李小鵬 ， 趙 軒， 楊美坤

(1.南京道潤(rùn)交通科技有限公司 ，江蘇 南京 210002； 2.東南大學(xué)，江蘇 南京 211189； 3. 山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司， 山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

近年來乳化瀝青就地冷再生技術(shù)因節(jié)約工程材料、環(huán)境污染較小、RAP料利用率高等優(yōu)點(diǎn)在高速公路大中修工程中得到了推廣與利用[1-3]。該技術(shù)目前多用于低等級(jí)公路或高速公路的基層、下面層。隨著我國對(duì)冷再生混合料的不斷深入研究，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，對(duì)冷再生混合料的抗裂性能要求也在不斷提高。參考熱瀝青的做法,一般通過在改性乳化瀝青中添加改性劑來不斷提高瀝青的各項(xiàng)性能。目前道路建設(shè)最常用的改性劑為聚合物改性劑，如熱塑性樹脂類的SBS和橡膠類的SBR等，而SBR膠乳因其制備簡(jiǎn)易、能有效提高混合料的各項(xiàng)路用性能，在乳化瀝青中得到廣泛的應(yīng)用。

近年來國內(nèi)外通常采用斷裂試驗(yàn)的方法定量分析混合料的抗裂性能。由于瀝青混合料是一種復(fù)合型的黏彈性材料，其力學(xué)響應(yīng)顯著依賴于加載時(shí)的溫度和時(shí)間[4]，因此很難在單一試驗(yàn)條件下表征瀝青混合料的抗裂性能。而SCB半圓彎曲試驗(yàn)(Semi-circular Bending Test)因其試件制作簡(jiǎn)便、路面芯樣取芯方便和可重復(fù)性高得到越來越多科研人員青睞。

鑒于此，本文采用無切縫的SCB試驗(yàn)，研究了溫度和加載速率對(duì)靜載條件下冷再生混合料抗裂性能的影響。選擇不同溫度和加載速率的試驗(yàn)條件，根據(jù)荷載-變形曲線，提出了幾種新的斷裂參數(shù)來評(píng)價(jià)瀝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層通過大型銑刨機(jī)銑刨獲得，得到的RAP經(jīng)過烘干后測(cè)出其級(jí)配，避免由于水分造成細(xì)集料的黏結(jié)聚團(tuán)現(xiàn)象。RAP料技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示，其級(jí)配如表2所示。

1.2 乳化瀝青

本文所使用的乳化瀝青有2種，分別為常規(guī)普通冷再生乳化瀝青和添加3%SBR膠乳的改性乳化瀝青。SBR膠乳通過攪拌機(jī)以1 000 r /min的轉(zhuǎn)速加入乳化瀝青中。

冷再生混合料所采用的2種專用乳化瀝青試驗(yàn)結(jié)果見表3，其技術(shù)要求參考《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)。依據(jù)交通部標(biāo)準(zhǔn)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，可以判斷2種乳化瀝青均合格。

表1 RAP料技術(shù)指標(biāo)表類別含水率/%瀝青含量/%砂當(dāng)量/%針片狀顆粒含量/%技術(shù)要求≤3≥3.8≥50≤15檢測(cè)結(jié)果1.84.76212.1試驗(yàn)方法T 0305-1994T 0726-2011T 0334-2000T 0312-2005

表2 RAP料篩分級(jí)配表篩孔尺寸/mm各篩孔的通過率/%篩分級(jí)配級(jí)配范圍級(jí)配中值篩孔尺寸/mm各篩孔的通過率/%篩分級(jí)配級(jí)配范圍級(jí)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 冷再生乳化瀝青試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果類別破乳速率電荷黏度標(biāo)準(zhǔn)黏度C25.3/s黏度恩格拉黏度E2525 ℃賽波特黏度篩上殘留物(1.18 mm篩)/%蒸發(fā)殘留物殘留物含量/%普通乳化瀝青慢陽離子2211.943.20.0363SBR改性乳化瀝青慢陽離子2712 44.10.0164檢測(cè)方法T0658-1993T0653-1993T0621-1993T0622-1993T0623-1993T0652-1993T0651-1993蒸發(fā)殘留物針入度(25 ℃)/0.1 mm軟化點(diǎn)/℃延度(5 ℃)/cm溶解度(三氯乙烯)/%與粗集料的黏附性,裹覆面積與粗、細(xì)粒式集料拌合試驗(yàn)常溫貯存穩(wěn)定性1 d/%5 d/%78.747.7脆斷99.64/5均勻0.060.2 59.159.9≥12099.34/5均勻0.070.23T0604-2011T0606-2011T0605-2011T0607-2011T0654-2011T0659-2011T0655-1993

