不同壓實方法對乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能的影響研究

袁杰豪

（珠海香海大橋有限公司，廣東 珠海 519000）

0 引言

近年來，瀝青路面再生因顯著的社會效益、經濟效益和環保效益而在世界范圍內得到快速發展[1]，同時也成為國內外學者重點研究的方向[2]。乳化瀝青冷再生混合料的應用是銑刨料（RAP）回收利用的重要途徑之一，在節能環保和施工方便等方面表現突出，所以在公路養護工程中具有很好的技術和市場前景[3]。

隨著經濟社會的快速發展，瀝青路面面臨的交通量和軸載也不斷增加。在荷載不斷累積的情況下，疲勞開裂是瀝青路面病害的主要表現形式。而瀝青混合料疲勞性能的優劣是影響疲勞開裂的關鍵因素，因此對乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能的研究是一項非常重要的工作[3]。2012 年，Ameri 等[4]在評價高RAP 摻量再生瀝青混合料疲勞性能時發現，RAP 從0%增加到40%時，其疲勞壽命不斷增加。2013 年，華南理工大學的周源[5]在研究報告中指出，添加水泥可提高乳化瀝青冷再生混合料的強度，但疲勞性能會有一定程度減弱，2%水泥摻量時可兼顧強度和疲勞性能。這時水泥引發的冷再生混合料的脆性性質未表現出來。2015 年，王之怡等[6]采用應變控制模式進行乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能的研究。他采用擊實試驗和劈裂試驗分別確定最佳外摻水量和乳化瀝青用量，在合理應變水平下擬合勁度模量-荷載作用次數關系曲線，預估得出RAP 摻量為100%時的疲勞壽命大于摻量為80%時的疲勞壽命，進一步提出不同等級交通下的應變控制指標。2016 年，長安大學的汪德才等[7]采用應力控制模式下的間接拉伸疲勞試驗分析不同因素對乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能的影響規律，基于灰關聯熵分析方法對各因素的不同影響結果進行量化比較。試驗結果顯示，乳化瀝青蒸發殘留物針入度和RAP 摻量為疲勞性能最關鍵影響因素，乳化瀝青摻量及蒸發殘留物延度影響次之，試驗時應力水平和水泥用量影響最小。同年，Gao等[8]利用數字圖像相關技術研究了冷再生混合物的疲勞行為，與熱拌瀝青混合料相比，冷再生瀝青混合料在較低應力水平下具有更長的疲勞壽命和更大的破壞拉伸應變。2017 年，同濟大學的孫立軍等[9]針對服役多年和室內新成型的乳化瀝青冷再生混合料進行應力控制下的劈裂疲勞試驗，分析其勁度模量衰變特征和疲勞破壞階段的黏彈性特征，進一步提出了兩種混合料的疲勞破壞準則。試驗數據表明，軸載次數增加可降低剩余疲勞壽命，乳化瀝青冷再生混合料在服役初始存在一個疲勞性能增長的過程。2019 年，王清等[10]采用添加改性劑、布敦巖瀝青、SBR 膠乳3種方式欲提高乳化瀝青冷再生混合料的疲勞性能，得到5 種不同失效概率下的疲勞方程，對比發現添加再生劑和SBR 膠乳后，疲勞耐久性均顯著提高，且再生劑提升效果略勝一籌。基于上述材料改性的思路，孫建秀等[11]在冷再生混合料中加入不同種類纖維，研究結論顯示不同種類纖維對疲勞性能的貢獻程度差異較大，聚酯纖維＞聚丙烯纖維＞聚丙烯腈纖維＞無纖維＞玄武巖纖維＞木質素纖維。長安大學的呂政樺等[12]基于BP 神經網絡模型結合遺傳算法計算出乳化瀝青冷再生混合料中各組成材料的最佳配比，建立的材料摻量- 應力水平模型顯示高應力比下疲勞性能隨各材料摻量呈正相關，最后通過微觀形貌測試及元素分析得出抗疲勞開裂的機理。

上述研究中對于乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能的研究均是從材料組成比例、改性劑種類、室內試驗方法等方面展開，但是成型方式對疲勞性能的影響研究探索較少。根據已有研究成果可知，目前主流的壓實成型方式包括改進的馬歇爾擊實法、旋轉壓實法、垂直振動壓實法。改進的馬歇爾擊實法明顯落后于交通發展，且與現場實際壓實相關性較差。旋轉壓實法制備的試件雖與現場芯樣較一致，但試驗成本高且裝置難推廣[13]。垂直振動壓實法是對振動壓路機的良好模擬，且設備制造和使用較為經濟。本研究旨在通過改進的馬歇爾擊實法和垂直振動壓實法制備乳化瀝青冷再生混合料試件，并與現場芯樣的力學特性和疲勞性能進行對比分析，建立了間接拉伸疲勞方程，探索壓實方式對疲勞性能的影響。

