基于超声波法的冻融作用下冷再生混合料路用性能预测研究

杨彦海,岳靓,杨野,2*

(1.沈阳建筑大学 交通与测绘工程学院,沈阳 110168；2.大连海事大学 交通运输工程学院,辽宁 大连 116026)

0 引言

冷再生技术是一种低碳环保型筑路技术，能够充分发挥其能源消耗低、环境污染小、性价比高的特点对废旧沥青路面材料进行再生利用，目前在国内外已广泛使用[1-2]。然而我国幅员辽阔，季节性冰冻区分布广泛，占国土面积的50%以上，且随着近年来南方地区的降雪冰冻天气明显增加，使得冷再生材料铺筑的路面在季冻区服役过程中需要承受更多的冻融循环作用。通过大量的实际工程钻芯取样发现，冻融循环作用下由于温度应力和冻胀力以及行车荷载的作用，冷再生层芯样往往因强度不足而普遍出现破碎和松散等现象。因此，对冻融作用下冷再生混合料路用性能的精准预测可以有效预防路面病害的产生。然而，传统的路面评价与检测过程通常先钻取路面材料芯样，再通过标准室内试验获得相应性能，其鉴定过程复杂，试验周期较长[3-4]，且对原有路面造成不可逆的损伤。因此，本研究针对利用超声波无损检测技术预测冻融作用下冷再生混合料路用性能进行研究。

超声波法在土木工程中的应用最早始于20世纪40年代的英国、加拿大等国家，20世纪70年代以来得到了迅猛的发展。近年来，国内外学者对于超声波检测技术的研究主要集中在利用超声波检测水泥混凝土材料的配合比参数、强度参数、损伤演变规律以及冻融循环作用下的内部损伤特性等[5-11]。而对于沥青混合料，顾兴宇等[12]研究了沥青混凝土超声波检测的衰减特征与影响因素。齐兰[13]建立了基于超声波探测的路面无损检测模型和方法，为高速公路的路面结构质量检测提供支撑服务。于函[14]运用超声波检测技术对透水混凝土试件的超声波波速进行测定，研究了超声波波速与总孔隙率、干密度、渗透系数、抗压强度及抗折强度之间的关系，并在冻融耐久性试验中采用超声波波速的冻融损伤度、超声波波速损失率与质量损失率3种冻融损伤评价指标评价透水混凝土冻融损伤劣化程度。潘晓军[15]建立超声波在沥青路面中传播的模型，分析超声波在沥青混凝土路面中的传播衰减规律，分析并推导了沥青混凝土路面黏弹性对超声波的衰减作用以及黏弹性介质与超声波速度的关系式。Norambuenacontreras等[16]提出了在特定温度下沥青混合料动态模量的超声波测定方法，但此方法的测定结果普遍大于动态试验计算的动态模量。针对较为致密以及多孔的混合料，该研究给出了不同的修正系数，以利用修正超声波法测定的动态模量。崔新壮等[17]测试不同高度与不同损伤状态试件的超声波速，研究沥青混合料内部损伤对超声波速的影响规律，并对其进行尺寸效应修正。易军艳[18]将超声波检测技术引入沥青混合料的冻融试验中，但冻融循环试验中温度、含水率及空隙率等因素变化频繁，混合料动态模量、密度以及裂纹尺寸与深度对超声波检测结果影响较大[19]，直接对冻融循环后的马歇尔试件进行超声波速检测结果准确性较差[20-21]。根据沥青混合料微细观结构特点以及试验条件，探究试验过程中影响超声波速的因素，提出超声波速修正时间公式或采取多个测量点进行测量的方式，能够消除部分材料自身因素以及人为因素对试验数据的影响。修正的超声波速往往与沥青混合料经冻融后的强度性能呈现良好的相关关系，通过拟合得到的经验公式预测混合料的强度性能具有一定的可靠性[22-24]。

目前，超声波检测技术在道路工程中的应用仍处于探索阶段。本研究在乳化沥青冷再生混合料性能试验的基础上，利用超声波检测技术对冻融作用下冷再生混合料路用性能进行预测，建立冻融循环次数与路用性能衰变的关系，从而避免实际检测对原有路面造成损伤，实现路用性能无损检测。

1 试件制备与试验方法

1.1 原材料与配合比设计

本研究使用的沥青混合料回收料(Reclaimed Asphalt Pavement，RAP)来自辽宁省某一级公路的铣刨料，试验时将其筛分成单粒径使用。新集料来自辽宁省辽阳市的石灰岩碱性集料，为保证乳化沥青冷再生混合料的强度和性能，试验中添加了30%的石灰岩。乳化沥青为慢裂型阳离子乳化沥青。水泥为辽宁省某厂生产的32.5普通硅酸盐水泥。试验中使用的水为洁净，不含油污、泥土等杂质的饮用水。本研究使用的原材料均满足相关规范要求。

