基于环形加载试验的稳定型橡胶沥青热再生混合料抗裂性能研究

祝谭雍，程其瑜，刘 韬，黄晓明

(1.江西省高速公路养护工程技术研究中心，江西 南昌 330025;2. 江西省高速公路投资集团有限责任公司， 江西 南昌 330025；3.东南大学 交通学院，江苏 南京 210096)

0 引言

随着生态环境的压力与日俱增，废旧沥青路面材料(Reclaimed Asphalt Pavement,RAP)中矿料与沥青的循环利用价值愈加凸显，在公路养护作业中有序开展沥青路面再生利用有助于缓解生态环境压力，从而推动绿色交通可持续发展。沥青路面的长期使用过程也是路面漫长的老化过程，老化导致沥青的劲度增大、韧性下降，因而抗裂性能始终是热再生路面的性能薄弱点[1-3]。对旧料进行再生利用时添加聚合物改性沥青，有助于提升再生路面的路用性能，延长路面养护维修周期[4-5]。然而，聚合物改性沥青材料价格不断上涨，降低了厂拌热再生的经济效益，不利于再生技术的推广实施。橡胶沥青具备优良的路用性能，可作为聚合物改性沥青合适的替代品。此外，橡胶沥青在生产过程中能够对废旧轮胎循环利用，有效发挥废旧轮胎中所含有的天然橡胶、合成橡胶等高分子聚合物成分，具有良好的环境效益[6-7]。

沥青路面在冷铣刨过程中矿料被铣刨机刀头破碎，导致细料含量增加、级配稳定性差，故再生沥青路面(特别是在高RAP掺量下)难以形成对矿料骨架结构要求高的级配，在实践中再生路面多采用悬浮密实型级配[1,8]。由于传统湿法橡胶沥青中固态或半固态的胶粉颗粒易对矿料级配形成干涉，因此橡胶沥青混合料主要采用间断级配设计[7]。比较可知，传统湿法橡胶沥青在厂拌热再生路面中的适用性不强。新型稳定型橡胶沥青采用工厂化生产方式，大部分橡胶屑消融于沥青中，在稳定型助剂的作用下，未完全消融的胶粉微粒与沥青稳定交联，适用于连续密级配混合料[9-12]。鉴于此，本研究探索将稳定型橡胶沥青应用于热再生路面中，基于自行开发的环形加载试验及传统小梁弯曲试验，研究探讨稳定型橡胶沥青再生混合料的抗裂性能。

1 试验设计

小梁弯曲试验作为传统的沥青混合料抗裂性能评价试验方法，应用范围广泛,评价指标明确。经分析，小梁弯曲试验方法依旧存在一定的局限与不足。

从力学角度来看，路面材料三向受力，而小梁弯曲试验模拟了单向受力；操作方面，每根小梁须经六面切割以达到规范要求的尺寸，准备过程繁琐，切割精度不易控制，且不适于对路面芯样开展试验；从成型效果分析，小梁须从车辙板中切割取样，车辙板在压实成型过程中混合料分布的均匀性较差，易出现离析。因此，本研究采用设计开发的环形加载试验研究再生料的抗裂性能，并与小梁弯曲试验分析对比。

1.1 试件尺寸

环形加载模具和试件如图1所示，试件呈圆柱体，尺寸的设置对于试验效率存在较大影响，因此在厚度方面，考虑到高速公路上面层通常为4 cm厚，故将环形加载试件的厚度设为4 cm；直径方面，10 cm和15 cm的圆柱体试件能够通过室内压实直接成型，亦可通过现场直接钻芯得到，获取相对简便。此外，试验的破坏模式与试件的尺寸有关，当D/H(直径/厚度)太小的情况下，试件可能发生压缩破坏，故将圆柱体试件的直径设置为15 cm。

图1 环形加载试验Fig.1 Annular loading test

1.2 加载参数

沥青混合料在不同的环境温度及加载速率下其动力学特征存在显著差异。依托UTM-25试验条件，为确定适宜的试验加载参数，并提高环形加载试验方法的普遍适用性，选用了70#道路石油沥青设计制备AC-20混合料，以0,10 ℃和20 ℃这3种温度配合1，5 mm/min和10 min/min这3种速率进行加载，对比优选合适的试验加载参数。AC-20沥青混合料的配合比如表1所示。

表1 AC-20沥青混合料配合比Tab.1 Mixture ratio of asphalt mixture AC-20

环境温度设置为20 ℃时，在UTM-25压头不同的加载速率下，环形加载试验的荷载-变形曲线见图2。从图2中可知，在相同的温度下，加载速率的不同对于沥青混合料的强度存在显著影响。加载速率越高，极限荷载越大，且极限荷载所对应的变形量逐渐下降(试件破坏的时间变短)。究其原因，加载速率过快，混合料内部微裂纹难以充分扩展，塑性变形受到抑制，故强度较高[13]。当加载速率较低，特别是在1 mm/min的慢速加载时，荷载-变形曲线表现出相对明显的波动幅度，说明传感器检测到试件内微裂缝的拓展以及应力的重新分布。

