基于断裂试验的再生沥青混合料中温抗裂性能

陈正伟, 朱月风, 张洪亮, 宋 彬

(1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西 西安 710064; 2.石家庄铁道大学 交通运输学院,河北 石家庄 050043; 3.陕西省交通建设集团公司 安平高速公路管理处,陕西 安康 725000)

基于断裂试验的再生沥青混合料中温抗裂性能

陈正伟1, 朱月风2, 张洪亮1, 宋 彬3

(1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕西 西安 710064; 2.石家庄铁道大学 交通运输学院,河北 石家庄 050043; 3.陕西省交通建设集团公司 安平高速公路管理处,陕西 安康 725000)

文章基于半圆弯拉(semi-circular bending,SCB)试验方法,在25 ℃条件下,对不同再生沥青路面(recycled asphalt pavement,RAP)材料掺量、不同级配以及长期老化条件下的再生沥青混合料进行了断裂试验,得到不同沥青混合料断裂能,并采用柔性指数对不同沥青混合料的中温抗裂性能进行了评价。结果表明:不同再生沥青混合料的断裂能数值较为接近,不能很好地表征沥青混合料的抗裂性能;而柔性指数体现了材料的固有断裂属性;再生沥青混合料的抗裂性能受RAP掺量及混合料老化的影响较大,随着RAP掺量的增加及混合料的长期老化,沥青混合料的抗裂性能均有不同程度降低,在实际应用中应对再生材料的用量加以控制,并注重老化后的抗裂性能。

断裂试验;半圆弯拉(SCB)试验;柔性指数;断裂能;再生沥青混合料

0 引 言

再生沥青路面(recycled asphalt pavement,RAP)材料是一种非常有价值的资源,早在20世纪30年代,国外就开始在路面建设中使用RAP材料[1],随着原油价格的增长及环保意识的增强,RAP材料的应用越来越普遍。在新修建的沥青路面中掺加一定量的RAP材料,可以节约沥青和集料用量,其经济价值显而易见[2]。但是,RAP材料中的沥青由于发生了老化而变硬变脆,掺加到新沥青中制备再生沥青混合料时,其力学性能会发生变化,使得再生沥青混合料的抗裂性能会出现一定程度的下降[3]。

沥青路面的开裂行为已成为困扰道路研究工作者的难题,通常认为随着再生沥青含量的增加,沥青混合料的疲劳寿命会降低,这是因为较高模量和较低松弛能力的再生材料会加速开裂和裂缝扩展的发生。对于沥青混合料的疲劳开裂能力,通常使用拉伸-压缩疲劳试验[4]进行评价。文献[5]使用拉伸-压缩试验,对wRAP为0、15%、25%、40%的再生沥青混合料疲劳寿命进行研究评价时发现,wRAP为40%的疲劳寿命最高,wRAP为15%、25% 时有相同的疲劳寿命,这与实际不相吻合。另外一种模拟疲劳试验的方法为小梁弯曲试验,文献[6-7]研究发现,随着RAP掺量的增加,沥青混合料的疲劳寿命略微增加;文献[8]同样发现wRAP从10%增加到30%时,沥青混合料的疲劳寿命略微增加。然而,文献[9-10]研究发现,不同RAP掺量的沥青混合料的疲劳开裂寿命并无规律。

近年来,沥青混合料断裂试验引起了广泛关注,例如半圆弯拉(semi-circular bending,SCB)试验、Fenix试验以及半圆拉伸(disk-shaped compact tension,DCT)试验等[11]。其中,SCB试验操作简便、经济性强,比Fenix试验及DCT试验更有优势[12]。文献[13]研究发现,SCB试验既能够评价实验室制作的试件,又能评价实地钻芯取样试件;文献[14]研究发现,在使用SCB试验评价沥青混合料的中温断裂性能时,仅采用试验中致使试件断裂时消耗的能量来进行表征是不够的;文献[11]采用柔性指数对沥青混合料的中温抗裂能力进行了评价,取得了很好的研究结果,并在实地性能中得到了证明。

本文综合考虑不同级配、不同RAP掺量及老化的再生沥青混合料的中温抗裂性能,并采用柔性指数对不同沥青混合料的抗裂性能进行研究,为更好地利用RAP资源提供一定的借鉴。

1 材料与试验

1.1 试验材料

选取1种基质沥青,其性能分级为PG64-22,根据Superpave试验方法,分别进行了动态剪切流变试验(dynamic shear rheometer,DSR)、薄膜烘箱老化试验(rolling thin film oven,RTFO)、压力老化试验(pressure aging vessel,PAV)及弯曲梁流变试验(bending beam rheometer,BBR)等,得到沥青的基本力学性能指标,见表1所列。沥青混合料类型、体积指标及对应的级配状况见表2、表3所列。

表1 沥青基本指标

表2 沥青混合料类型及体积指标

表3 沥青混合料集料级配状况

注:筛孔尺寸单位为mm。

采用旋转压实仪制作直径为150 mm,高为170 mm试件,在室内放置24 h后,根据文献[11]中的SCB试验方法,制作标准SCB试件,即SCB试件的直径为150 mm,厚度为50 mm,并预制15 mm的裂缝,如图1所示。

图1 SCB试件尺寸及试验装置简图

1.2 试验方案

1.2.1 SCB试验

(1) 试验条件与步骤。首先,将SCB试件放在25 ℃的温度控制箱内4 h,取出SCB试件并放在MTS试验机上,SCB试件底部有2个圆棒作为支撑,支撑的距离一般选为试件直径的0.8倍,在半圆试件顶部中间位置用圆棒加载,采用圆棒作为支撑和加载可以减少试件与加载装置之间的摩擦力,使试件受力简单化,装置简图如图1所示。

