凍融后混合料的強度損失最為明顯；第10次凍融到第15次凍融次之；20次凍融循環后的低溫劈裂強度損失累計達45.78%。

2.3 水穩定性

本研究采用劈裂試驗測得的劈裂抗拉強度及凍融劈裂強度比(TSR)來評價冷再生混合料的水穩定性。分別對凍融0、5、10、15、20次后的冷再生混合料試件進行凍融劈裂試驗。試驗后試件如圖5所示，試驗結果如圖6與表3所示。

圖5 凍融劈裂試驗Fig.5 Freeze-thaw splitting test

圖6 凍融劈裂試驗結果Fig.6 The results of freeze-thaw splitting test

表3 凍融劈裂強度損失率Tab.3 Freeze-thaw splitting strength loss rate

由圖5可知，在凍融劈裂試驗后，試件的外觀表現、破壞形式及分布與未凍融情況下試件相同，但裂縫貫穿的同時伴隨著多條支縫，破壞程度更為嚴重。由圖6與表3可知，冷再生混合料的水穩定性隨著凍融循環次數的增加而降低。未經凍融處理的冷再生混合料劈裂強度為0.70 MPa；經歷20次凍融循環的冷再生混合料劈裂強度為0.53 MPa，TSR為73.2%，低于規范值75%。其中，凍融劈裂強度最明顯損失發生于凍融15次到凍融20次；20次凍融循環后的強度損失率累計達24.67%。

綜上所述，冷再生混合料經歷不同次數的凍融循環作用后，高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性均有不同程度的衰減，且呈現出一定的規律性，其原因主要在于凍融循環作用破壞了膠漿與集料間的黏結性以及集料相互嵌擠形成的骨架效應，致使混合料內部黏聚力明顯降低，進而導致路用性能的顯著降低。

3 凍融作用下冷再生混合料超聲波檢測

冷再生混合料在經歷0、5、10、15、20次凍融循環后，利用非金屬超聲檢測儀對其超聲波速進行測定。由于冷再生混合料表面粗糙，測定超聲波速時在探頭表面涂上適量的凡士林，從而排除探頭與試件表面的空隙中空氣，提高測量精度。此外，為了使測試數據更為準確，每個試件分別選取5個測點進行超聲波速測定并取其平均值作為測定結果。

根據以上試驗方案分別對凍融0、5、10、15、20次后的冷再生混合料試件進行超聲波檢測，每組凍融循環分別設置3個試件進行超聲波速測試，測試結果見表4。

表4 超聲波速測試結果Tab.4 The results of ultrasonic velocity test

由表4可知，隨著凍融循環次數的增加，冷再生混合料試件的超聲波速逐漸減小，平均每增加5次凍融循環超聲波速降低4%～6%。其原因在于凍融循環作用造成了瀝青混合料內部損傷，內部出現新的空隙，同時大量閉口空隙相互連通，導致混合料空隙率增大。超聲波在水與空氣中的傳播速度低于在瀝青混合料中的傳播速度，因此水與空氣填充于混合料內部新增的空隙中后，試件超聲波速降低。

4 超聲波速與路用性能關系建立

為建立超聲波速與冷再生混合料路用性能的相關關系，本研究對超聲波速與高溫貫入強度、低溫劈裂強度、TSR進行指數函數擬合，計算公式為

σ=aebv。

(1)

式中：σ為瀝青混合料性能指標；v為超聲波速；a、b均為回歸系數。

由于真空飽水處理過程中的水無法浸入閉口空隙中，但試件經凍融循環作用后，試件固有的微裂紋、閉口空隙以及開口空隙相互連通，產生了新的開口空隙，水和空氣逐漸分布其中。而超聲波在水中、空氣中和混凝土中的傳播速度相差甚遠，這就不可避免地改變了超聲波速的傳播特性。因此，超聲波速與路用性能指標擬合結果需要采用修正時間公式[27]對飽水混合料的超聲波速進行修正，以減緩開口空隙中的水的影響，計算公式為

(2)

式中：t為開口空隙超聲波速修正時間，μs；Sa為試件的吸水率，%；h為試件高度，mm；Vw為超聲波在水中的傳播速度，取1.5×103m/s。

綜上所述，將超聲波在冷再生試件中的實測傳播時間與按公式(2)計算得到的修正時間求和，其結果即為削弱開口空隙中受水的影響后超聲波在試件中的理論傳播時間，并將冷再生瀝青混合料的路用性能指標與修正后的超聲波速進行擬合，擬合結果如圖7—圖9所示。

圖7 高溫貫入強度擬合結果Fig.7 The fitting results of high temperature penetration strength

圖8 低溫劈裂強度擬合結果Fig.8 The fitting results of low temperature splitting strength

圖9 TSR擬合結果Fig.9 The fitting results of TSR

由圖7—圖9可知，修正后的超聲波速與高溫貫入強度(σP)、低溫劈裂強度(RT)、凍融劈裂強度比(TSR)的擬合函數(TSR)如公式(3)—公式(5)所示。

σp=0.172 71e0.000 850 964v，R2=0.934 21 。

(3)

