温度对可回收沥青路面填料蠕变特性的影响

殷 杰，余锐锋，汤 勇，胡明明

(1. 江苏大学 土木工程与力学学院，江苏 镇江 212013；2. 江苏建科鉴定咨询有限公司，江苏 南京 210008)

我国高速公路采用的主要路面结构形式是沥青路面[1-3]。随着沥青路面运营时间陆续达到其设计使用年限15 a，不可避免地会产生大量废旧沥青路面材料。据统计，我国每年产生废旧沥青路面材料约2.2×108t[4-5]，但是再生利用率不足30%[5]，大多数是以堆放填埋处置的，无法实现固体废物资源化。

现有的再生利用方式主要是将废旧沥青路面材料通过铣刨、筛分获得可回收沥青路面(recycled asphalt pavement，RAP)材料，再与新料混合作为建筑材料用于新的沥青路面面层或基层的建设[6-8]。为了提高废旧沥青路面材料的再生利用率，已有研究[9-13]充分利用RAP材料级配良好和强度较高的特点，将RAP材料作为路基或挡墙填料进行使用，替代传统的砂石填料，以减少传统砂石填料的开采消耗，达到节约自然资源、减少环境污染的目的。

由于RAP材料中含有沥青，具有黏附性和温度敏感性，作为填料时受温度的影响较大，因此需要开展温度对RAP填料力学性能影响的研究。研究[14]表明，击实温度对RAP填料的抗剪强度和蠕变性能有显著影响，当击实温度为50 ℃时，RAP填料的强度最大，蠕变量最小，建议夏季施工，以减小RAP填料的蠕变量。RAP作为挡墙填料，在施工完成后，强度和变形特性仍受周围环境温度的影响，而考虑温度效应的RAP填料蠕变特性少有研究涉及。

为了进一步探讨季节性环境温度对RAP填料蠕变特性的影响规律和作用机制，本文中参考已有研究[15-16]关于不同季节温度时地表土体的温度变化情况，取代表性温度0、20、35 ℃，开展相应的直剪试验及直剪蠕变试验，研究不同试验温度时RAP填料的强度特性和蠕变性能。

1 试验

1.1 试验材料

RAP填料取自江苏省镇江市某废旧沥青路面，经铣刨、筛分后获得。通过燃烧法测得RAP填料中沥青的质量分数为4.2%，采用比重试验测得RAP填料的相对密度为2.24。图1所示为RAP填料级配曲线与击实曲线。由图1(a)可知，曲率系数为1.13，不均匀系数为7.57，因此RAP填料可近似为级配良好的砂砾土。由图1(b)可知，RAP填料的最优含水质量分数为5.1%，最大干密度为1.88 g/cm3，表明RAP填料具有良好的击实特性。

(a)级配曲线

1.2 试验方案

试验前以最优含水率及最大干密度为控制指标进行RAP试样制备，将试样放入尺寸为10 cm×10 cm×4.8 cm(长度×宽度×高度)的剪切盒中分3层进行击实，击实温度取为50 ℃。表1所示为RAP试样的直剪试验与直剪蠕变试验方案。其中，采用自行研制的应变控制式直剪仪[14]进行直剪试验；采用竖向应力及试验温度进行剪切，剪切速率为2.4 mm/min；采用自行研制的应力控制式直剪蠕变仪[14]开展不同工况下的直剪蠕变试验。通过设置定滑轮，将施加在竖向托盘上的恒定荷载转换为恒定的水平荷载，共施加对应5个不同的剪应力比的恒定水平剪应力，记录剪切位移随时间的变化情况，试验时间设置为7 d。如果加载过程中土样的剪应变超过15%，则停止试验。试验温度有3种工况，20 ℃为室温条件，分别通过在剪切盒外加装制冷式和加热式2种温控箱实现试验温度为0、35 ℃时的工况，精度为1 ℃。

表1 可回收沥青路面试样直剪试验与直剪蠕变试验方案

2 结果与讨论

2.1 直剪试验

图2所示不同试验温度时RAP试样剪应力-剪应变关系。从图中可以看出，各种工况下RAP试样的剪应力-剪应变曲线均呈现应变软化的特性。当试验温度相同时，竖向应力越大，则RAP试样的最大剪应力越大，并且最大剪应力对应的剪应变随着竖向应力的增加而增加。以图2(c)为例，RAP试样在竖向应力为50、75、100 kPa时的最大剪应力分别为62.9、86.3、111.4 kPa，对应的剪应变分别为3.6%、6.0%、6.8%，这主要归因于竖向应力的增加使RAP颗粒被压得更密实，颗粒间咬合更紧密。此外，当竖向应力为50 kPa时，RAP试样在试验温度为0、20、35 ℃时的最大剪应力分别为85.6、68.8、62.9 kPa。随着温度的升高，最大剪应力逐渐减小，表明RAP试样的抗剪强度受试验温度影响显著，这主要归因于温度升高时RAP试样中的沥青成分发生软化，黏性增大，试样内部颗粒翻转，滑移阻力减弱，从而导致最大剪应力减小。

