再生沥青路面集料回弹模量与水分的相关性分析

收稿日期：2024-03-18

作者简介：罗振京（1979—），男，本科，工程师，研究方向：公路桥梁施工及试验检测。

摘要 再生沥青路面集料在道路工程中的应用，能够有效解决目前普遍存在的集料短缺问题，符合国家节能减排、可持续发展战略的要求。为了探索再生沥青路面集料的回弹模量与水分之间的相关性，对再生沥青路面集料进行了回弹模量测试和回弹模量与含水量的相关性研究。研究结果表明：再生沥青路面集料的回弹模量与含水量存在一定的相关性，而且随着含水量增加，弹性模量增大。并且，随着含水量的增加，回弹模量与含水量呈线性变化。因此，在选择再生沥青路面集料时，应充分考虑其与普通集料的性能差异性。不同加载频率下的车辙试验验证了其与含水量的相关性。随着温度和加载频率的增加，再生沥青路面集料的回弹模量呈现先增大后减小的趋势。为了更好地评估再生沥青路面集料的回弹模量与其含水量之间的相关性，以及与车辙试验结果的相关性，从单轴压缩试验结果中选取三组不同温度和加载频率条件下的车辙试验数据进行回归分析。结果表明，车辙试验曲线均属于应变硬化型；在不同的加载频率和温度条件下，随着再生沥青路面骨料含水量的增加，车辙试验曲线均属于应变软化型；在不同的加载频率和温度条件下，随着再生沥青路面骨料含水量的增加，车辙试验曲线均属于应变硬化型。

关键词 再生沥青路面；弹性模量；路面弯沉

中图分类号 U416.217文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）11-0057-04

0 引言

沥青路面是目前我国公路建设中应用最为广泛的一种路面形式，具有良好的路用性能[1]。然而，沥青路面在服役过程中，由于交通荷载、环境因素等因素的影响，会出现不同程度的老化现象，使其性能逐渐下降。因此，沥青路面需要进行修复。目前，对沥青路面的修复主要采用两种方法，即热再生技术和冷再生技术。热再生技术是将旧沥青路面材料经过破碎、筛分后重新拌和形成新的沥青混合料。冷再生技术是通过加热旧沥青路面材料，使其与新沥青混合料一起摊铺、压实成型，并达到恢复旧沥青路面结构强度和路用性能的目的[2]。随着公路建设规模不断扩大，在对公路进行建设时会遇到一个不可避免的问题：由于施工质量、气候、环境等因素的影响，很多公路建成后会出现不同程度的病害现象，而这些病害现象则会严重影响公路的使用寿命。因此，如何延长公路使用寿命是目前急需解决的问题之一。研究表明：沥青路面结构中集料是影响其路用性能的重要因素之一。当路面结构处于低温、潮湿或干燥环境时，集料会发生收缩变形而导致路面开裂；当集料处于高温时，会发生膨胀变形而导致路面开裂。

目前，国内外对沥青路面再生技术的研究主要集中在对旧沥青路面材料进行回收再利用上。然而，对于再生沥青路面集料与普通集料性能差异性问题却鲜有研究。RAP是一种广泛应用于道路工程中的新型沥青混合料，主要用于替代传统的沥青混合料。尽管这项技术已被广泛应用于沥青混凝土中，但由于在某些领域的使用越来越多，迫切需要开发其他技术，例如将其用于颗粒路面。然而，目前只有少数公路养护单位使用再生骨料，再生骨料的机械财产与天然骨料有显著差异。

1 路基回弹模量的影响因素

1.1 填土特性

土壤可以根据其颗粒构造、塑性程度、有机组分比例等特征被归类为四大类：含大颗粒土（涵盖圆石、碎石）、中颗粒土（含有石渣、沙质）、细颗粒土（包括细砂、黏土、富含有机物的土壤）以及特异性土壤（如风化土、膨润土、冰冻土等）。在铺设路基的材料选择上，普遍看好沙质黏土作为首选，其次考虑黏性较高的黏土，而认为细砂质黏土的性能较弱。

弹性模数的大小与填充物质的颗粒形状角度以及表面粗糙度有紧密的关系。实验探究表明，随着土粒的棱角度和表面粗糙度提升，弹性模数也会相应增加。举例而言，在含有较多云母的细粒土中，弹性模数会因云母比例的提高而增长；沙砾的回弹模数高于石灰石和碎石；边角型、亚边角型的滚压碎骨料的传力性能优于圆、近圆的卵石，其回弹性能高于圆、准圆、高平均正应力时的回弹性能，且回弹性能也高于圆、近圆形碎骨料。同时，级配形式的变化对材料的回弹性能也有一定的影响[3]。在同样的压实功下，松散级配颗粒的回弹模数一般比密级配要小，这是因为松散级配颗粒的压实难度大，而高密度的颗粒往往回弹模数更高。同时，在由颗粒串构成的载荷传递中，由于颗粒间的接触个数随粒度的增加而减少，在同样的载荷作用下，总变形更小、回弹更高，也就是说，在同样的粒度、同样的粒度分布条件下，粒度越大，回弹模量也就越大。