图2 不同加载速率下荷载-变形曲线(20 ℃)Fig.2 Load-displacement curves under different loading rates(20 ℃)

图3为10 ℃环境下不同加载速率对应的环形加载试验荷载-变形曲线。其中，当加载速率10 mm/min 时，极限荷载超出了UTM-25的传感器量程，导致荷载-变形曲线无法完整呈现。图4为0 ℃ 环境下以1 mm/min的速率加载获得的荷载-变形曲线，由图4中可知，由于沥青混合料在0 ℃展现出较高的强度和刚度，即使在很低的加载速率(1 mm/min)下，依托UTM-25平台依旧无法让试验过程完整呈现。

图3 不同加载速率下荷载-变形曲线(10 ℃)Fig.3 Load-displacement curves under different loading rates(10 ℃)

图4 1 mm/min加载速率下荷载-变形曲线(0 ℃)Fig.4 Load-displacement curves under 1 mm/min loading rates(0 ℃)

沥青混合料的弯拉破坏既包含脆性开裂，也伴随塑性变形。环境越高，沥青混合料越趋向于非脆性破坏，为尽可能评价再生混合料的低温抗裂能力，综合以上试验数据及试验条件，本研究以10 ℃，5 mm/min 为环形加载试验的加载参数。

1.3 评价指标

针对形如图2、图3的荷载-变形曲线，以往研究通常从荷载、变形、模量及能量等方面提出量化指标评价材料的力学性能[14]。本研究采用极限荷载Fmax、破坏变形δFmax(Fmax所对应的变形δ)、劲度指数IRT(Tensile Stiffness Index)及断裂能W评价再生混合料的抗裂性能。其中，劲度指数IRT为荷载-变形曲线线性阶段切线斜率，为统一计算标准，本研究对断裂能W的计算从加载0时刻起，至荷载衰减到0.1Fmax结束。

为验证4项力学指标的适用性，分别在5种不同的加载条件下开展试验，试验结果见图5，“20-10”表示20 ℃时以10 mm/min加载，每组加载条件做4组以上有效平行试验。

图5 加载条件对于力学指标的影响Fig.5 Influence of loading condition on mechanical in dicators

加载条件对极限荷载Fmax及δFmax的影响规律见图5(a)，图5(b)。从图5(a)可见，当环境温度相同时，Fmax随加载速率提高而增大；在加载速率一样时，Fmax随温度下降而大幅度升高，沥青混合料对温度的敏感性表现相对显著。如图5(b)所示，随着环境温度下降，试件承受的Fmax在提高的同时，破坏变形δFmax有所下降。究其原因，主要是在低温环境下沥青胶浆蠕变流动不够充分，导致混合料塑性变形小。

加载条件对劲度模量IRT及断裂能W的影响规律见图5(c),图5(d)。其中，劲度模量IRT反映了加载过程中荷载-变形曲线线性阶段的斜率，与Fmax和δFmax之比有较强的相关性，IRT随着温度的升高和加载速率的降低而下降，表现出较为显著的温度敏感性，断裂能W也呈现近似的变化规律。

通过对70#道路石油沥青制备的AC-20混合料进行环形加载试验，并分析各项力学指标与加载参数的关系，综合表明环形加载试验相关评价指标随加载条件的变化呈现出显著规律，试验结果的重复性较好。本研究在相同的加载条件下(10 ℃、5 mm/min)，采用环形加载试荷载-变形曲线计算得到的Fmax，δFmax，IRT及W指标，评价RAP掺量对再生料抗裂性能的影响。

2 原材料与配合比设计

2.1 稳定型橡胶沥青

基于传统现场拌和法所生产的胶粉改性沥青存在着现场干扰因素多、控制难度大，存储及性能稳定性不足等关键技术难题，采用成熟的工厂化生产方式生产性能稳定、不易离析的胶粉改性沥青是橡胶沥青技术发展的新方向。在这一趋势下，稳定型橡胶沥青技术逐渐发展成为新型胶粉沥青改性技术。相较于传统湿法橡胶沥青，稳定型橡胶沥青中胶粉粒度相对细腻，橡胶沥青体系更加均匀、稳定。其借助交联剂、活化剂等化学助剂的促进作用，在提高胶粉在沥青中相容性与稳定性的同时，避免了橡胶沥青因加工剪切时间过长、温度过高所引起的胶粉过度脱硫降解[15]。