SCB试验时采用恒定的裂缝开口位移控制模式,控制速率为50 mm/min。随着试验的进行,将荷载和裂纹开口位移数据记录下来,以计算需要的断裂参数。试验时,每种混合料至少有3个重复试件,以排除偶然误差的影响,在结果分析时取多个试件的平均值。

(2) 数据分析方法。SCB试验的典型荷载-位移输出结果如图2所示。

图2中,WD为SCB试件断裂过程中所做功;Pmax为试验最大荷载;u0为最大荷载对应的位移值;u1为临界位移,由拐点处的斜率延长线得到;uf为实验结束时的位移;m为拐点处的斜率。u1和m值与沥青混合料的抗裂性能相关,u1越大,沥青混合料的延展性越强,抗裂性能越好。

断裂能Gf的计算公式为:

(1)

其中,h为试件厚度;l为试件的初始断裂区长度。

柔性指数(flexibility index,FI)IF的计算公式为:

(2)

其中,m为荷载-位移曲线最大荷载后的拐点处斜率,为负数,公式中取其绝对值;A为常系数,取0.01。 FI体现了材料固有的断裂性质,其值大小与裂缝扩展速率相关。

1.2.2 沥青混合料长期老化试验

本文考虑了长期老化对再生沥青混合料中温抗裂性能的影响。首先,在135 ℃环境下强制通风加热4 h对沥青混合料进行短期老化,将松散沥青混合料碾压成型,切割成SCB试件大小。其次,将短期老化后切好的试件放入85 ℃烘箱中进行120 h的长期老化。

2 结果与讨论

2.1 SCB试验结果

老化前不同wRAP及不同级配的沥青混合料的断裂能如图3所示。

图3 老化前不同沥青混合料断裂能对比

从图3可以看出,不同RAP掺量及不同级配的沥青混合料的断裂能相差不大,这与文献[11]相一致,无法确定不同再生沥青混合料的中温抗裂能力。

不同RAP掺量及不同级配的沥青混合料柔性指数对比如图4所示。

图4 老化前不同沥青混合料的柔性指数对比

从图4可以看出，对于AC-13沥青混合料，当RAP掺量从10%增加到30%时，柔性指数降低了36%；对于AC-16沥青混合料，柔性指数降低了50%。其原因为RAP含量中的沥青老化变脆，掺加到新的沥青混合料中时，会影响再生沥青混合料的松弛能力和延展性等，因此高RAP质量分数的再生沥青混合料的韧性指数偏低，更容易发生开裂现象。

2.2 老化对抗裂性能的影响

长期老化后的再生沥青混合料断裂性能对比如图5所示,与图3结果相比,沥青混合料的断裂能有明显降低,不同混合料的下降比率约为25%,说明长期老化试验严重降低了沥青混合料的抗裂性能,但各种沥青混合料的断裂能相差不大。

图5 老化后不同沥青混合料断裂能对比

长期老化后沥青混合料的柔性指数(FI)对比如图6所示，与未老化的沥青混合料相比有较为明显的降低；以wRAP=20%的AC-16沥青混合料为例，老化前FI约为13，老化后FI不足9，FI降低了30%以上。

图6 老化后不同沥青混合料的柔性指数对比

3 结 论

(1) SCB试验受力简单,经济性和时间成本与传统拉伸-压缩试验相比有很大优势,试验中获得的荷载-位移曲线容易分析,并可得到材料的固有属性信息。

(2) 根据SCB试验数据,采用柔性指数对不同RAP掺量、不同级配及长期老化条件下的再生沥青混合料的中温抗裂能力进行了评价,结果表明,高RAP掺量的再生沥青混合料的抗开裂能力较差,且经过长期老化试验后的抗裂性能进一步降低。

(3) 柔性指数能够表征不同沥青混合料的抗裂性能,下一步需要对柔性指数的临界值进行研究,以更好地为再生沥青材料在实际道路中的应用创造条件。

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Intermediatetemperaturecrackingpropertyofrecycledasphaltmixtureusingfracturetest

CHEN Zhengwei1, ZHU Yuefeng2, ZHANG Hongliang1, SONG Bin3

(1.Key Laboratory for Special Area Highway Engineering of Ministry of Education, Chang’ an University, Xi’ an 710064, China; 2.School of Traffic and Transportation, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China; 3.Anping Expressway Management Division, Shaanxi Provincial Communication Construction Group, Ankang 725000, China)

Based on the semi-circular bending(SCB) test method, the fracture test was conducted on recycled asphalt mixture at 25 ℃ with different recycled asphalt pavement(RAP) content, gradation and long-term aging condition. The fracture energy of different asphalt mixtures was obtained, and the flexibility index was developed to evaluate the intermediate temperature cracking ability of different asphalt mixtures. The results show that the values of fracture energy of different asphalt mixtures are very close, which is not suitable to evaluate the intermediate temperature cracking property. However, the flexibility index can reflect the fundamental fracture behavior of different mixtures. It is shown that the RAP content and aging condition have significant influence on cracking property of asphalt mixtures. With the increase of RAP content and long-term aging, the cracking property of asphalt mixtures decreases, which means that RAP content should be controlled in the future application and the cracking property after aging should not be ignored.

fracture test; semi-circular bending(SCB) test; flexibility index; fracture energy; recycled asphalt mixture

2016-07-04；

2017-03-13

安康市科技局资助项目(2015AK04-02)

陈正伟(1975-),男,浙江浦江人,长安大学博士生;

朱月风(1990-),男,河北唐山人,博士,石家庄铁道大学讲师,通讯作者,E-mail:954366420@qq.com;

张洪亮(1974-),男,山东枣庄人,博士,长安大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.09.021

U416.217

A

1003-5060(2017)09-1260-05

(责任编辑 张淑艳)