本研究采用的级配类型是中粒式乳化沥青冷再生混合料。首先按照级配要求进行RAP和水泥、新集料和水泥的配合比设计，并按照合成新旧集料质量比为3∶7的比例得到最终合成级配，其级配曲线如图1所示。根据《公路沥青路面再生技术规范》(JTG/T 5521—2019)[25]规定，通过空隙率、15 ℃劈裂强度、干湿劈裂强度比等确定最佳乳化沥青用量为3.5%，外掺最佳含水率为3.0%。

图1 级配曲线Fig.1 Gradation curve

1.2 冻融循环试验

将成型的标准马歇尔试件在压强为98.3～98.7 kPa的真空条件中做真空饱水处理，然后将其取出放入袋中，注入3～5 mL水后密封[26]并放入冻融循环箱中，设定冻结温度为-20 ℃，融化温度为20 ℃。试件中心温度先从室温降至-20 ℃后保温1 h，再升温至20 ℃后保温1 h，此过程作为1次冻融循环，分别进行0、5、10、15、20次冻融循环。

2 冻融作用下冷再生混合料路用性能

2.1 高温稳定性

本研究采用高温单轴贯入强度试验测得的高温贯入强度来评价冷再生混合料的高温稳定性。试验前先将试件与直径为28.5 mm的压头置于60 ℃烘箱中保温6 h，试验加载速率为1 mm/min，分别对冻融0、5、10、15、20次后的冷再生混合料试件进行高温贯入试验。试验结果如图2所示，贯入深度增长率和强度损失率见表1。

图2 高温贯入试验结果Fig.2 The results of high temperature penetration test

表1 贯入深度增长率及贯入强度损失率Tab.1 Penetration depth growth rate and penetration strength loss rate

由图2与表1可知，乳化沥青冷再生混合料的高温稳定性随着冻融循环次数的增加而降低。未经冻融处理的冷再生混合料贯入强度为1.07 MPa，贯入深度为1.19 mm；经历20次冻融循环后，冷再生混合料贯入强度降为0.70 MPa，贯入深度为1.65 mm。其中，第10次冻融到第15次冻融后混合料的贯入深度增长及强度损失最为明显；第5次冻融到第10次冻融次之；20次冻融循环后的贯入深度增长累计达38.65%，贯入强度损失累计达34.57%。

2.2 低温抗裂性

本研究采用低温劈裂试验测得的低温劈裂强度来评价冷再生混合料的低温抗裂性。试验前先将经历不同冻融循环次数的试件置于环境箱中保温5 h以上，试验温度控制为-10 ℃，试验加载速率为1 mm/min，分别对冻融0、5、10、15、20次后的冷再生混合料试件进行低温劈裂试验。试验后试件如图3所示，试验结果如图4所示，低温劈裂强度损失率见表2。

图3 低温劈裂试验Fig.3 Low temperature splitting test

图4 低温劈裂试验结果Fig.4 The results of low temperature splitting test

表2 低温劈裂强度损失率

由图3可知，在低温劈裂试验后，试件的破坏形式以沿径向分布的贯穿裂缝为主，各试件破坏形式趋于一致，说明试件成型比较均一，变异性较小。试件随冻融次数的增加，其表面变得粗糙且有少量细集料脱落，主裂纹宽度与条数明显增加，说明冻融作用使得胶浆性能受到损伤，其界面黏结强度下降，随着损伤积累出现微裂纹，微裂纹不断萌生、扩展、搭接和贯通，最终造成在细观层面上混合料空隙增大，从而导致混合料宏观性能的衰减与路面病害的产生。由图4与表2可知，乳化沥青冷再生混合料的低温抗裂性随着冻融循环次数的增加而降低。未冻融试件低温劈裂强度为1.03 MPa；经历20次冻融循环后，低温劈裂强度为0.56 MPa。其中，第5次冻融到第10次冻融后混合料的强度损失最为明显；第10次冻融到第15次冻融次之；20次冻融循环后的低温劈裂强度损失累计达45.78%。

2.3 水稳定性

本研究采用劈裂试验测得的劈裂抗拉强度及冻融劈裂强度比(TSR)来评价冷再生混合料的水稳定性。分别对冻融0、5、10、15、20次后的冷再生混合料试件进行冻融劈裂试验。试验后试件如图5所示，试验结果如图6与表3所示。