1 原材料與試件制備

1.1 原材料

本研究中乳化瀝青冷再生混合料使用的黏結材料為SBR 膠乳改性的乳化瀝青，其技術指標見表1，符合《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG/T 5521—2019）的要求。RAP 取自當地某干線公路下面層，對其進行抽提試驗，測得RAP 中純瀝青含量為3.6%，對剩余集料進行篩分，集料級配見表2。新添加的粗細集料和礦粉由當地石灰巖礦料生產。經檢驗，其物理和力學性能指標合格，潔凈程度滿足要求。

表1 S BR 改性乳化瀝青技術指標

表2 抽提后RAP 集料級配

1.2 目標級配

乳化瀝青冷再生混合料的目標級配見表3。根據目標級配進行配合比設計，混合料中各組成材料的比例分別為：RAP80%、19-26.5 新集料14%、機制砂3%、礦粉3%。

表3 目標級配

1.3 試件制備

對于乳化瀝青冷再生混合料的室內試驗，其試件制備并沒有標準規范的方法。目前國內常用的是重錘擊實法和改進的馬歇爾擊實法。通常由重錘擊實法的最大干密度確定最佳含水率，由改進的馬歇爾擊實法的浸水前后間接拉伸強度確定最佳乳化瀝青用量。垂直振動壓實法的最佳含水量由其最大干密度確定，最佳乳化瀝青用量由其浸水前后間接拉伸強度確定，與國內常用方法相比，操作簡單，試驗誤差較小。

本研究采用改進的馬歇爾擊實法和垂直振動壓實法。這兩種試件制備方法流程如圖1 所示。對于改進的馬歇爾擊實法，首先雙面擊實50 次，然后不脫模的情況下置于60℃環境箱中直至恒重。接著再次雙面擊實25 次，最后將試件冷卻12 h 后脫模。對于垂直振動壓實法，首先在垂直振動狀態下對混合料進行壓實，然后在60℃環境箱中放置48 h，最后同樣冷卻12 h 后脫模。垂直振動壓實法的振動頻率為35 Hz，振幅為1.2 mm。

圖1 試件制備方法流程

2 試驗方法

2.1 間接拉伸強度試驗

間接拉伸強度能表征乳化瀝青冷再生混合料的抗疲勞開裂能力。其可通過萬能試驗機UTM 測定。將成型好的試件在15℃水浴中浸泡1.5 h 后測定間接拉伸強度。浸水間接拉伸強度指標是將試件在25℃水浴中浸泡23 h，再調至15℃浸泡1 h 后測定。間接拉伸強度試驗裝置如圖2 所示。

圖2 間接拉伸強度試驗裝置

2.2 間接拉伸疲勞試驗

成型圓柱形試件時的受力狀態與路面實際施工時的應力狀況相似，且圓柱形試件成型方便，所以本研究基于圓柱形試件進行間接拉伸疲勞試驗。為保證試驗較強的再現性、可靠的精準度和清晰的疲勞失效準則，疲勞試驗采用應力控制模式，測定不同應力比條件下的疲勞壽命。間接拉伸疲勞試驗參數設定見表4。

表4 間接拉伸疲勞試驗參數

除上述間接拉伸強度試驗和疲勞試驗外，本研究還涉及瀝青混合料彎曲試驗、車轍試驗、凍融劈裂試驗、浸水馬歇爾試驗等。抗彎拉強度（RB）和最大彎拉應變（εB）反映了混合料低溫抗裂性能，動穩定度（DS） 可表征高溫抗車轍能力，凍融劈裂強度比（TSR）和浸水殘留穩定度（MS0）用于評價水穩定性。各指標嚴格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）進行測定。

3 試驗結果分析

3.1 成型方法可靠性評價

評價試件成型方法可靠性的關鍵在于，分析其能否充分模擬實際壓實成型條件和效果。物理和力學性能是乳化瀝青冷再生混合料的基本性能，是材料組合設計和施工質量控制的基本指標。所以，對改進的馬歇爾擊實法、垂直振動壓實法、施工現場取芯等得到的試件進行物理和力學性能對比，以評價上述成型方法的可靠性。乳化瀝青冷再生混合料的物理和力學性能指標見表5。其中，VV 為空隙體積，MS為馬歇爾穩定度，MS1為浸水馬歇爾穩定度，R 為劈裂強度，R1為凍融劈裂強度，RC為抗壓強度，K1為改進馬歇爾擊實成型試件性能指標與現場取芯試件性能指標的比值，K2為垂直振動壓實成型試件性能指標與現場取芯試件性能指標的比值。