通过胶结料室内试验，分析对比了稳定型橡胶沥青与传统湿法橡胶沥青的技术指标，见表2。其中，自制湿法橡胶沥青在是70#基质沥青的基础上内掺20%的40目橡胶粉，在180 ℃、5 000 r/min下剪切50 min，而后在180 ℃温度环境继续发育45 min。

稳定型橡胶沥青相比于传统湿法橡胶沥青较显著特征是针入度偏大、延度显著提高、黏度大幅降低、稳定性(离析值)明显好转。这是由于稳定型橡胶沥青在工厂化加工过程中，胶粉在沥青中溶胀充分，胶粉的脱硫与降解程度更深，脱硫引发橡胶分子间的共同交联断裂，降解使得橡胶分子链发生断裂[9-10]。

表2 沥青指标Tab.2 Asphalt indicators

2.2 RAP沥青及级配

研究所采用RAP料为高速公路上面层冷铣刨料，原路面上面层设计为4 cmAK-13，采用SBS改性沥青。经测试，RAP料砂当量为73.4%(>55%)，含水率1.52%(<3%)，满足规范要求[1]。通过抽提试验检测RAP级配及油石比见表3，回收旧沥青检测结果如表4所示。

表3 RAP料抽提结果Tab.3 Extraction result of RAP

表4 老化沥青检测结果Tab.4 Test result of aged asphalt

2.3 配合比设计

由于橡胶沥青与旧料中老化沥青存在一定共性，即相较于通常的70#基质沥青或SBS改性沥青，橡胶沥青与老化沥青黏度普遍偏高，特别是旧料中沥青经长期老化变硬变脆。鉴于此，为了提高再生料的低温性能，研究中借鉴了高模量沥青混合料(Enrobé à Module Élevé，EME)的材料组成原理，即采用密级配、高油石比、低空隙率等设计提高低温性能，并基于硬质沥青针入度小、软化点高的特点保障高温稳定性[16-17]。采用马歇尔设计方法对稳定型橡胶沥青再生混合料进行配合比设计，再生料级配满足高模量沥青混合料EME-20级配控制范围，不同RAP掺量再生料配合比见表5。

表5 橡胶沥青再生料EME-20级配Tab.5 Gradation of recycled asphalt rubber mixture EME-20

3 抗裂性能研究

3.1 环形加载试验

在10 ℃、5 mm/min加载条件下，EME-20橡胶沥青再生混合料在环形加载试验过程中试件的典型破坏形态如图6所示。试验过程中，外荷载对圆柱体试件做功所蓄的能量被少数裂缝吸收，裂缝从加载点(圆心)向圆周扩展将能量转化为表面能释放。外力做功积蓄的能量是集中被少数耗散水平高的微裂缝吸收并进一步拓展为主裂缝，还是被多数微裂缝吸收并耗散掉，这取决于混合料原始组成(包括初始微裂缝、孔洞等)及荷载激励的力学响应特征。

图6 EME-20环形加载破坏形态Fig.6 Failure pattern of EME-20 in annular loading test

稳定型橡胶沥青混合料中RAP掺量对于环形加载Fmax，δFmax，IRT及W等力学指标的影响规律如图7所示。

图7 RAP掺量对环形加载试验各项指标的影响Fig.7 Influence of RAP content on indicators in annular loading test

由图7(a)、图7(b)可知，随着橡胶沥青再生料EME-20中RAP掺量的增加，试件所承受的极限荷载Fmax不断提高，与之相对应的，荷载达到Fmax时产生的破坏变形δFmax总体呈下降趋势。具体而言，RAP掺量在20%，35%和50%时，Fmax较新料分别提高了8.1%，20.1%和29.7%，而对应的δFmax分别下降了13.5%，37.9%和30.3%。上述结果表明，RAP的掺加使得橡胶再生料的弯拉强度提高，但抗变形能力随之下降。究其原因，当RAP掺量提高时，再生料沥青含量中老化沥青的比重也相应提高，沥青老化所导致的显著特征是硬化和脆化，即针入度大幅降低、延度逐渐丧失，老化沥青与新加的稳定型橡胶沥青融合后使得再生沥青胶结料整体变硬变脆，从而反映到混合料的力学性能上，使得再生混合料强度提高、韧性降低。

图7(b)中，当RAP提高到50%掺量时，δFmax并未完全呈现单调递减的趋势，这可能是由于RAP掺量不断提高导致再生料的材料组成变得复杂，新料与旧料之间的融合程度也受到影响[18]。RAP材料组成及性能均匀性比新料差，其油石比和级配的变异性所带来的影响随着RAP掺量提高而增大，导致混合料力学试验结果产生了一定波动[19]。

图7(c)中，劲度指数IRT随RAP掺量的提高而逐步增大，再生料RAP掺量20%，35%和50%所对应的IRT较新料分别提高了30.3%，51.9%和102.3%，说明环形加载试验中材料的弯拉劲度模量对于RAP的掺入较为敏感。

