不同改性方式对乳化沥青冷再生混合料疲劳性能的影响

王 清，汪德才，都敬丽

(1.河南交通职业技术学院 公路学院，河南 郑州 450015；2.郑州大学 水利与环境学院，河南 郑州 450000；3.河南省道路材料与结构工程技术研究中心，河南 郑州 450006；4.河南省交通科学技术研究院有限公司，河南 郑州 450006)

0 引 言

近年来，乳化沥青冷再生技术以其沥青旧料掺量高、施工便捷、环境效益明显等优势在道路维修改造中得到广泛应用，但冷再生路面耐久性不足的问题在一定程度上限制了该项技术的推广应用。乳化沥青冷再生混合料的疲劳特性是重要的路面性能，目前关于乳化沥青冷再生混合料疲劳特性的研究主要集中在试验方法、疲劳破坏特征、控制指标及寿命预估方程等方面，而且大多是针对普通乳化沥青冷再生混合料疲劳性能的研究，对于乳化沥青冷再生混合料疲劳性能提升方面的研究较少[1-7]。

本文基于应力控制模式下的间接拉伸劈裂试验，研究添加再生剂(Rejuvenation Agent，RA)、布敦岩沥青(Buton Rock Asphalt, BRA)以及采用SBR改性乳化沥青后的乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能，并与普通乳化沥青冷再生混合料进行对比分析，探讨再生剂、布敦岩沥青及SBR改性乳化沥青对冷再生混合料疲劳性能的提升效果；同时，利用双参数Weibull分布理论分析乳化沥青冷再生混合料的疲劳试验结果，以期对乳化沥青冷再生材料的组成设计提供一些参考，进一步提升乳化沥青冷再生路面的耐久性。

1 材料组成

(1)旧沥青混合料(RAP)。试验中RAP来源于某高速公路沥青面层铣刨旧料，抽提后测得RAP中沥青含量为4.88%，技术指标见表1。RAP抽提前后的级配见表2。

表1 回收沥青技术指标

(2)乳化沥青。选用工程中常用阳离子慢裂快凝型乳化剂及70号道路石油沥青，采用胶体磨制备乳化沥青，残留分含量为62.6%，25 ℃针入度为77(0.1 mm)，15 ℃延度为56.7 cm，筛上残留物(1.18 mm筛)指标为0.65，1 d常温储存稳定性为0.4%，5 d储存稳定性为1.3%。

(3)新集料与水泥。为满足材料组成设计要求，添加了10%的石灰岩碎石(粒径10～20 mm)，合成级配见表3。试验所用水泥为缓凝型普通32.5硅酸盐水泥。原材料技术指标均满足现行规范要求。

表2 RAP级配组成

表3 乳化沥青冷再生混合料级配组成

(4)改性材料。本研究采用再生剂、SBR胶乳与布敦岩沥青3种改性方式对冷再生混合料的疲劳性能进行改善。再生剂为热再生常用型，由于其常温黏度较大，若直接添加，难以均匀分散，为提高再生剂的分散和渗透效果，按一定的比例与自制的有机溶剂进行混合，然后均匀喷洒在旧料表面。SBR为进口胶乳，通过与乳化沥青成品混合的方式进行改性，现混现用，以免出现分层离析影响改性效果。根据各材料厂商提供的材料参数及推荐用量，再生剂添加比例为旧沥青含量的8%，SBR胶乳掺量为乳化沥青用量的3%，布敦岩沥青用量为冷再生混合料的3.5‰。

2 疲劳试验

2.1 试验方法及参数

综合对比各种疲劳试验的优缺点，发现综合评价最高的是直接拉伸试验、间接拉伸试验与重复弯曲试验[8-12]。考虑到试验装置的处理难易程度和试验对路面实际受力状态的模拟效果，本文选用间接拉伸试验，采用应力控制模式加载，其具体试验参数见表4。试验设备为IPC UTM-25。

2.2 试验结果与分析

疲劳试验采用应力控制的加载模式，试验前应测试混合料的劈裂强度，从而确定设计应力下的荷载加载值大小，为疲劳试验提供加载依据。劈裂试验按照规范要求进行，试验温度及其他加载条件与所对应的疲劳试验保持一致。应用t分布法整理劈裂强度试验结果，求出混合料劈裂强度代表值为0.7 MPa，然后以0.2、0.3、0.4、0.5 MPa四个应力分别作为加载应力进行冷再生混合料疲劳试验，结果见表5。

表4 乳化沥青冷再生混合料疲劳试验参数

表5 各材料疲劳试验结果

大量研究表明：试件在同一应力水平下的对数疲劳寿命呈正态分布，疲劳寿命与应力在双对数坐标上呈线性关系，应力控制模式下沥青混合料疲劳寿命-应力关系可用经典疲劳方程表示[13-15]，即

N=k(1/σ)n

(1)

将应力水平与疲劳寿命在双对数坐标下拟合，即

lg(N)=k-nlg(σ)

(2)

式中：lg(N)为对数疲劳寿命；σ为施加应力水平最大幅值；k和n分别为直线截距和斜率。k表示疲劳曲线位置高低，k越大，则疲劳曲线的位置越高，混合料抗疲劳性能越好；n决定疲劳曲线陡缓，n越大说明应力变化对疲劳寿命的影响越大。

