考虑击实温度的可回收沥青路面材料直剪蠕变试验

殷 杰，王星光，胡明明，汤 勇

(江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013)

我国高速公路一般采用沥青混凝土路面，其设计使用年限为15年.随着交通量不断增长、道路本身的使用年限以及沥青的老化，使沥青路面的破坏日趋严重，需及时进行养护维修，由此产生了大量废旧沥青路面材料.据统计，我国每年产生的废旧沥料数量超过2.2亿t[1]，相对于发达国家超过80%的回收利用率[2]，我国废旧料的回收利用率仅有30%，其余被作为垃圾填埋处理[1].因此，还有大量的废旧材料亟待资源化再利用.

废旧沥青路面材料经铣刨、筛选后成为可回收沥青路面(recycled asphalt pavement，RAP)材料.国内相关报道主要围绕RAP作为掺料与新的沥青拌合料混合后用于路面面层或基层材料路用性能的研究[3]，主要包括热再生沥青混合料的高温累计变形和荷载敏感性研究[4]、再生沥青在高低温下的蠕变性能研究[5]和沥青混凝土路面蠕变响应的研究[6]等.为了拓展RAP材料的利用范围，提高利用率，国外相关研究已经涉及到RAP作为路基填料的研究[7]，主要集中于RAP的击实特性[8-9]、三轴压缩特性[10]及强度特性[11-12]等方面.需要指出的是，尽管RAP可作为填料使用，但RAP中的沥青成分具有黏附性和温度敏感性，在长期荷载作用下具有显著的蠕变特性，且易受温度的影响[13].YIN J.等[13]曾通过三轴蠕变试验，施加恒定竖向偏应力，研究RAP作为路堤填料时，击实温度对其蠕变特性的影响.若将RAP用作挡土墙填料，会存在水平向蠕变.有必要开展直剪蠕变试验，探讨其水平蠕变性能.殷杰等[14]通过开展蠕变试验，探讨了RAP在室温下(20 ℃)的水平蠕变特性，但是没有考虑击实温度的影响.

为了进一步模拟不同季节施工温度对RAP蠕变特性的影响，笔者在前期研究[14]的基础上，进一步开展0 ℃和50 ℃两种击实温度下RAP的系列直剪试验与蠕变试验，通过对比室温下的试验结果，探讨击实温度对RAP水平蠕变特性的影响.

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

RAP材料取自镇江市某翻修沥青路面的面层废旧块料，沥青含量约为4.2%.对废旧料进行破碎、过筛，得到用于试验的RAP试样.通过室内常规试验，获取RAP试样的基本物理力学性质.采用比重瓶法，测定RAP的相对密度为2.24；通过筛分试验，确定RAP的曲率系数Cc为1.27，不均匀系数Cu为13.2；通过击实试验，测得RAP的最大干密度为1.92 g·cm-3，最优含水率为5.1%.

1.2 试验方案

表1 直剪试验和直剪蠕变试验方案

2 试验结果分析

2.1 直剪试验

通过开展直剪试验，获得不同击实温度θc(0，50 ℃)下RAP试样的剪应力τ与应变εs关系曲线，如图1所示.可以看出，不同击实温度θc、不同竖向应力σ下的RAP试样均呈现出应变软化的特性.此外，在相同的θc下，σ越高，τ越大，峰值剪应力τmax也越大,对应的εs也呈现增大的趋势.图1a中，θc=0 ℃，σ=50，75，100，200 kPa时，τmax=62.0，79.7，100.9，186.6 kPa，τmax对应的εs分别为9.0%，8.6%，9.4%和11.6%.图1b中，θc=50 ℃时各数据与图1a具有相同的变化规律，但是在同一竖向应力下，τmax要高于0 ℃的结果.这是因为θc的升高，RAP中沥青逐渐软化，导致在相同σ作用下，高温时RAP孔隙率更低，更加密实，文献[13]也有类似报道.

图1 不同法向应力下的τ-εs关系曲线

图2给出了不同击实温度θc下RAP的抗剪强度τf随竖向应力(σ)的变化曲线，其中20 ℃的数据为前期试验[14]数据.可以看出，不同击实温度下的关系曲线均为一条直线，且击实温度高的直线位于温度低的上方.

图2 不同击实温度下RAP的τf-σ关系曲线

图2中拟合出了3条直线的线性关系式，可以确定相应击实温度下RAP的黏聚力c和内摩擦角φ，数据见表2.由表2可以看出，θc越高，c和φ越大.

表2 不同击实温度下RAP的黏聚力和内摩擦角

2.2 直剪蠕变试验

图3 σ=50 kPa,θc=0, 50 ℃时，不同剪应力比下RAP的εs-t关系曲线

图4 σ=50 kPa，θc=0, 50 ℃时，不同剪应力比下RAP的关系曲线

图5 两种击实温度下的关系曲线

图6 临界剪应力比-击实温度的关系曲线

(1)

式中：θ1为参考温度，取θ1=1 ℃，以实现量纲一化.

2.3 蠕变模型

(2)

基于前期在室温条件下击实试验制备RAP的直剪蠕变试验结果，建立了相应的3个参数蠕变模型方程[14]：

(3)

结合本试验结果，得到了不同击实温度下蠕变模型的3个参数值，如表3所示.

表3 RAP材料的蠕变模型参数取值

通过图7中3个参数的线性变化关系，可以拟合得到

图7 蠕变模型3个参数随击实温度变化的关系曲线

(4)

A=-0.002θc+0.14.

(5)

将公式(4)，(5)代入公式(2)，可以计算得到考虑击实温度影响的RAP材料修正3个参数蠕变模型：

(6)

2.4 模型有效性验证

为了进一步验证模型的有效性，图8给出了竖向应力为75 kPa，两种击实温度下试验实测与蠕变模型(公式6)计算结果的对比.由图8可以看出，计算结果与实测结果较为吻合，表明笔者提出的蠕变模型可以较好地反映不同击实温度下的蠕变特性.

图8 不同应力水平下试验实测值与模型计算值对比

3 结 论

1)相同击实温度下，竖向应力越高，RAP的抗剪强度越大，峰值剪应力所对应的剪应变越大.抗剪强度指标(黏聚力、内摩擦角)随击实温度的升高而增加.

2)相同剪应力比下，击实温度越高，RAP蠕变破坏时间越长；相同击实温度下，竖向应力越大，蠕变破坏时间越长.

3)临界剪应力比随击实温度的升高呈线性增加趋势.工程应用中，建议在夏季施工，以提高击实温度，从而增加临界应力比，提高抗蠕变性能.