热再生沥青混合料的疲劳特性研究

董玲云，何兆益，黄 刚，王国伟，侯 俊

(1.重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074;2.重庆重交再生资源开发有限公司，重庆401120)

目前，将废旧沥青混合料再生技术应用于沥青路面建设和养护，变废为宝，已成为建设资源节约型、环境友好型交通的要求［1］。由于再生沥青混合料中含有部分已老化的废旧沥青混合料，而再生后的沥青路面处于复杂的使用环境中，承受交通、气候等因素的综合作用，将导致再次老化现象的发生，影响再生路面使用寿命和性能。为了研究再生沥青混合料的耐久性［2］，保证再生沥青路面具有较长的使用寿命，笔者针对再生混合料和新拌沥青混合料以及模拟老化后的再生沥青混合料进行间接拉伸疲劳试验，寻找再生沥青混合料的疲劳变化规律，为今后沥青再生路面的研究提供参考。

1 材料

1.1 原材料

再生沥青混合料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)材料取自重庆渝长高速公路，经试验，其沥青含量为4.6%，回收废旧沥青各指标试验结果如表1，新沥青采用70#道路石油沥青，技术指标均满足JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》(以下简称《规范》)要求。

表1 回收废旧沥青和新沥青各指标试验结果Table 1 Test results of recycling of waste asphalt and new asphalt index

RAP材料中回收废旧集料经试验得粗集料表观密度为2.543 g/cm3，压碎值为21.6%，经筛分后级配结果见表2。再生沥青混合料级配采用AC-16C型，级配如图1。

表2 旧料级配和目标级配Table 2 Gradation of recycling of waste aggregate and target gradation /%

图1 旧料级配和目标级配Fig.1 Gradation of recycling of waste aggregate and target gradation

1.2 配合比设计

针对不同RAP掺量的再生混合料，采用马歇尔方法进行配合比设计，控制空隙率为4% ～5%，得出再生混合料的最佳沥青用量，其中的沥青包括RAP中的旧沥青。去除RAP中的旧沥青，则再生沥青混合料的实际新沥青用量如表3。

表3 再生沥青混合料中的沥青用量Table 3 Asphalt content in reclaimed asphalt mixture

设计配合比在确定的最佳沥青含量下进行高温稳定性，低温抗裂性和水稳定性检验，各指标均满足《规范》中AC-16沥青混合料的技术要求。

2 试验方法

2.1 劈裂强度试验方法

首先通过沥青混合料劈裂强度试验，确定进行疲劳试验时设计应力比的强度值，劈裂强度试验采用马歇尔试验方法成型试件，试件直径101.6 mm，高度控制在(63.5 ±1.3)mm，加载速率为50 mm/min，试验温度15℃。

按照JTG E 20—2011 T 0734—2000《公路工程沥青和沥青混合料试验规程》热拌沥青混合料加速老化方法对沥青混合料进行老化处理，即先将沥青混合料放入(135±3)℃的烘箱中，在强制通风条件下加热4h±5 min，模拟短期老化条件。然后按上述要求的试件尺寸和成型方法制作试件，将试件放入(85±3)℃的烘箱中，强制通风条件下连续加热120±0.5h，模拟长期老化条件。笔者进行的老化试验均采用该方法。

2.2 间接拉伸疲劳试验方法

研究沥青混合料疲劳性能的方法很多［3］，笔者参照欧洲标准 EN 12697-24:2003［3］采用 UTM-100伺服液压多功能材料试验机。对再生沥青混合料进行间接拉伸疲劳特性研究。试验采用应力控制，加载波形为半正矢波(Haversine)，加载频率为10 Hz，试验荷载通过一个宽12.7 mm的加载压条作用在试件上，试件预压荷载为20 kPa，预压时间30 s。试验温度 15 ℃［4］，采用 0.3，0.4，0.5，0.6，0.7 等 5 个应力比，试验中以试件竖向应变达到6%为疲劳破坏标准。间接拉伸疲劳试验试件和劈裂强度试验试件尺寸和加速老化方法完全相同。

