基于不同加载速率和温度的冷再生混合料抗裂性能研究

李小鹏 ， 赵 轩， 杨美坤

(1.南京道润交通科技有限公司 ，江苏 南京 210002； 2.东南大学，江苏 南京 211189； 3. 山东省交通规划设计院有限公司， 山东 济南 250000)

0 引言

近年来乳化沥青就地冷再生技术因节约工程材料、环境污染较小、RAP料利用率高等优点在高速公路大中修工程中得到了推广与利用[1-3]。该技术目前多用于低等级公路或高速公路的基层、下面层。随着我国对冷再生混合料的不断深入研究，其应用范围也不断扩大，对冷再生混合料的抗裂性能要求也在不断提高。参考热沥青的做法,一般通过在改性乳化沥青中添加改性剂来不断提高沥青的各项性能。目前道路建设最常用的改性剂为聚合物改性剂，如热塑性树脂类的SBS和橡胶类的SBR等，而SBR胶乳因其制备简易、能有效提高混合料的各项路用性能，在乳化沥青中得到广泛的应用。

近年来国内外通常采用断裂试验的方法定量分析混合料的抗裂性能。由于沥青混合料是一种复合型的黏弹性材料，其力学响应显著依赖于加载时的温度和时间[4]，因此很难在单一试验条件下表征沥青混合料的抗裂性能。而SCB半圆弯曲试验(Semi-circular Bending Test)因其试件制作简便、路面芯样取芯方便和可重复性高得到越来越多科研人员青睐。

鉴于此，本文采用无切缝的SCB试验，研究了温度和加载速率对静载条件下冷再生混合料抗裂性能的影响。选择不同温度和加载速率的试验条件，根据荷载-变形曲线，提出了几种新的断裂参数来评价沥青混合料的抗裂性能。

1 原材料

1.1 RAP料

RAP料由某高速公路的上中面层通过大型铣刨机铣刨获得，得到的RAP经过烘干后测出其级配，避免由于水分造成细集料的黏结聚团现象。RAP料技术指标检测结果如表1所示，其级配如表2所示。

1.2 乳化沥青

本文所使用的乳化沥青有2种，分别为常规普通冷再生乳化沥青和添加3%SBR胶乳的改性乳化沥青。SBR胶乳通过搅拌机以1 000 r /min的转速加入乳化沥青中。

冷再生混合料所采用的2种专用乳化沥青试验结果见表3，其技术要求参考《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521—2019)。依据交通部标准《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，可以判断2种乳化沥青均合格。

表1 RAP料技术指标表类别含水率/%沥青含量/%砂当量/%针片状颗粒含量/%技术要求≤3≥3.8≥50≤15检测结果1.84.76212.1试验方法T 0305-1994T 0726-2011T 0334-2000T 0312-2005

表2 RAP料筛分级配表筛孔尺寸/mm各筛孔的通过率/%筛分级配级配范围级配中值筛孔尺寸/mm各筛孔的通过率/%筛分级配级配范围级配中值26.510010010019.099.790～100 9516.096.1——13.289.3——9.574.460～80 704.7544.835～65 502.3625.520～50 351.1815.5——0.611.7——0.36.5 3～21 120.154.3——0.0752.5 2～8 5

表3 冷再生乳化沥青试验检测结果类别破乳速率电荷黏度标准黏度C25.3/s黏度恩格拉黏度E2525 ℃赛波特黏度筛上残留物(1.18 mm筛)/%蒸发残留物残留物含量/%普通乳化沥青慢阳离子2211.943.20.0363SBR改性乳化沥青慢阳离子2712 44.10.0164检测方法T0658-1993T0653-1993T0621-1993T0622-1993T0623-1993T0652-1993T0651-1993蒸发残留物针入度(25 ℃)/0.1 mm软化点/℃延度(5 ℃)/cm溶解度(三氯乙烯)/%与粗集料的黏附性,裹覆面积与粗、细粒式集料拌合试验常温贮存稳定性1 d/%5 d/%78.747.7脆断99.64/5均匀0.060.2 59.159.9≥12099.34/5均匀0.070.23T0604-2011T0606-2011T0605-2011T0607-2011T0654-2011T0659-2011T0655-1993

1.3 水泥

为了提高乳化沥青冷再生混合料的早龄期强度，添加混合料质量2.0%的水泥，规格为普通硅酸盐水泥P·O 42.5，检测指标见表4。

表4 水泥原材料试验检测结果类别安定性标准稠度用水量/%细度(80μm/%初凝时间/h检测结果合格2553.14技术要求合格≤30≤10≥1.5检测方法GB/T1346-2011终凝时间/h3 d强度/MPa28 d强度/MPa抗折抗压抗折抗压4.624.924.18.048.2≤10≥3.5≥16≥6.5≥42.5GB/T 17671-1999

1.4 水

纯净无杂质即可。

2 试件准备及试验方法

2.1 试件成型

参照工程项目经验，根据配合比设计结果，冷再生混合料均按照2%水泥、2.79%外掺水量和3.5%乳化沥青的掺量配比设计进行成型，使用旋转压实仪压实30次进行成型、养生。养生结束后进行试件的切割(见图1)。

