再生沥青混合料低温抗裂性能研究

谭仕维

(广西壮族自治区环江公路养护中心,广西 河池 547100)

0 引言

近些年来,随着我国交通工程建设的不断推进,高速公路的总里程数迅速增加,其覆盖范围得到了巨大的改善。沥青路面因其具有较高的整体强度、低振动、良好的稳定性等优点,在我国得到了广泛的应用。但与此同时,在现在和未来对公路进行的翻修扩建过程中,不可避免地会产生大量沥青废料,沥青废料的随意堆放将会对生态环境造成很大的影响,从可持续发展的理念出发,对沥青废料的回收再利用已经成为研究热点。

目前,已有研究成果显示,对于沥青混合料回收料(Reclaimed Asphalt Pavement,RAP),除了沥青发生了老化,混合料中其他材料的性能依然可以满足工程要求,甚至在一定程度上可提高路面性能[1]。李晓民等[2]发现可以添加再生剂,通过促进沥青分子的运动,达到提高沥青再生料的低温抗裂能力的目的。李达[3]通过试验方法研究了RAP掺量对沥青混合料耐久性的影响,发现RAP的掺入使得再生沥青混合料在低温环境下向脆化方向发展。顾兴宇等[4]研究了再生混合料在冻融循环作用下的性能衰减规律,得出为充分保证再生沥青混凝土道路的耐久性,应当对RAP掺量做出科学评估这一结论。通过前人的研究成果可以看出,RAP掺量对再生沥青混合料的性能有很大的影响,适当的掺量可以提高公路的部分性能,但也会使再生沥青混凝土道路的低温抗裂性能变差。

本文为研究再生沥青混合料的低温抗裂性能,在控制试验温度为-15 ℃的情况下设计对照试验,对试验结果进行分析,讨论盐浓度和加载速率对再生沥青混合料低温抗裂性能的影响,以期为公路再生沥青混合料路面低温抗裂性能以及劣化机制的研究提供借鉴。

1 再生沥青混合料配合比设计

传统的再生沥青混合料级配设计方法存在较大的局限性,主要原因是其仅控制RAP掺量这一个变量,使再生沥青混合料的级配曲线尽量接近目标曲线,这种方法虽然可以减少工作量,但得到的级配曲线并不稳定,在后期会对再生沥青混合料的性能评估产生严重影响。本试验为了规避这一问题,先对旧集料进行预处理,去除杂质,然后对新旧集料统一分配,保证级配的稳定性。下料单如表1～4所示。确定的各RAP掺量下的最佳沥青用量如下页表5所示。

表1 0 RAP掺量再生沥青混合料下料单表

表2 10%RAP掺量再生沥青混合料下料单表

表3 30%RAP掺量再生沥青混合料下料单表

表4 50%RAP掺量再生沥青混合料下料单表

表5 各RAP掺量下的最佳沥青用量表

2 试验设计

2.1 试件的加工

本试验所需的所有试件均由标准的马歇尔试件切割完成,控制高度为64 mm。试件切割如图1所示。

图1 试件切割示意图

2.2 试验设计依据

2.2.1 盐浓度设计

在我国多数地区,包括除冰盐等各类盐分子可以通过各种方式侵入路面,显著降低沥青与集料的粘附性。本文为探究盐浓度对再生沥青混合料低温抗裂性能的影响,设置了三种氯盐浓度,分别为0、10%和20%,在不同氯盐浓度下进行低温加载试验。

2.2.2 加载速率设计

沥青混合料的强度是由两个部分组成的,分别为集料产生的内摩阻力和沥青产生的粘结力。在三点弯曲断裂试验中,试件内部存在压应力和拉应力,其中压应力主要由骨架产生的内摩阻力承受,而拉应力主要由沥青和集料之间的粘结力承受。再生沥青混合料的强度主要取决于新沥青和旧沥青之间的融合程度,与正常的沥青混合料不同,再生沥青混合料的融合程度达不到100%,所以很多情况下,对于再生沥青混合料在不同环境下的加载速率并没有理论指导;同时,由于低温情况下试件的破坏状态为脆性破坏状态,加载速率对再生沥青混合料的影响是不可逆的。因此,本文为研究加载速率对再生沥青混合料的影响,在试验中设置了三种不同的加载速率,分别为2 mm/min、5 mm/min和10 mm/min。