1.2 压实度

压实的主要功能是利用压实机具产生的短时或振动载荷，将填料颗粒间的相互联系起来，将填料中的空气与水分排出，以减少孔隙率，增加单位土体密度。结果表明，压实程度对回弹系数有较大的影响，压实度标定如图1所示。

图1 压实度标定方法示意图

例如，在高等级道路的修筑中，对80 cm以内的路基压实度要达到96%以上，而80～150 cm的压实度要达到94%以上。实验结果显示[4]，回弹模量随着压实程度的增大而增大，也就是说，随着压实程度的增大，其值也随之增大，并且这一直与土中的颗粒成分有关，一般情况下，随着压实程度的增大，其值也随之增大。但是，回弹模数的提高趋势是随压缩程度的增大而减小的。主要原因在于，在填充土粒子稳定之前，压实作用的增加促使粒子重新排列，从而增强了粒子间的紧密接触，导致回弹模量随之增加。然而，随着压实作用的进一步加强，粒子间的侧压同样上升，使得粒子状况逐渐趋于稳定。由于压实导致的粒子排列变化幅度减小，回弹模量的增长率也会随之降低。

1.3 含水量

根据非饱和土的基本原理，土壤中水分的改变将会引起土壤中的基质吸力的改变，从而对土壤的总体强度造成一定的影响。结果表明，含水率对路基的回弹系数有很大的影响。

如图2所示，在相同的压实程度下，回弹模量随含水率的增大而减小，但其减小程度与含水率相关：在含水率较低的情况下，其减小程度随含水率的增大而减小；在较高的含水率下，随着含水率的提高，土体的回弹系数也随之下降。因此，当地基的含水率达到一定值时，地基对水的敏感性最低，地基的稳定性较好。结果表明：不同的土壤，其最优含水率的变化规律也不尽相同，其回弹模量随含水率的变化规律也不尽相同，如图3所示。

（a）黏性土的状态与含水量关系图

（b）黏性土的状态与界限含水率关系图

图2 黏性土的物理状态变化与含水量、

界限含水率关系图

图3 基于数字图像估算不同密度表层土壤含水率

结果表明，在不同的填筑密度下，不同的填筑层含水率对填筑层的回弹系数有不同的影响；对一种路堤进行了室内实验，结果表明，在路堤的压实度达到85%、含水率从12.9%提高到18.2%的情况下，路堤的回弹模量下降了34.5 MPa，下降48.7%；结果表明，在95%的密实度下，在含水率从12.9%提高到18.2%的情况下，其回弹模量下降了22.4 MPa，下降21.3%。同时，由于路堤是在自然环境中形成的一种结构，因此，其水分含量与该地区的季节降水及其他自然、天气等要素有很大关系。所以，路基的回弹系数往往表现为季节的波动。

研究发现，构造试验的样本、施加的顶部压力以及压力的程度对于回弹值具有区别性的作用。举例来说，顶层的覆盖压力为道路结构设定了初始的轴压值，其对道路的疲劳损害影响微乎其微，然而，对于垂直方向的最大压缩应变影响却可能超过10%；而在相同的土壤环境下，不同压力水平所测得的土壤回弹模量可能相差逾2.5倍。

2 路基回弹模量对沥青路面弯沉与结构层厚度的影响

2.1 路面弯沉

结合三种不同的沥青路面结构分析路基回弹模量对路面弯沉的影响，见表1。

表1 不同路基回弹模量下路面弯沉的试验结果

路面弯沉/

0.01 mm 路基回弹模量/MPa

40 60 80 100 120

路面结构1 43.00 33.50 28.16 24.67 22.19

路面结构2 37.99 27.79 25.20 22.19 20.04

路面结构3 50.27 40.11 34.45 30.79 28.20

从表1中可以发现，在各种类型的沥青路面结构中，随着路基回弹模量的增大，沥青路面的弯沉值都会出现降低的趋势，但是这一关系并不是一种直线的逆比例关系，其降低速度与路基的回弹模量存在一定的联系[5]。例如，对一类道路构造来说，当回弹模量从40 MPa提高到120 MPa时，道路弯曲沉降就随着减少22.09%、15.94%、12.39%、10.05%，也就是说，当道路弯曲沉降就会随着回弹模量的增大而增大，而随着回弹模量的增大，道路弯曲沉降就会减少；在回弹系数增大到某一程度时，道床的弯沉随着回弹系数的增大而减小，并趋于平稳。