断裂能W随RAP掺量的变化规律如图7(d)所示，再生料RAP掺量20%，35%和50%所对应的W值较新料降低了9.6%，11.5%和21.6%，断裂能综合反映了试件在环形加载试验过程中从起始到完全破坏所吸收的外部能量，是再生料抗裂性能的综合体现，虽然RAP的掺入一定程度上提高了材料的弯拉强度、劲度模量，但从能量角度看RAP掺量越高材料的抗裂性能下降幅度越大。

环形加载试验虽较传统小梁弯曲试验对路面力学状态的模拟更为接近，但试验缺乏成熟的经验，尚未形成量化的控制标准。为验证环形加载对稳定型橡胶沥青再生混合料的检测结果，开展了小梁弯曲试验进行比较。

3.2 小梁弯曲试验

根据规范试验条件要求，在-10 ℃、50 mm/min下对不同RAP掺量的再生沥青混合料EME-20进行小梁弯曲试验，不同RAP掺量下小梁弯曲试验的荷载-变形曲线如图8所示。由图8可知，新料所能承受的Fmax较小，RAP掺量越高所对应的Fmax越大，荷载-变形曲线切线的斜率也随之增大。荷载达到Fmax后材料发生开裂破坏，新拌橡胶沥青混合料由于较强的柔韧性使得试件所承受的荷载存在一定的衰减渐变过程。较之新料，再生混合料(RAP掺量20%～50%)则表现出持力水平的瞬间丧失，材料突然发生脆性开裂。

图8 不同RAP掺量EME-20小梁弯曲试验荷载-变形曲线Fig.8 Load-displacement curves of beam bending test for EME-20 with different RAP contents

图9 RAP掺量对于小梁弯曲试验指标的影响Fig.9 Influence of RAP content on indicators of beam bending test

小梁弯曲试验中的试件弯拉强度RB、极限弯拉应变εB、弯拉模量SB的计算结果如图9所示。其中，随着RAP掺量从0%增长到50%，εB从3 263 με 下降至2 604 με，该结果表明采用稳定型橡胶沥青对废旧路面回收材料开展再生利用，能够有效保障再生混合料的低温抗裂性能，即使在50%的RAP掺量下，再生料的低温极限弯拉应变εB仍不低于2 500 με，能够满足规范对改性沥青混合料的低温性能的技术要求[20](冬冷、冬温区)。

图10 环形加载试验与小梁弯曲试验的线性相关性Fig.10 Linear correlations between annular loading test and beam bending test

将小梁弯曲试验获得的力学指标RB，εB，SB与环形加载试验中的极限荷载Fmax，破坏变形δFmax，弯拉劲度指数IRT进行相关性分析，对比结果如图10所示，各项指标间的相关性系数R2>0.9。可知，基于自行开发的环形加载试验检测并评价沥青混合料的抗裂性能结果可靠，能够较好地模拟路面受力状态，且试验准备过程更为简易。

4 结论

(1)为提升再生沥青混合料的抗裂性能，将新型稳定型橡胶沥青应用于热再生路面当中，并依托环形加载试验对橡胶沥青再生混合料抗裂能力开展研究，考虑到沥青混合料的率敏感性及温度敏感性，基于UTM-25平台设置不同的加载参数组合对常用的AC-20沥青混合料进行试验，优选确定了环形加载试验的加载速率为5 mm/min，环境温度为10 ℃。

(2)针对环形加载试验获得的荷载-变形曲线，提出了极限荷载Fmax，破坏变形δFmax，劲度指数IRT及断裂能W4项评价指标，随着橡胶沥青再生混合料中旧料掺量的提高，环形加载试验极限荷载Fmax及劲度指数IRT逐渐增大，破坏变形δFmax及断裂能W逐步降低。

(3)结合环形加载试验及低温小梁弯曲试验数据，对比分析了稳定型橡胶沥青再生混合料的低温抗裂性能，结果表明：在50%的旧料掺量下其低温性能仍可满足规范技术要求，且环形加载试验与低温小梁弯曲试验的检测结果线性相关性良好(R2>0.9)。

(4)相较于传统的小梁弯曲试验，自行开发的环形加载试验可更好地模拟混合料在路面结构中的三向受力状态，且试验准备工序相对简便，不仅可以对室内成型的试件进行检测，还能够对现场路面芯样开展试验；由于UTM-25试验平台的限制，研究中未能在更低的环境温度下(≤0 ℃)基于环形加载试验方法评价混合料低温性能，该试验需依托更大吨位的万能试验机平台对再生混合料的低温抗裂性能开展研究，并面向不同沥青品种及混合料类型对环形加载试验的可靠性进行广泛试验和深入论证。