2.3 试验步骤

(1)将切割好的试件分组,贴好标签。

(2)将贴好标签的试件按照氯盐浓度放入不同的水浴箱中水浴,水浴温度为25 ℃,设定30个侵蚀周期。

(3)将低温箱的温度设定为-15 ℃,将试件分批次放入低温箱,气冻6 h。

(4)待气冻完成后,将试件分批次取出放入保温箱,控制每一批试件在10 min内加载完毕。

3 低温抗裂性能研究

3.1 指标分析

试件加载曲线如图2所示,根据加载曲线可计算试件的断裂功,其主要原理如下。

图2 试件加载曲线图

Wf=ʃPdu

(1)

(2)

式中:Wf——试件断裂功(J);

P——施加的荷载(kN);

u——P对应的位移(mm);

Gf——试件断裂能(J/m2);

r——试件半径(mm);

a——试件切口长度(mm);

t——试件厚度(mm)。

基于能量守恒定律,可采用断裂能评价试件低温抗裂性能,即在低温的环境下,外部荷载对试件施加的能量全部转换为试件开裂所需的能量。

3.2 试件低温抗裂性能分析

3.2.1 盐浓度对断裂能的影响

盐浓度对再生沥青混合料性能的影响如图3所示。

(a)加载速率:2 mm/min

以加载速率为2 mm/min时为例,讨论盐浓度对再生沥青混合料性能的影响。随着RAP掺量逐渐增大,断裂能逐渐减小。当RAP掺量不变时,随着盐浓度增大,断裂能也逐渐减小,但随着RAP掺量逐渐增大,试件断裂能的下降速率随着盐浓度的增加而有所降低。这一规律与加载速率5 mm/min和10 mm/min两种情况一致。分析这种现象的原因为,旧集料表面存在老化程度较大的沥青,有较大的黏度,使氯离子难以进入,减小了盐对沥青路面的损伤。因此,增大RAP掺量在一定程度上可以增强再生沥青混合料的抵抗盐分侵蚀的能力。

3.2.2 加载速率对断裂能的影响

加载速率对再生沥青混合料性能的影响如图4所示。

(a)盐浓度:0

以盐浓度为0时为例,讨论加载速率对再生沥青混合料性能的影响。随着RAP掺量逐渐增大,断裂能逐渐减小。当RAP掺量不变时,随着加载速率减小,断裂能也逐渐减小,这种规律在盐浓度为10%和20%两种情况下也满足,说明断裂能和加载速率之间呈现一种正相关的关系。因为能量释放的延时效应,即当加载速率较大时,试件承受外部荷载,内部积累的能量来不及释放,导致试件的峰值荷载提高,试件破坏时能量瞬间释放,呈现脆性破坏的特征。而当加载速率较小时,试件内部的能量积累随着加载逐渐释放,在试件内部的缺陷处产生应力集中,裂隙逐渐扩展,试件呈现延性破坏的特点。

4 结语

在现在和未来对公路进行的翻修扩建过程中,不可避免地会产生大量沥青废料,沥青废料的随意堆放将会对生态环境造成很大的影响,从可持续发展的理念出发,对沥青废料的回收再利用已经成为了一大研究热点。本文为研究各项指标对再生沥青混合料的低温抗裂性能的影响,在控制试验温度为-15 ℃的情况下设计对照试验,对试验结果进行分析,所得主要结论如下:

(1)再生沥青混凝土的质量受到很多因素的影响,其中最主要的就是旧集料的性能,对回收来的旧集料进行检测和分类,确认其是否可以作为再生料使用是非常重要的。对旧集料进行预处理,去除杂质,然后采取新旧集料统一分配的方式,可以保证级配的稳定性。

(2)基于能量守恒定律,可采用断裂能评价试件低温抗裂性能。随着RAP掺量逐渐增大,断裂能逐渐减小;当RAP掺量不变时,随着盐浓度增大,断裂能也逐渐减小,但随着RAP掺量逐渐增大,试件断裂能的下降速率随着盐浓度的增加有所降低。

(3)当RAP掺量不变时,随着加载速率减小,断裂能也逐渐减小,断裂能和加载速率之间呈现一种正相关的关系。