3 试验结果及分析

3.1 劈裂强度试验结果分析

所得劈裂强度结果按照t分布法进行整理(保证率 α =97.5%)，求出劈裂强度代表值［5］，见表4。

表4 再生混合料AC-16劈裂强度Table 4 Splitting strength of recycled AC-16

分析表4可知，再生沥青混合料的劈裂强度随RAP掺量的增加而逐渐增加，这是由于RAP中的废旧沥青老化变硬变脆的结果。同时可以看出，老化后再生沥青混合料的劈裂强度较老化前的沥青混合料的劈裂强度有所增加，但增幅随RAP掺量的增加先增多后减少。当RAP掺量为10%时，老化后再生沥青混合料的劈裂强度增加较多，而当RAP掺量为50%时，老化后再生沥青混合料的劈裂强度比老化前降低，降低幅度较大。

由此可见，当RAP掺量小于30%时，再生沥青混合料的老化后劈裂强度随RAP掺量增多而增大，但当RAP掺量大于30%时，再生沥青混合料的老化后劈裂强度随RAP掺量增多而降低。这表明再生沥青混合料中RAP掺量过高会影响到再生混合料的力学性能。

3.2 老化前疲劳试验结果分析

为了确认试验数据的均匀性，同条件下的疲劳试验数据在处理前全部进行了正态测试(显著性水平0.05)，确定其满足正态分布要求。由于疲劳寿命与应力水平在单对数坐标上表现为较好的线性关系［4］。

笔者采用单对数方程进行回归拟合:

式中:(σ/s)为应力水平;n反映了再生混合料疲劳寿命对所施加应力的敏感程度，n值越大表明疲劳寿命对应力水平的敏感程度越大;k为疲劳曲线的位置，k值越大曲线越靠向上方，表明材料的抗疲劳性能越好［7］。

老化前再生AC-16间接拉伸疲劳试验值如图2。由图2可以得出，随RAP掺量的增加，再生沥青混合料的疲劳方程系数k值呈降低的趋势，这说明RAP掺量的增加降低了再生混合料的疲劳寿命。

图2 老化前再生AC-16疲劳曲线Fig.2 Fatigue curves of recycled AC-16 before aging

图2显示，随着RAP掺量的增加，疲劳曲线间距相应增大，疲劳方程系数k值和n值的降幅呈增加的趋势，说明再生沥青混合料的抗疲劳性能降低，疲劳寿命对应力的敏感性降低。图2中新拌沥青混合料(0%)的疲劳曲线和10%再生沥青混合料的疲劳曲线基本重合，其疲劳方程系数k值和n值基本相当，说明较少的RAP掺量对再生混合料疲劳性能影响不大。为了更好地表征不同RAP掺量再生沥青混合料疲劳寿命的变化规律，引入疲劳寿命比的概念，以新拌沥青混合料的疲劳方程系数k值和n值为基准值，将不同RAP掺量再生沥青混合料的疲劳方程系数k值和n值除以基准值，得到疲劳寿命比，即:

由式(2)可得，疲劳寿命比Nf(k)越大，再生沥青混合料的疲劳寿命相对新沥青混合料的疲劳寿命就降低越小，再生沥青混合料抗疲劳性能越好;反之，抗疲劳性能越差;疲劳寿命比Nf(n)越大，则再生沥青混合料疲劳寿命对应力敏感度相对新沥青混合料的降低就越小，即再生沥青混合料加载应力水平敏感性高，反之，则敏感性低。老化前再生AC-16疲劳寿命比Nf(k/n)比如表5。

表5 老化前再生AC-16疲劳寿命比Nf(k/n)Table 5 Fatigue life ratioNf(k/n)of reclaimed AC-16 before aging

由表5可得，RAP掺量越高，再生沥青混合料的疲劳寿命比就越小，疲劳寿命降低幅度就越大，抗疲劳性能就越差，而对应力的敏感程度就越低，这是由于RAP中的再生料部分经过了路面车辆荷载、气候等的长期作用，已出现了老化现象，致使再生后沥青混合料整体强度增大，和新拌沥青混合料相比，其对应力的敏感性也就降低了。