2.2 试验方法

SCB试验在UTM-25多功能试验机中进行试验(见图2)。该系统主要由控制台、测试仪和环境箱3部分组成。试验装置采用三点加载模式，顶部由轴向加载头进行加载，加载的应力由电脑系统控制；底部由2个支撑圆棒组成，圆棒之间的间距为0.8倍的试件直径，即12 cm。在实际加载前对2种冷再生混合料施加0.2 kN的最大接触力10 s，以确保加载头与试件之间的接触均匀。当力在峰后区域降至0.3 kN时停止试验。在实际加载过程中，在试件上施加恒定的变形和加载速率，直至破坏。

图1 半圆试件切割流程

图2 半圆弯曲试验装置

不同的沥青混合料抗拉强度试验其加载速率不尽相同，对于SCB试验加载速率国内并没有形成统一的规定。对于小梁弯曲试验，我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)规定加载速率通常为50 mm/min，以便与马歇尔试验、间接拉伸试验的加载速率相统一。对于间接拉伸试验，《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052—83)规定加载速率为1 mm/min；美国SHRP研究表明，为评价低温性能，常用较慢的速率模拟气候降温的收缩应力作用，如1.27 mm/min。因此本文采用0.1、1、20、50、80 mm/min 5种不同加载速率研究加载速率对SCB试验的影响。

哈尔滨建筑大学在交通部科研项目“沥青路面设计指标与参数研究”中，根据对国内各地区的温度资料统计分析，确定了我国的疲劳当量温度为15 ℃，发现疲劳破坏主要发生在13 ℃～15 ℃之间，通常认为15 ℃为最不利情况。此外，我国《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)[5]中采用15 ℃时的容许拉应力指标为参数值，《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[6]中弯曲试验的温度也采用15 ℃。因此，本文采用15 ℃作为中温试验温度。美国AASHTO规范中以-10 ℃作为沥青混合料低温试验温度，而我国《沥青混合料设计规范》(JTG E20—2011)劈裂试验中同样规定以-10 ℃的温度为评价混合料低温性能的温度。因此，本文的低温试验温度确定为-10 ℃。为了后文叙述方便，定义普通乳化沥青冷再生混合料为CRM，SBR改性乳化沥青冷再生混合料为MCRM。

2.3 试验评价参数

竖向加载半圆弯曲SCB试验的荷载变形曲线样式为施加荷载随着变形先增大后减小。为全面描述竖向加载条件下冷再生混合料的开裂性能，本文采用如下参数(见图3)进行评价。图中Fmax为最大施加荷载；Wc、Wcf为最大荷载前、后断裂功能量；Dp为最大荷载时对应的变形；Dcf为Fmax/2荷载时对应的变形。

图3 SCB试验断裂曲线指标含义图

3 试验结果及分析

SCB断裂试验数据见图4。

从图4a和图4b可以发现，2种冷再生混合料的断裂强度指标峰值力与抗裂强度在相同温度下均随着加载速率提高而增强。当试验温度为15 ℃，加载速率从0.1 mm/min提高到80 mm/min，2种冷再生混合料的峰值力和抗裂强度均提高了4倍，表明在中温条件下，加载速率对冷再生混合料强度指标有显著影响；而在低温条件下，冷再生混合料对加载速率的敏感性相对较低。

图4 断裂参数变化图

从图4c可以发现，在低温条件下2种冷再生混合料的峰前断裂功均下降明显，说明在低温条件下，MCRM和CRM在达到峰值力前，其力变形曲线快速发展，斜率增大，呈现脆性破坏；在中温条件下，与CRM相比，MCRM的峰前断裂功随着加载速率提升而逐渐增大，说明随着SBR胶乳增加，其混合料内部的黏结力不断增大，抵抗开裂的能力也在不断增强，且呈现明显的柔性破坏。从图4d中可以发现，除了中温条件下CRM，其余条件下的冷再生混合料其峰后断裂功与峰前断裂功呈相反的发展趋势。

从图4e可以发现，MCRM和CRM在2种温度下的断裂能差值随着加载速率变化均呈现由大变小再变大的趋势，这意味着在中等速率加载条件下，2种冷再生混合料的温度敏感性下降，从断裂能指标分析上来看，不建议以20 mm/min和50 mm/min的加载速率区别冷再生混合料的中低温抗裂性能。

从图4f和图4g可以发现，MCRM抗裂能力均大于CRM，这是由于添加SBR胶乳使混合料强度增大，在中低温条件下达到开裂破坏时需要产生的变形更大，抵抗开裂的能力得到了显著提升；图4g中没有低温下的破坏变形是因为在低温条件下冷再生混合料产生明显地脆性破坏，峰值力后产生的变形非常小，可以忽略不计。

从图4h可以发现，在中温条件下，MCRM和CRM在1 mm/min韧性指数最高，表明在1 mm/min加载速率下2种冷再生混合料在试件开裂时所发生的应变最大，柔韧性最好；在低温条件下，MCRM和CRM随着加载速率上升而下降，其低温柔韧性不断减弱。

综上所述，在同一温度下，添加了3%SBR胶乳的冷再生混合料较普通乳化沥青冷再生混合料其峰值荷载、抗裂强度、峰前断裂功、峰后断裂功、断裂能、峰值位移、峰后位移和韧性指数都有明显提升，混合料的抗弯拉能力得到显著增强。

4 结论

1) 添加3%SBR胶乳可以全面提高冷再生混合料中低温条件下的抗裂性能。

2) 与低温条件下相比，中温条件下加载速率对冷再生混合料的强度影响更加显著。

3) 从能量角度评价冷再生混合料的抗裂能力，建议以1 mm/min和80 mm/min的加载速率进行半圆弯曲试验。