(a)试验温度为0 ℃

图3所示为不同试验温度时RAP试样最大剪应力与竖向应力的拟合关系，不同试验温度时RAP试样的抗剪强度指标黏聚力与内摩擦角如表2所示。从图3中可以看出，随着试验温度升高，黏聚力明显减小，而内摩擦角略微增大。当试验温度从0 ℃升至35 ℃时，黏聚力减小至32.3 kPa，内摩擦角增加4.7°，这主要是由沥青成分的温度敏感性所致。从表2中可以看出，RAP试样的内摩擦角的变化范围为39.4°～44.1°。传统的粗粒土(砂石)填料的内摩擦角一般为40°～48°[17]，因此RAP试样的内摩擦角与传统砂石填料的相近。

τ—剪应力；σ—竖向应力；R—相关系数。

表2 不同试验温度时可回收沥青路面的抗剪强度指标

2.2 直剪蠕变试验

图4所示为不同试验温度时RAP试样的剪应变随时间的对数变化。由图可知，在给定的剪应力比条件下，剪应变随着蠕变时间的增加而增大，表明RAP试样具有明显的蠕变特性。在时间相同的条件下，RAP试样的剪应变随着剪应力比的增大而增大。在试验温度为35 ℃且剪应力比为0.9的工况下，RAP试样的剪应变在较短的时间内迅速增大，表明试样发生蠕变破坏。

(a)试验温度为0 ℃

图5所示为不同工况下RAP试样的剪应变率随时间在双对数坐标下的变化。从图中可以看出，剪应变率随着时间的增加而线性减小。在相同试验温度和时间条件下，剪应力比越大，剪应变率越大，并且不同剪应力时的剪应变率曲线呈近似平行线性关系，即剪应变率曲线的斜率近似相同，已有研究[18]中也报道了类似试验结果。特别地，当试验温度为35 ℃且剪应力比为0.9时，RAP试样的剪应变率在短时间内先减小后快速增大，表明RAP试样发生蠕变破坏，对应最小剪应变率的时间为蠕变破坏起始时间。蠕变速率随时间增大而减小的主要原因在于蠕变变形是由颗粒间滑动引起的。在蠕变过程中，随着变形的增加，RAP颗粒发生轻微的重新排列，从而减小RAP颗粒间滑动的速度和整体的蠕变速率[19]。

(a)试验温度为0 ℃

为了进一步分析温度对RAP填料蠕变性能的影响，考察在剪应力比为0.9的条件下，不同试验温度时RAP试样的剪应变与剪应变率随时间的变化，如图6所示。从图中可以看出，在蠕变时间相同的条件下，温度越高，试样的剪应变及剪应变率越大。比较不同温度时的试验结果可以发现，RAP试样在温度为0、20 ℃时，并未发生蠕变破坏，而当温度达到35 ℃时，试样发生蠕变破坏，表明RAP材料的蠕变变形受温度影响显著，主要原因在于温度升高，沥青软化，RAP颗粒间的黏结强度、摩擦力、剪切阻力减小，导致颗粒间滑动速度增大，表现为RAP材料蠕变变形和蠕变速率增加。由此可知，在实际工程中，不能忽略温度变化对RAP材料蠕变变形性能的影响。

(a)剪应变

2.3 考虑温度影响的蠕变方程

(1)

表3 3个模型参数在不同试验温度时的数值

(a)A

A=0.003T+0.053，

(2)

(3)

m=0.002T+0.834。

(4)

将式(2)、(3)、(4)代入式(1)，可以得到考虑温度影响的RAP填料的蠕变方程为

(5)

图8所示为竖向应力为75 kPa的条件下不同试验温度时RAP试样的剪应变率试验实测值与式(5)计算值对比。从图中可以看出，试验实测值与计算值较吻合，表明本文中基于不同温度工况下拟合的蠕变方程可以较好地反映RAP填料在不同温度及应力比时的蠕变变形规律。由此，在实际工程应用中，应当充分考虑温度影响下的RAP填料的蠕变特性，本模型的建立能为RAP挡墙工程的安全运营和长期稳定性分析提供有效的参考。

(a)试验温度为0 ℃

3 结论

本文中为了研究温度对RAP填料蠕变特性的影响，分别进行了3种不同温度时的直剪试验及直剪蠕变试验，得到以下主要结论：

1)RAP填料的抗剪强度指标受试验温度的影响。黏聚力随着试验温度的升高而减小，内摩擦角随着试验温度的升高而略有增大。

2)试验温度对RAP填料的直剪蠕变变形影响显著。当剪应力比相同时，RAP填料在试验温度较高的工况下，剪应变与剪应变率随时间的变化曲线位于低温度工况下的上方，在剪应力较大时，RAP填料容易发生试蠕变破坏。