将加载应力及疲劳寿命取对数后进行拟合，得到各材料的间接拉伸疲劳曲线，见图1，疲劳方程及其系数见表6。

图1 不同乳化沥青冷再生混合料类型的疲劳曲线

表6 不同材料疲劳寿命拟合的疲劳方程参数

由图1、表6可知：各材料疲劳寿命均随着加载应力的增加而降低，添加再生剂的乳化沥青冷再生混合料的疲劳寿命无论是在低应力区还是高应力区均高于其他材料，这说明添加再生剂能显著改善乳化沥青冷再生混合料的疲劳寿命。添加再生剂后的乳化沥青冷再生混合料疲劳曲线的n值降低、k值增大，说明再生剂的加入能降低冷再生混合料的应力敏感性，增加抗疲劳能力。这主要是因为，在冷再生混合料中加入再生剂后能恢复旧料中的部分沥青性能，增加黏聚性。

采用SBR改性乳化沥青或添加布敦岩沥青的乳化沥青冷再生混合料，在4种应力作用下的疲劳寿命均高于普通乳化沥青冷再生混合料，其中采用SBR改性乳化沥青的冷再生混合料疲劳曲线的n值变小、k值增大，说明SBR胶乳降低了冷再生混合料的应力敏感性，提高了其抗疲劳能力。添加布敦岩沥青的冷再生混合料疲劳曲线n值增大、k值减小，表明其疲劳寿命随着加载应力增大且加载应力影响较大。

3 Weibull分布检验与应用

3.1 双参数Weibull函数

Weibull函数是瑞典威布尔(Weibull)提出的一种概率密度函数，具有广泛适用性，不仅可以描述初始强度非正态分布时的破坏寿命，而且也包含了接近正态分布在内的大量分布。

Weibull概率密度函数f(n)、累积分布函数和Pf(n)表示为

式中：n为随机变量N的特征值；a为形状参数或在应力σ下的Weibull斜率；u为尺度参数；n0为位置参数或应力σ下的最小寿命。

设最小寿命n0为0，则失效概率

(5)

式(5)称为双参数Weibull函数。

3.2 参数估算

Weibull函数中需要确定2个未知参数，以建立失效概率和疲劳寿命之间的对应关系。为验证本文疲劳试验结果是否满足双参数Weibull分布，对式(5)取对数，即

(6)

Y=aX-β

(7)

3.3 Weibull分析

将每个应力水平下的同一组试件的疲劳寿命按从小到大的顺序排列，选取普通乳化沥青冷再生混合料进行验证，分别在0.2、0.3、0.4、0.5 MPa四个应力水平下按式(7)计算X和Y，其中失效概率

(8)

式中：i是试件在该组的序号，i=1，2，3，…，k，k是该组试件的总数。计算结果如表7所示。

表7 疲劳寿命N的Weibull分布检验

对不同应力比下的普通乳化沥青冷再生混合料的疲劳寿命与失效概率的数据进行线性回归分析，可以得出式(7)的回归系数a、β和R2，见表8。

表8 疲劳寿命-失效概率的回归系数

以上分析表明普通乳化沥青冷再生混合料疲劳寿命符合双参数 Weibull函数分布特征，从而可以建立失效概率和疲劳寿命间的对应关系，并由此计算不同失效概率下的疲劳寿命。由式(5)可得

(9)

因此，当失效概率确定时可根据式(9)计算一定应力水平下所对应的疲劳寿命。不同失效概率下各个应力水平对应的疲劳寿命见表9。

表9 不同失效概率下的疲劳寿命

由表9可知：失效概率越小，即保证率越大，同一应力水平下乳化沥青冷再生混合料的疲劳寿命越小，那么在相同疲劳寿命下应力水平随着失效概率的变小而降低。根据不同失效概率的乳化沥青冷再生混合料疲劳寿命，按经典疲劳方程式(1)进行回归，得到不同失效概率下乳化沥青冷再生混合料疲劳方程的回归系数及疲劳方程，见表10。由表10可知，不同失效概率下乳化沥青冷再生混合料疲劳方程的相关系数都非常高，也说明式(1)的回归模型比较理想。

表10 不同失效概率下的疲劳方程

4 结 语

(1)添加再生剂的乳化沥青冷再生混合料的疲劳寿命无论是在低应力区还是高应力区都显著高于其他改性方式，这表明添加再生剂后乳化沥青冷再生混合的疲劳寿命得到显著改善，且添加再生剂后，冷再生混合料疲劳曲线的n值降低，k值增大，说明再生剂的加入降低了冷再生混合料的应力敏感性，增加了抗疲劳能力。

(2)采用SBR改性乳化沥青及添加布敦岩沥青的乳化沥青冷再生混合料，在4种应力作用下的疲劳寿命均高于普通乳化沥青冷再生混合料。其中，添加SBR胶乳的乳化沥青冷再生混合料的疲劳曲线n值变小、k值增大，表明采用SBR改性乳化沥青降低了冷再生混合料的应力敏感性，提高了冷再生混合料的抗疲劳能力；添加布敦岩沥青的乳化沥青冷再生混合料的疲劳曲线n值增大、k值减小，表明其疲劳寿命受应力影响较大。

(3)基于双参数Weibull理论，分析计算了乳化沥青冷再生混合料的疲劳试验结果，得到了乳化沥青冷再生混合料在5种不同失效概率下的疲劳方程，其疲劳寿命服从双参数Weibull分布，为乳化沥青冷再生混合料的疲劳设计提供一定的借鉴作用。