3.3 老化后疲劳试验结果分析

老化后再生AC-16间接拉伸疲劳曲线如图3。由图3可以看出，与老化试验前数据比较，长期老化后的再生沥青混合料的k值和n值都呈下降的趋势，说明再生沥青混合料在老化后，其疲劳寿命、应力敏感性都会降低。

图3 老化后再生AC-16疲劳曲线Fig.3 Fatigue curves of recycled AC-16 after aging

长期老化后再生AC-16疲劳寿命比Nf(k/n)如表6。

表6 长期老化后再生AC-16疲劳寿命比Nf(k/n)Table 6 Fatigue life ratioNf(k/n)of reclaimed AC-16 after aging

从表6可得，长期老化后，RAP掺量越高，再生沥青混合料疲劳寿命比越小，疲劳寿命越短，同时，对应力敏感程度降低。对比表5和表6可知，长期老化后再生沥青混合料的疲劳寿命比小于老化前的疲劳寿命比，并且RAP掺量越高，疲劳寿命比越低。因此，据疲劳性能而言，随着RAP掺量的提高，再生沥青混合料的耐久性将越差，同时，再生沥青混合料的老化状态也将直接影响其耐久性。

为表征老化前后沥青混合料疲劳寿命的损失程度，引入疲劳寿命损失率F(k)的概念。F(k)表示长期老化后疲劳方程的系数k值的减少幅度，其值越大，表示模拟老化后沥青混合料的疲劳寿命损失越大;反之，则越小。其值由式(3)计算得到:

式中:F(k)为沥青混合料模拟老化后疲劳寿命损失率，%;Fs(k)为k的损失量，其值为老化前再生沥青混合料与老化后沥青混合料疲劳方程中系数k值的差值;F0(k)为模拟老化前沥青混合料疲劳方程系数k值。

由式(3)可以计算老化后新沥青混合料和再生沥青混合料的疲劳寿命损失率F(k)，见表7。

表7 模拟老化前后再生AC-16疲劳寿命损失率F(k)Table 7 Fatigue life loss ratioF(k)of reclaimed AC-16 before and after aging

从表7可知，再生沥青混合料疲劳寿命损失率F(k)要比新沥青混合料的大，损失率F(k)随RAP掺量的增加而增加，这说明再生沥青混合料经过老化后，其耐久性能的降低比新拌沥青混合料更严重。

试验中，观察试件的疲劳变形特征发现，在应变为0%～2%阶段，长期老化后的再生沥青混合料试件的垂直变形随荷载作用次数的增加而缓慢增大，但应变在2%左右时变形会急剧增大，直至破坏，这一过程非常短暂，大多试件呈现脆性断裂。这说明经过长期老化后的再生沥青混合料更硬更脆，抵抗荷载反复作用的能力更弱，疲劳寿命更短。

4 结论

1)再生沥青混合料的劈裂强度随RAP掺量的增加而逐渐增加。老化后再生沥青混合料的劈裂强度较老化前的再生沥青混合料的劈裂强度有所增加，但增幅随RAP掺量的增加先增多后减少，说明再生沥青混合料中RAP掺量过高会影响到再生混合料的力学性能。

2)老化前，再生沥青混合料随RAP掺量的增加，其疲劳寿命和应力敏感度呈降低的趋势，RAP掺量越高，再生沥青混合料的疲劳寿命比就越小，疲劳寿命降低幅度就越大，少量的RAP掺量对再生混合料的疲劳性能影响不大。

3)经长期老化后，再生沥青混合料的疲劳寿命随RAP掺量增多而降低，长期老化后再生沥青混合料的疲劳寿命比要小于未老化的再生沥青混合料，并且随RAP掺量的提高，疲劳寿命比越低。因此，就疲劳性能而言，随着RAP掺量的提高，再生沥青混合料的耐久性将越差。

4)长期老化后，再生沥青混合料的损失率F(k)要比新沥青混合料的大，损失率随RAP掺量的增加而加大，表明再生沥青混合料经过老化后，其耐久性能的降低比新拌沥青混合料更严重，且RAP掺量越高，再生沥青混合料的耐久性降低越严重。

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