2.2 结构层厚度

以某沥青公路路面结构为例，将路面弯沉值设定为30（0.01 mm），在标准轴载作用下，通过改变路基回弹模量的大小，对其对基层设计厚度的影响进行了分析，见表2。

表2 不同路基回弹模量对结构层设计厚度的影响

路面弯沉30

/0.01 mm 路基回弹模量/MPa

40 60 80 100 120

基层厚度/mm 190 165 148 134 123

由表2可知，当弯沉为一定时，所需的结构层数随路基回弹模数的增大而减小。在20 MPa的基础上，由40～120 MPa，按每步20 MPa的回弹系数，可使所需的构造层板厚度减少25 mm、17 mm、14 mm、11 mm。从这一点可以看出，只要对路基回弹模量进行适当的控制，就能有效地达到减少结构层的设计厚度，尤其是在路基回弹模量很低的情况下，回弹模量的微小变化都会对道路的结构厚度造成很大的影响[6]。

3 路基回弹模量对沥青路面抗车辙与抗疲劳性能的影响

在重复汽车荷载下，沥青铺装材料会出现两种不同的损伤形式：一是在车轮运行轨道上发生的永久性变形及在铺装材料上形成的车辙伤；二是疲劳失效，也就是在路面上出现了大量的裂缝，从而导致了路面的疲劳失效。这两种形式也是评价铺装状况的一种常见指数。

在重复荷载作用下，路基的变形主要表现为弹性变形和塑性变形。当路堤顶部的压力变大时，极易发生大的塑性形变，而这些塑性形变又会导致路堤表面的车辙现象。结果显示，增加回弹模数，可明显减小路堤顶部的压力应力，使路堤顶部的塑性变形和车辙减少[7]。而在沥青混合料中，最大弯拉应力越大，越易出现疲劳损伤。在此基础上，采用不同的加载方式并进行比较。但是，随着回弹模量的增加，回弹对沥青混合料的疲劳特性的影响逐渐减弱。另外，当回弹模数增加时，其本身的最大弯拉应力也会随之增加，所以，回弹模数也不能太大。

作为一项重要的公路工程设计指标，其回弹模量受到填料性质、压实度和含水率等诸多因素的影响，直接关系到公路工程中的弯沉值、结构层厚度和抗车辙和疲劳性能。所以，如何选取合适的回弹系数，不仅关系到道路工程的安全与经济，也是提高道路工程质量、提高道路工程投资效益的关键。通过不同温度、不同加载频率条件下的车辙试验验证其与含水量之间的相关性，结果表明：随着含水量的增加，再生沥青路面集料回弹模量呈先增大后减小的变化趋势；当再生沥青路面集料中水分含量在12%～16%时，其回弹模量与含水量之间的相关性最佳；再生沥青路面集料回弹模量随温度的升高而增大，在低温环境下，随着温度升高会出现不同程度的降低。车辙试验结果表明：随着含水量的增加，车辙深度呈增大趋势；在含水量为12%～14%时，车辙深度达到最大值；在含水量为14%～16%时，车辙深度趋于稳定；在含水量为16%～18%时，车辙深度最小。

课题组发现，100% RAP掺量的混凝土具有更高的刚度和弹性模量，但相对于密实级配的混凝土，其抗剪强度明显低于密实级配的混凝土，对其进行了初步试验，结果表明：100% RAP掺量的混凝土无法保证其质量。在此基础上，采用自然骨料与再生混凝土进行复合，可获得理想的力学性质及工程品质。但对于再生骨料在沥青混合料中的适用范围，以及再生骨料在沥青混合料中的应用，国内外的相关研究较少，且缺少详细的实验数据。RAP是一项综合考虑多种因素，能够更好地描述沥青混凝土的结构特征，为沥青混凝土的设计与分析奠定基础。影响RAP弹性模量的两大因素是应力状态与材料的含水量，而含水量与弹性模量之间的关系是一项重要的研究内容，通过对二者之间的关系的研究，可以清晰地认识到材料在不同情况下的特性，也可以清晰地认识到材料的使用寿命。

4 结论

随着社会经济的发展，道路交通量的迅速增加，对路面材料的使用性能和总体品质的要求也越来越高。道路工程的特殊性导致了道路工程中各种病害的产生，对道路工程的设计、施工、养护等都有很大的影响。

基底层主要作用是支撑由道路表面层向下传递的交通载重，努力避免因应力或变形过度而导致的路面车辙形成和疲劳损伤。其承载力、硬度及其稳定性对于道路下沉、结构层的厚度以及路面的内应力分布有显著影响。弹性模量是评价基底层关键的力学性能指标，其揭示了施加的轴向应力与弹性变形之间的关系，反映了基底层的承载力、硬度和稳定特征，国内外在沥青路面设计、施工检测和使用期间的质量评估中已广泛采用。因此，分析弹性参数，并将其应用于沥青混合料设计中，对于提升沥青混合料的整体质量和投资回报率具有极其重要的意义。

参考文献

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[3]马悦. 路基回弹模量对公路沥青路面结构的影响研究[J]. 交通世界， 2021（33）： 103-104+110.

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