1.3 水泥

為了提高乳化瀝青冷再生混合料的早齡期強(qiáng)度，添加混合料質(zhì)量2.0%的水泥，規(guī)格為普通硅酸鹽水泥P·O 42.5，檢測(cè)指標(biāo)見表4。

表4 水泥原材料試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果類別安定性標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量/%細(xì)度(80μm/%初凝時(shí)間/h檢測(cè)結(jié)果合格2553.14技術(shù)要求合格≤30≤10≥1.5檢測(cè)方法GB/T1346-2011終凝時(shí)間/h3 d強(qiáng)度/MPa28 d強(qiáng)度/MPa抗折抗壓抗折抗壓4.624.924.18.048.2≤10≥3.5≥16≥6.5≥42.5GB/T 17671-1999

1.4 水

純凈無雜質(zhì)即可。

2 試件準(zhǔn)備及試驗(yàn)方法

2.1 試件成型

參照工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果，冷再生混合料均按照2%水泥、2.79%外摻水量和3.5%乳化瀝青的摻量配比設(shè)計(jì)進(jìn)行成型，使用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀壓實(shí)30次進(jìn)行成型、養(yǎng)生。養(yǎng)生結(jié)束后進(jìn)行試件的切割(見圖1)。

2.2 試驗(yàn)方法

SCB試驗(yàn)在UTM-25多功能試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行試驗(yàn)(見圖2)。該系統(tǒng)主要由控制臺(tái)、測(cè)試儀和環(huán)境箱3部分組成。試驗(yàn)裝置采用三點(diǎn)加載模式，頂部由軸向加載頭進(jìn)行加載，加載的應(yīng)力由電腦系統(tǒng)控制；底部由2個(gè)支撐圓棒組成，圓棒之間的間距為0.8倍的試件直徑，即12 cm。在實(shí)際加載前對(duì)2種冷再生混合料施加0.2 kN的最大接觸力10 s，以確保加載頭與試件之間的接觸均勻。當(dāng)力在峰后區(qū)域降至0.3 kN時(shí)停止試驗(yàn)。在實(shí)際加載過程中，在試件上施加恒定的變形和加載速率，直至破壞。

圖1 半圓試件切割流程

圖2 半圓彎曲試驗(yàn)裝置

不同的瀝青混合料抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)其加載速率不盡相同，對(duì)于SCB試驗(yàn)加載速率國內(nèi)并沒有形成統(tǒng)一的規(guī)定。對(duì)于小梁彎曲試驗(yàn)，我國《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)規(guī)定加載速率通常為50 mm/min，以便與馬歇爾試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)的加載速率相統(tǒng)一。對(duì)于間接拉伸試驗(yàn)，《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 052—83)規(guī)定加載速率為1 mm/min；美國SHRP研究表明，為評(píng)價(jià)低溫性能，常用較慢的速率模擬氣候降溫的收縮應(yīng)力作用，如1.27 mm/min。因此本文采用0.1、1、20、50、80 mm/min 5種不同加載速率研究加載速率對(duì)SCB試驗(yàn)的影響。

哈爾濱建筑大學(xué)在交通部科研項(xiàng)目“瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)與參數(shù)研究”中，根據(jù)對(duì)國內(nèi)各地區(qū)的溫度資料統(tǒng)計(jì)分析，確定了我國的疲勞當(dāng)量溫度為15 ℃，發(fā)現(xiàn)疲勞破壞主要發(fā)生在13 ℃～15 ℃之間，通常認(rèn)為15 ℃為最不利情況。此外，我國《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)[5]中采用15 ℃時(shí)的容許拉應(yīng)力指標(biāo)為參數(shù)值，《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[6]中彎曲試驗(yàn)的溫度也采用15 ℃。因此，本文采用15 ℃作為中溫試驗(yàn)溫度。美國AASHTO規(guī)范中以-10 ℃作為瀝青混合料低溫試驗(yàn)溫度，而我國《瀝青混合料設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG E20—2011)劈裂試驗(yàn)中同樣規(guī)定以-10 ℃的溫度為評(píng)價(jià)混合料低溫性能的溫度。因此，本文的低溫試驗(yàn)溫度確定為-10 ℃。為了后文敘述方便，定義普通乳化瀝青冷再生混合料為CRM，SBR改性乳化瀝青冷再生混合料為MCRM。