RT=0.064 7e0.001 33v，R2=0.951 31 。

(4)

TSR=26.146 98e0.000 627 981v，R2=0.948 98 。

(5)

由公式(3)—公式(5)可知，修正后的超聲波速與路用性能的相關性較好，R2分別達到0.934 21、0.951 31、0.948 98，且不同凍融循環次數的測試值集中現象得到改善。因此，通過修正時間公式修正超聲波速的方法能夠有效地減緩開口空隙中水分的影響，修正后的超聲波速更接近冷再生混合料中超聲波真實的傳播速度，修正后的超聲波速與高溫貫入強度、低溫劈裂強度、TSR的擬合函數可以用于混合料路用性能預測。

5 冷再生混合料路用性能預測分析

本研究通過測量不同凍融循環次數下的超聲波速，利用超聲波速與路用性能之間的關系，得到凍融循環次數與路用性能之間的聯系，從而利用回歸擬合方程建立起路用性能的預測模型，實現對季凍區凍融作用下冷再生混合料的路用性能預測。本研究分別對凍融3、7、12、17次后的冷再生混合料試件進行超聲波速檢測，檢測結果見表5。并根據公式(3)—公式(5)預測其高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性，預測結果見表6。

表5 不同凍融循環次數下的試件超聲波速檢測結果Tab.5 The ultrasonic velocity test results of specimens under different freeze-thaw cycles

表6 冷再生混合料路用性能預測值Tab.6 Prediction value of road performance of cold recycled mixture

為了驗證預測結果的準確性，分別補充凍融3、7、12、17次后的冷再生混合料高溫貫入試驗、低溫劈裂試驗和凍融劈裂試驗，試驗結果見表7。高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性折減如圖10所示。

表7 冷再生混合料路用性能實測值Tab.7 Measured value of road performance of cold recycled mixture

圖10 凍融循環下冷再生混合料性能折減Fig.10 Performance reduction of cold recycled mixture under freeze-thaw cycle

由表7及圖10可知，高溫貫入強度、低溫劈裂強度和TSR均隨著凍融循環次數的增長呈現出不同程度的折減。其中，第7次至第12凍融循環貫入強度損失12.54%，接近第10次至第15凍融循環貫入強度損失13.87%的結果；第7次至第12凍融循環低溫劈裂強度損失17.22%，接近第5次至第10凍融循環貫入強度損失18.52%的結果；經歷3、7、12、17次凍融循環后，冷再生混合料TSR的平均值分別為94.4%、87.2%、82.3%和75.9%，與經歷5、10、15、20次凍融循環后的冷再生混合料TSR的平均值92.1%、86.8%、80.3%和73.2%相比具有一定的合理性。因此，補充的凍融3、7、12、17次后的冷再生混合料路用性能試驗數據具有一定的正確性，能夠用于性能預測分析。

本研究將高溫貫入強度、低溫劈裂強度、TSR的預測值與試驗實測值進行對比，預測結果誤差值統計見表8。

由表8可知，高溫貫入強度、低溫劈裂強度和TSR的預測誤差均保持在6%以下，預測結果具有一定的準確性。根據不同凍融循環次數下冷再生混合料路用性能試驗實測值與預測值的平均值，繪制實測曲線及預測曲線分別如圖11—圖13所示。

表8 路用性能試驗預測誤差Tab.8 Prediction error of road performance test

圖11 高溫貫入強度預測曲線Fig.11 High temperature penetration strength prediction curve

圖12 低溫劈裂強度預測曲線Fig.12 Low temperature splitting strength prediction curve

圖13 TSR預測曲線Fig.13 TSR prediction curve

由圖11—圖13可知，隨著凍融循環次數的增加，冷再生混合料高溫貫入強度、低溫劈裂強度和TSR的試驗實測值與預測值均有不同程度的折減，且二者的變化規律較為一致，高溫貫入強度、低溫劈裂強度、TSR的預測誤差較小。因此，利用修正后的超聲波速預測冷再生混合料的路用性能具有一定的可靠性。

6 結論

本研究通過檢測在不同凍融循環次數作用下乳化瀝青冷再生混合料試件的超聲波速并進行修正，建立了超聲波速與路用性能之間的相關關系，從而實現了利用超聲波速預測冷再生混合料高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性的目的。通過以上分析，本研究得到結論如下。

(1)冷再生混合料試件的超聲波速隨凍融循環次數的增加明顯降低，平均每增加5次凍融循環超聲波速降低4%～6%。

(2)分別建立了超聲波速與高溫貫入強度、低溫劈裂強度和TSR的擬合函數，且能夠用于混合料路用性能預測。

(3)根據擬合公式分別對冷再生混合料高溫貫入強度、低溫劈裂強度和TSR進行預測，預測誤差均保持在6%以下。因此，超聲波法預測冷再生混合料的路用性能具有一定的準確率及可靠性。