表5 不同成型方法試件的物理和力學性能指標

由表5 中的試驗數據可知，垂直振動壓實成型試件的物理和力學性能指標與現場取芯的比值最小為0.89，而改進馬歇爾擊實成型試件的物理和力學性能指標與現場取芯的比值最大為0.69，明顯得出垂直振動壓實成型試件更接近現場取芯試件，能很好地模擬實際現場施工情況，即采用垂直振動壓實法成型乳化瀝青冷再生混合料可靠性較高。

然后固定乳化瀝青的摻量為4%，分別添加3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%的水制備混合料，采用改性馬歇爾擊實和垂直振動壓實成型試件，以最大干密度對應的含水量為最佳摻水量。接著固定最佳外摻水量，分別添加3%、3.5%、4%、4.5%、5%的乳化瀝青成型試件，以劈裂強度和凍融劈裂強度確定最佳乳化瀝青用量。不同成型方法最大干密度、最佳外摻水量、最佳乳化瀝青用量等見表6。在此基礎上進行低溫抗裂、高溫抗車轍、水穩定性等路用性能對比分析，試驗結果見表7。

表6 不同成型方法試件的物理性能指標

表7 不同成型方法試件的物理和力學性能指標

由表7 試驗數據計算得出垂直振動壓實法的RB、εB、DS、MS0、TSR 等各指標相對于改進馬歇爾擊實法分別提高33%、11%、34%、5%、4%，即垂直振動壓實的乳化瀝青冷再生混合料的高溫抗車轍性能和低溫抗裂性能較改進馬歇爾擊實法提高34%和11%，同時水穩定性也表現出一定優勢。這是由于兩種成型方法的原理不同，垂直振動壓實法能使混合料形成穩定且致密的骨架結構，各項性能表現優異。

3.2 間接拉伸強度試驗結果

對改進馬歇爾擊實和垂直振動壓實兩種方法成型的冷再生試件進行間接拉伸強度試驗，試驗結果如圖3 所示。

圖3 不同成型方法的間接拉伸強度試驗結果

通過垂直振動壓實法成型的試件，相比于改進的馬歇爾擊實法成型的試件，間接拉伸強度及變異系數可分別提高46%和23%。所以，垂直振動壓實法在抗裂方面表現積極，且試驗數據的穩定性好。

3.3 疲勞性能試驗結果

根據2.2 節的試驗方案進行疲勞試驗，但由于在試驗方法、環境條件、試件均勻性等方面存在不同程度的離散型，導致疲勞壽命試驗數據存在離散型。為避免或盡量消除離散型帶來的試驗不準確性，本研究采用Weibull 模型數理統計方法對試驗數據進行處理。數據處理步驟如下：

（1）假設等效疲勞壽命N等符合Weibull 分布，則失效概率P 滿足式（1）。

（2）對式（1）進行對數轉換得到式（2）。

（3）將疲勞壽命試驗數據代入式（2），得到形狀參數m0、比例參數ξ，具體見表8。將得到的參數反代入到式（2）中，得到不同失效概率下（5%、50%）各應力比的疲勞壽命（見表9）。

表8 不同成型方法試件的We ibull 模型參數

表9 不同成型方法試件和失效概率的疲勞壽命

將疲勞壽命試驗結果代入到S-N 疲勞方程，然后對應力比t 和疲勞壽命Nf進行雙對數回歸，可得到一條線性的函數關系曲線，如式（3）所示。疲勞方程中的斜率n 越大，疲勞壽命隨應力比的變化越敏感；K 值越大，其所代表的疲勞方程曲線的截距也就越大，疲勞耐久性更好。

由表9 和圖4 可知，在相同失效概率下，垂直振動壓實法成型試件的疲勞曲線K 值均大于改進馬歇爾擊實成型試件，而斜率n 值正好相反，這就充分說明垂直振動壓實法成型的試件疲勞性能表現優異。這是由于垂直振動時產生的振動壓力波使集料從相對靜態變成相對動態，這一過程能克服部分內摩阻力，使集料互相連接，形成致密骨架結構，因此垂直振動壓實成型試件表現出較強的路用性能和疲勞性能。垂直振動壓實法更適用于乳化瀝青冷再生混合料的成型壓實。

圖4 不同成型方法的間接拉伸疲勞曲線

4 結語

（1）垂直振動壓實成型試件的物理和力學性能指標與現場取芯的比值最小為0.89，而改進馬歇爾擊實成型試件的物理和力學性能指標與現場取芯的比值最大為0.69，表明垂直振動壓實成型試件更接近現場取芯試件。

（2）垂直振動壓實成型試件相比于改進馬歇爾擊實成型試件，其最佳外摻水量少8.7%，最佳乳化瀝青用量少10.6%，低溫抗裂能力高11%，高溫抗車轍能力高34%，即垂直振動壓實成型試件可在較低的瀝青用量下達到較好的性能。

（3）乳化瀝青冷再生混合料的疲勞壽命服從Weibull 分布，垂直振動壓實法成型的試件具有更長的疲勞壽命。