图5 冻融劈裂试验Fig.5 Freeze-thaw splitting test

图6 冻融劈裂试验结果Fig.6 The results of freeze-thaw splitting test

表3 冻融劈裂强度损失率Tab.3 Freeze-thaw splitting strength loss rate

由图5可知，在冻融劈裂试验后，试件的外观表现、破坏形式及分布与未冻融情况下试件相同，但裂缝贯穿的同时伴随着多条支缝，破坏程度更为严重。由图6与表3可知，冷再生混合料的水稳定性随着冻融循环次数的增加而降低。未经冻融处理的冷再生混合料劈裂强度为0.70 MPa；经历20次冻融循环的冷再生混合料劈裂强度为0.53 MPa，TSR为73.2%，低于规范值75%。其中，冻融劈裂强度最明显损失发生于冻融15次到冻融20次；20次冻融循环后的强度损失率累计达24.67%。

综上所述，冷再生混合料经历不同次数的冻融循环作用后，高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性均有不同程度的衰减，且呈现出一定的规律性，其原因主要在于冻融循环作用破坏了胶浆与集料间的黏结性以及集料相互嵌挤形成的骨架效应，致使混合料内部黏聚力明显降低，进而导致路用性能的显著降低。

3 冻融作用下冷再生混合料超声波检测

冷再生混合料在经历0、5、10、15、20次冻融循环后，利用非金属超声检测仪对其超声波速进行测定。由于冷再生混合料表面粗糙，测定超声波速时在探头表面涂上适量的凡士林，从而排除探头与试件表面的空隙中空气，提高测量精度。此外，为了使测试数据更为准确，每个试件分别选取5个测点进行超声波速测定并取其平均值作为测定结果。

根据以上试验方案分别对冻融0、5、10、15、20次后的冷再生混合料试件进行超声波检测，每组冻融循环分别设置3个试件进行超声波速测试，测试结果见表4。

表4 超声波速测试结果Tab.4 The results of ultrasonic velocity test

由表4可知，随着冻融循环次数的增加，冷再生混合料试件的超声波速逐渐减小，平均每增加5次冻融循环超声波速降低4%～6%。其原因在于冻融循环作用造成了沥青混合料内部损伤，内部出现新的空隙，同时大量闭口空隙相互连通，导致混合料空隙率增大。超声波在水与空气中的传播速度低于在沥青混合料中的传播速度，因此水与空气填充于混合料内部新增的空隙中后，试件超声波速降低。

4 超声波速与路用性能关系建立

为建立超声波速与冷再生混合料路用性能的相关关系，本研究对超声波速与高温贯入强度、低温劈裂强度、TSR进行指数函数拟合，计算公式为

σ=aebv。

(1)

式中：σ为沥青混合料性能指标；v为超声波速；a、b均为回归系数。

由于真空饱水处理过程中的水无法浸入闭口空隙中，但试件经冻融循环作用后，试件固有的微裂纹、闭口空隙以及开口空隙相互连通，产生了新的开口空隙，水和空气逐渐分布其中。而超声波在水中、空气中和混凝土中的传播速度相差甚远，这就不可避免地改变了超声波速的传播特性。因此，超声波速与路用性能指标拟合结果需要采用修正时间公式[27]对饱水混合料的超声波速进行修正，以减缓开口空隙中的水的影响，计算公式为

(2)

式中：t为开口空隙超声波速修正时间，μs；Sa为试件的吸水率，%；h为试件高度，mm；Vw为超声波在水中的传播速度，取1.5×103m/s。

综上所述，将超声波在冷再生试件中的实测传播时间与按公式(2)计算得到的修正时间求和，其结果即为削弱开口空隙中受水的影响后超声波在试件中的理论传播时间，并将冷再生沥青混合料的路用性能指标与修正后的超声波速进行拟合，拟合结果如图7—图9所示。

图7 高温贯入强度拟合结果Fig.7 The fitting results of high temperature penetration strength

图8 低温劈裂强度拟合结果Fig.8 The fitting results of low temperature splitting strength

图9 TSR拟合结果Fig.9 The fitting results of TSR

由图7—图9可知，修正后的超声波速与高温贯入强度(σP)、低温劈裂强度(RT)、冻融劈裂强度比(TSR)的拟合函数(TSR)如公式(3)—公式(5)所示。

σp=0.172 71e0.000 850 964v，R2=0.934 21 。

(3)

RT=0.064 7e0.001 33v，R2=0.951 31 。

(4)