2.3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)參數(shù)

豎向加載半圓彎曲SCB試驗(yàn)的荷載變形曲線樣式為施加荷載隨著變形先增大后減小。為全面描述豎向加載條件下冷再生混合料的開裂性能，本文采用如下參數(shù)(見圖3)進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖中Fmax為最大施加荷載；Wc、Wcf為最大荷載前、后斷裂功能量；Dp為最大荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的變形；Dcf為Fmax/2荷載時(shí)對(duì)應(yīng)的變形。

圖3 SCB試驗(yàn)斷裂曲線指標(biāo)含義圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

SCB斷裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖4。

從圖4a和圖4b可以發(fā)現(xiàn)，2種冷再生混合料的斷裂強(qiáng)度指標(biāo)峰值力與抗裂強(qiáng)度在相同溫度下均隨著加載速率提高而增強(qiáng)。當(dāng)試驗(yàn)溫度為15 ℃，加載速率從0.1 mm/min提高到80 mm/min，2種冷再生混合料的峰值力和抗裂強(qiáng)度均提高了4倍，表明在中溫條件下，加載速率對(duì)冷再生混合料強(qiáng)度指標(biāo)有顯著影響；而在低溫條件下，冷再生混合料對(duì)加載速率的敏感性相對(duì)較低。

圖4 斷裂參數(shù)變化圖

從圖4c可以發(fā)現(xiàn)，在低溫條件下2種冷再生混合料的峰前斷裂功均下降明顯，說明在低溫條件下，MCRM和CRM在達(dá)到峰值力前，其力變形曲線快速發(fā)展，斜率增大，呈現(xiàn)脆性破壞；在中溫條件下，與CRM相比，MCRM的峰前斷裂功隨著加載速率提升而逐漸增大，說明隨著SBR膠乳增加，其混合料內(nèi)部的黏結(jié)力不斷增大，抵抗開裂的能力也在不斷增強(qiáng)，且呈現(xiàn)明顯的柔性破壞。從圖4d中可以發(fā)現(xiàn)，除了中溫條件下CRM，其余條件下的冷再生混合料其峰后斷裂功與峰前斷裂功呈相反的發(fā)展趨勢(shì)。

從圖4e可以發(fā)現(xiàn)，MCRM和CRM在2種溫度下的斷裂能差值隨著加載速率變化均呈現(xiàn)由大變小再變大的趨勢(shì)，這意味著在中等速率加載條件下，2種冷再生混合料的溫度敏感性下降，從斷裂能指標(biāo)分析上來看，不建議以20 mm/min和50 mm/min的加載速率區(qū)別冷再生混合料的中低溫抗裂性能。

從圖4f和圖4g可以發(fā)現(xiàn)，MCRM抗裂能力均大于CRM，這是由于添加SBR膠乳使混合料強(qiáng)度增大，在中低溫條件下達(dá)到開裂破壞時(shí)需要產(chǎn)生的變形更大，抵抗開裂的能力得到了顯著提升；圖4g中沒有低溫下的破壞變形是因?yàn)樵诘蜏貤l件下冷再生混合料產(chǎn)生明顯地脆性破壞，峰值力后產(chǎn)生的變形非常小，可以忽略不計(jì)。

從圖4h可以發(fā)現(xiàn)，在中溫條件下，MCRM和CRM在1 mm/min韌性指數(shù)最高，表明在1 mm/min加載速率下2種冷再生混合料在試件開裂時(shí)所發(fā)生的應(yīng)變最大，柔韌性最好；在低溫條件下，MCRM和CRM隨著加載速率上升而下降，其低溫柔韌性不斷減弱。

綜上所述，在同一溫度下，添加了3%SBR膠乳的冷再生混合料較普通乳化瀝青冷再生混合料其峰值荷載、抗裂強(qiáng)度、峰前斷裂功、峰后斷裂功、斷裂能、峰值位移、峰后位移和韌性指數(shù)都有明顯提升，混合料的抗彎拉能力得到顯著增強(qiáng)。

4 結(jié)論

1) 添加3%SBR膠乳可以全面提高冷再生混合料中低溫條件下的抗裂性能。

2) 與低溫條件下相比，中溫條件下加載速率對(duì)冷再生混合料的強(qiáng)度影響更加顯著。

3) 從能量角度評(píng)價(jià)冷再生混合料的抗裂能力，建議以1 mm/min和80 mm/min的加載速率進(jìn)行半圓彎曲試驗(yàn)。