再生瀝青混合料低溫抗裂性能研究

譚仕維

(廣西壯族自治區環江公路養護中心,廣西 河池 547100)

0 引言

近些年來,隨著我國交通工程建設的不斷推進,高速公路的總里程數迅速增加,其覆蓋范圍得到了巨大的改善。瀝青路面因其具有較高的整體強度、低振動、良好的穩定性等優點,在我國得到了廣泛的應用。但與此同時,在現在和未來對公路進行的翻修擴建過程中,不可避免地會產生大量瀝青廢料,瀝青廢料的隨意堆放將會對生態環境造成很大的影響,從可持續發展的理念出發,對瀝青廢料的回收再利用已經成為研究熱點。

目前,已有研究成果顯示,對于瀝青混合料回收料(Reclaimed Asphalt Pavement,RAP),除了瀝青發生了老化,混合料中其他材料的性能依然可以滿足工程要求,甚至在一定程度上可提高路面性能[1]。李曉民等[2]發現可以添加再生劑,通過促進瀝青分子的運動,達到提高瀝青再生料的低溫抗裂能力的目的。李達[3]通過試驗方法研究了RAP摻量對瀝青混合料耐久性的影響,發現RAP的摻入使得再生瀝青混合料在低溫環境下向脆化方向發展。顧興宇等[4]研究了再生混合料在凍融循環作用下的性能衰減規律,得出為充分保證再生瀝青混凝土道路的耐久性,應當對RAP摻量做出科學評估這一結論。通過前人的研究成果可以看出,RAP摻量對再生瀝青混合料的性能有很大的影響,適當的摻量可以提高公路的部分性能,但也會使再生瀝青混凝土道路的低溫抗裂性能變差。

本文為研究再生瀝青混合料的低溫抗裂性能,在控制試驗溫度為-15 ℃的情況下設計對照試驗,對試驗結果進行分析,討論鹽濃度和加載速率對再生瀝青混合料低溫抗裂性能的影響,以期為公路再生瀝青混合料路面低溫抗裂性能以及劣化機制的研究提供借鑒。

1 再生瀝青混合料配合比設計

傳統的再生瀝青混合料級配設計方法存在較大的局限性,主要原因是其僅控制RAP摻量這一個變量,使再生瀝青混合料的級配曲線盡量接近目標曲線,這種方法雖然可以減少工作量,但得到的級配曲線并不穩定,在后期會對再生瀝青混合料的性能評估產生嚴重影響。本試驗為了規避這一問題,先對舊集料進行預處理,去除雜質,然后對新舊集料統一分配,保證級配的穩定性。下料單如表1～4所示。確定的各RAP摻量下的最佳瀝青用量如下頁表5所示。

表1 0 RAP摻量再生瀝青混合料下料單表

表2 10%RAP摻量再生瀝青混合料下料單表

表3 30%RAP摻量再生瀝青混合料下料單表

表4 50%RAP摻量再生瀝青混合料下料單表

表5 各RAP摻量下的最佳瀝青用量表

2 試驗設計

2.1 試件的加工

本試驗所需的所有試件均由標準的馬歇爾試件切割完成,控制高度為64 mm。試件切割如圖1所示。

圖1 試件切割示意圖

2.2 試驗設計依據

2.2.1 鹽濃度設計

在我國多數地區,包括除冰鹽等各類鹽分子可以通過各種方式侵入路面,顯著降低瀝青與集料的粘附性。本文為探究鹽濃度對再生瀝青混合料低溫抗裂性能的影響,設置了三種氯鹽濃度,分別為0、10%和20%,在不同氯鹽濃度下進行低溫加載試驗。

2.2.2 加載速率設計

瀝青混合料的強度是由兩個部分組成的,分別為集料產生的內摩阻力和瀝青產生的粘結力。在三點彎曲斷裂試驗中,試件內部存在壓應力和拉應力,其中壓應力主要由骨架產生的內摩阻力承受,而拉應力主要由瀝青和集料之間的粘結力承受。再生瀝青混合料的強度主要取決于新瀝青和舊瀝青之間的融合程度,與正常的瀝青混合料不同,再生瀝青混合料的融合程度達不到100%,所以很多情況下,對于再生瀝青混合料在不同環境下的加載速率并沒有理論指導;同時,由于低溫情況下試件的破壞狀態為脆性破壞狀態,加載速率對再生瀝青混合料的影響是不可逆的。因此,本文為研究加載速率對再生瀝青混合料的影響,在試驗中設置了三種不同的加載速率,分別為2 mm/min、5 mm/min和10 mm/min。