TSR=26.146 98e0.000 627 981v，R2=0.948 98 。

(5)

由公式(3)—公式(5)可知，修正后的超声波速与路用性能的相关性较好，R2分别达到0.934 21、0.951 31、0.948 98，且不同冻融循环次数的测试值集中现象得到改善。因此，通过修正时间公式修正超声波速的方法能够有效地减缓开口空隙中水分的影响，修正后的超声波速更接近冷再生混合料中超声波真实的传播速度，修正后的超声波速与高温贯入强度、低温劈裂强度、TSR的拟合函数可以用于混合料路用性能预测。

5 冷再生混合料路用性能预测分析

本研究通过测量不同冻融循环次数下的超声波速，利用超声波速与路用性能之间的关系，得到冻融循环次数与路用性能之间的联系，从而利用回归拟合方程建立起路用性能的预测模型，实现对季冻区冻融作用下冷再生混合料的路用性能预测。本研究分别对冻融3、7、12、17次后的冷再生混合料试件进行超声波速检测，检测结果见表5。并根据公式(3)—公式(5)预测其高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性，预测结果见表6。

表5 不同冻融循环次数下的试件超声波速检测结果Tab.5 The ultrasonic velocity test results of specimens under different freeze-thaw cycles

表6 冷再生混合料路用性能预测值Tab.6 Prediction value of road performance of cold recycled mixture

为了验证预测结果的准确性，分别补充冻融3、7、12、17次后的冷再生混合料高温贯入试验、低温劈裂试验和冻融劈裂试验，试验结果见表7。高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性折减如图10所示。

表7 冷再生混合料路用性能实测值Tab.7 Measured value of road performance of cold recycled mixture

图10 冻融循环下冷再生混合料性能折减Fig.10 Performance reduction of cold recycled mixture under freeze-thaw cycle

由表7及图10可知，高温贯入强度、低温劈裂强度和TSR均随着冻融循环次数的增长呈现出不同程度的折减。其中，第7次至第12冻融循环贯入强度损失12.54%，接近第10次至第15冻融循环贯入强度损失13.87%的结果；第7次至第12冻融循环低温劈裂强度损失17.22%，接近第5次至第10冻融循环贯入强度损失18.52%的结果；经历3、7、12、17次冻融循环后，冷再生混合料TSR的平均值分别为94.4%、87.2%、82.3%和75.9%，与经历5、10、15、20次冻融循环后的冷再生混合料TSR的平均值92.1%、86.8%、80.3%和73.2%相比具有一定的合理性。因此，补充的冻融3、7、12、17次后的冷再生混合料路用性能试验数据具有一定的正确性，能够用于性能预测分析。

本研究将高温贯入强度、低温劈裂强度、TSR的预测值与试验实测值进行对比，预测结果误差值统计见表8。

由表8可知，高温贯入强度、低温劈裂强度和TSR的预测误差均保持在6%以下，预测结果具有一定的准确性。根据不同冻融循环次数下冷再生混合料路用性能试验实测值与预测值的平均值，绘制实测曲线及预测曲线分别如图11—图13所示。

表8 路用性能试验预测误差Tab.8 Prediction error of road performance test

图11 高温贯入强度预测曲线Fig.11 High temperature penetration strength prediction curve

图12 低温劈裂强度预测曲线Fig.12 Low temperature splitting strength prediction curve

图13 TSR预测曲线Fig.13 TSR prediction curve

由图11—图13可知，随着冻融循环次数的增加，冷再生混合料高温贯入强度、低温劈裂强度和TSR的试验实测值与预测值均有不同程度的折减，且二者的变化规律较为一致，高温贯入强度、低温劈裂强度、TSR的预测误差较小。因此，利用修正后的超声波速预测冷再生混合料的路用性能具有一定的可靠性。

6 结论

本研究通过检测在不同冻融循环次数作用下乳化沥青冷再生混合料试件的超声波速并进行修正，建立了超声波速与路用性能之间的相关关系，从而实现了利用超声波速预测冷再生混合料高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性的目的。通过以上分析，本研究得到结论如下。

(1)冷再生混合料试件的超声波速随冻融循环次数的增加明显降低，平均每增加5次冻融循环超声波速降低4%～6%。

(2)分别建立了超声波速与高温贯入强度、低温劈裂强度和TSR的拟合函数，且能够用于混合料路用性能预测。

(3)根据拟合公式分别对冷再生混合料高温贯入强度、低温劈裂强度和TSR进行预测，预测误差均保持在6%以下。因此，超声波法预测冷再生混合料的路用性能具有一定的准确率及可靠性。