2.3 試驗步驟

(1)將切割好的試件分組,貼好標簽。

(2)將貼好標簽的試件按照氯鹽濃度放入不同的水浴箱中水浴,水浴溫度為25 ℃,設定30個侵蝕周期。

(3)將低溫箱的溫度設定為-15 ℃,將試件分批次放入低溫箱,氣凍6 h。

(4)待氣凍完成后,將試件分批次取出放入保溫箱,控制每一批試件在10 min內加載完畢。

3 低溫抗裂性能研究

3.1 指標分析

試件加載曲線如圖2所示,根據加載曲線可計算試件的斷裂功,其主要原理如下。

圖2 試件加載曲線圖

Wf=?Pdu

(1)

(2)

式中:Wf——試件斷裂功(J);

P——施加的荷載(kN);

u——P對應的位移(mm);

Gf——試件斷裂能(J/m2);

r——試件半徑(mm);

a——試件切口長度(mm);

t——試件厚度(mm)。

基于能量守恒定律,可采用斷裂能評價試件低溫抗裂性能,即在低溫的環境下,外部荷載對試件施加的能量全部轉換為試件開裂所需的能量。

3.2 試件低溫抗裂性能分析

3.2.1 鹽濃度對斷裂能的影響

鹽濃度對再生瀝青混合料性能的影響如圖3所示。

(a)加載速率:2 mm/min

以加載速率為2 mm/min時為例,討論鹽濃度對再生瀝青混合料性能的影響。隨著RAP摻量逐漸增大,斷裂能逐漸減小。當RAP摻量不變時,隨著鹽濃度增大,斷裂能也逐漸減小,但隨著RAP摻量逐漸增大,試件斷裂能的下降速率隨著鹽濃度的增加而有所降低。這一規律與加載速率5 mm/min和10 mm/min兩種情況一致。分析這種現象的原因為,舊集料表面存在老化程度較大的瀝青,有較大的黏度,使氯離子難以進入,減小了鹽對瀝青路面的損傷。因此,增大RAP摻量在一定程度上可以增強再生瀝青混合料的抵抗鹽分侵蝕的能力。

3.2.2 加載速率對斷裂能的影響

加載速率對再生瀝青混合料性能的影響如圖4所示。

(a)鹽濃度:0

以鹽濃度為0時為例,討論加載速率對再生瀝青混合料性能的影響。隨著RAP摻量逐漸增大,斷裂能逐漸減小。當RAP摻量不變時,隨著加載速率減小,斷裂能也逐漸減小,這種規律在鹽濃度為10%和20%兩種情況下也滿足,說明斷裂能和加載速率之間呈現一種正相關的關系。因為能量釋放的延時效應,即當加載速率較大時,試件承受外部荷載,內部積累的能量來不及釋放,導致試件的峰值荷載提高,試件破壞時能量瞬間釋放,呈現脆性破壞的特征。而當加載速率較小時,試件內部的能量積累隨著加載逐漸釋放,在試件內部的缺陷處產生應力集中,裂隙逐漸擴展,試件呈現延性破壞的特點。

4 結語

在現在和未來對公路進行的翻修擴建過程中,不可避免地會產生大量瀝青廢料,瀝青廢料的隨意堆放將會對生態環境造成很大的影響,從可持續發展的理念出發,對瀝青廢料的回收再利用已經成為了一大研究熱點。本文為研究各項指標對再生瀝青混合料的低溫抗裂性能的影響,在控制試驗溫度為-15 ℃的情況下設計對照試驗,對試驗結果進行分析,所得主要結論如下:

(1)再生瀝青混凝土的質量受到很多因素的影響,其中最主要的就是舊集料的性能,對回收來的舊集料進行檢測和分類,確認其是否可以作為再生料使用是非常重要的。對舊集料進行預處理,去除雜質,然后采取新舊集料統一分配的方式,可以保證級配的穩定性。

(2)基于能量守恒定律,可采用斷裂能評價試件低溫抗裂性能。隨著RAP摻量逐漸增大,斷裂能逐漸減小;當RAP摻量不變時,隨著鹽濃度增大,斷裂能也逐漸減小,但隨著RAP摻量逐漸增大,試件斷裂能的下降速率隨著鹽濃度的增加有所降低。

(3)當RAP摻量不變時,隨著加載速率減小,斷裂能也逐漸減小,斷裂能和加載速率之間呈現一種正相關的關系。