李寧 王中原 唐偉 袁守國 詹賀

摘 要：為研究既有瀝青路面車轍狀況下廠拌熱再生路面的動態(tài)力學響應，本文通過現(xiàn)場獲取不同車轍深度的路面芯樣，并室內制備不同RAP摻量的廠拌熱再生瀝青混合料，通過動態(tài)模量試驗評價材料的力學性能；利用3D-Move Analysis有限元軟件分析不同結構組合的廠拌熱再生瀝青路面動力響應。結果表明：動態(tài)荷載作用下，再生路面各瀝青面層均出現(xiàn)了拉壓交互和應力集中的現(xiàn)象，再生路面結構隨著車轍發(fā)展深度的加深出現(xiàn)拉裂破壞等病害的風險增加，但一定的車轍發(fā)展深度有助于提高瀝青路面的承載能力。RAP摻量和既有路面車轍發(fā)展深度的改變將會使路面結構的模量組合發(fā)生變化，再生路面結構力學響應受這兩種因素影響較大。為減少再生路面結構的永久變形并提高其耐久性，應充分考慮再生層和既有路面中面層的模量組合，從而改善再生路面結構受力情況。

關鍵詞：高速養(yǎng)護；熱再生路面；力學響應；RAP摻量； 車轍深度

中圖分類號：U491

文獻標志碼：A

隨著我國“雙碳”建設目標的提出，節(jié)能減排、綠色低碳已經(jīng)成為社會發(fā)展的必然方向。在作為碳排放重點行業(yè)的交通運輸領域中，公路建設養(yǎng)護方面占比超84.1%，綠色轉型的需求與日俱增［1］。瀝青路面廠拌熱再生養(yǎng)護技術不僅能夠重新利用瀝青路面廢舊料（RAP-reclaimed asphalt pavement），節(jié)約礦料和瀝青等不可再生資源，符合低碳的發(fā)展要求，而且適用層位廣，施工工藝簡單，因此應用也越來越廣泛［2-3］。

廠拌熱再生瀝青路面結構組成與材料性質較為復雜，在荷載作用下的力學響應與新建路面或采用銑刨重鋪技術養(yǎng)護的路面會存在一定差異，從而影響路面結構的設計［4］。因此，不少學者對廠拌熱再生瀝青路面的力學響應展開研究。WALDENMAIER等［5］發(fā)現(xiàn)熱再生瀝青混合料用于上面層有助于抵抗路面的永久應變。薛廖卿等［6-7］在測得廠拌熱再生瀝青混合料的抗壓回彈模量后，通過彈性層狀體系論證了其應用于大粒徑透水性瀝青路面的可行性，但該研究僅停留在靜定荷載上，與路面實際承載狀態(tài)有所差別。黃志義等［8］分析了在非均布移動荷載下廠拌熱再生瀝青路面的動力響應，得出拉壓應變交替及應力集中是導致熱再生路面容易發(fā)生疲勞破壞的原因。

然而，上述研究在分析廠拌熱再生瀝青路面力學響應時，并未考慮原有路面的實際性能狀況，尤其在高溫的南方地區(qū)，絕大部分高等級瀝青路面都存在一定程度的車轍病害［9］。因此，為了分析在既有路面車轍狀況下廠拌熱再生路面的動力響應，本研究現(xiàn)場鉆取不同車轍深度的瀝青路面芯樣，并室內制備不同RAP摻量的熱再生瀝青混合料，通過動態(tài)模量試驗評價材料的力學性能；利用3D-Move Analysis有限元軟件分析廠拌熱再生瀝青路面的力學響應，評價路面車轍及RAP摻量對路面動力響應的影響。今后在高溫車轍地區(qū)利用廠拌熱再生技術進行養(yǎng)護時，研究結果有望對養(yǎng)護時機的選擇及再生混合料的設計提供指導依據(jù)。

1 既有路面芯樣動態(tài)模量試驗及分析

1.1 芯樣處理與試驗

在江蘇省某路段（路面結構為4 cmSMA-13+6 cmSUP-20+8 cmSUP-25）不同車轍深度的輪跡帶處（3.4 mm，8.3 mm，10.6 mm，14.3 mm和18 mm）分別鉆取4個直徑100 mm，高度150 mm的瀝青層芯樣，用于單軸壓縮動態(tài)模量試驗，為廠拌熱再生路面動力響應分析提供數(shù)據(jù)支撐。眾多研究表明，在所有層位中，中面層為瀝青路面車轍產(chǎn)生的主要層位［10-11］。因此按照LI等［12］的方法，將整體芯樣的上、下端分別切除10 mm和20 mm，安裝位移傳感器于中面層處，如圖1所示。試驗結果主要表征中面層的動態(tài)模量。

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011，下簡稱為規(guī)范）T0738［13］，利用UTM-25液壓伺服機對芯樣進行單軸壓縮動態(tài)模量試驗。試驗采用應力控制模式施加半正弦荷載，溫度順序為-10、5、20、35和50 ℃，頻率順序為25、10、5、1、0.5、0.1 Hz。

1.2 動態(tài)模量主曲線分析

瀝青混合料作為一種典型的黏彈性材料，具有明顯的時溫依賴性。根據(jù)時溫等效原則［14］，可以將混合料不同溫度下的動態(tài)模量進行平移至參考溫度下，擬合成一條光滑的動態(tài)模量主曲線，得到更寬頻率和溫度范圍內的動態(tài)模量。本文中以20 ℃為參考溫度，選用Sigmoidal數(shù)學模型對不同車轍深度芯樣的動態(tài)模量進行擬合，模型表達式見式（1），擬合結果見圖2。

log（E*）=log（Emin）+[log（Emax）－log（Emin）]

1－1e10+logfrab（1）

式中：Emin為擬合的動態(tài)模量最小值，MPa；Emax為擬合的動態(tài)模量最大值，MPa；a，b為描述Sigmodal函數(shù)的形狀因子；fr為縮減頻率，Hz。

由圖2可以看出：在試驗的中等頻率范圍內（0.1～10 Hz），隨車轍深度的增加，芯樣的動態(tài)模量先增加后降低，說明一定程度的車轍有助于提高瀝青路面的承載能力。這可能是由于在車轍發(fā)展的初期階段，瀝青混合料在交通荷載的作用下被壓實，致使空隙率降低，動態(tài)模量增大［12］。隨著交通荷載的繼續(xù)增加，混合料難以被進一步壓實，但內部集料發(fā)生破碎，混合料骨架已經(jīng)破壞，動態(tài)模量降低。在低頻范圍內，芯樣的動態(tài)模量差別較大，但主曲線的斜率基本相等，低頻對應高溫，說明不同車轍路面抵抗高溫應變的能力不同，但對應力的敏感程度相差不大。在高頻范圍內，路面芯樣趨向于完全彈性體，車轍深度對芯樣的動態(tài)模量基本無影響。

2 廠拌熱再生混合料動態(tài)模量試驗及分析

2.1 再生混合料試件制備

RAP料取自江蘇某路段上面層SMA-13瀝青混合料，取樣時路面已服役11年，經(jīng)預處理分為0～5、5～10、10～15 mm三檔。按照規(guī)范T0722和T0725分別測定各檔RAP料的油石比和集料級配，結果見表1。新瀝青采用PG76-22型SBS改性瀝青，性能指標如表2所示。新集料為玄武巖，礦粉為石灰?guī)r。

設計的廠拌熱再生瀝青混合料類型為SMA-13，RAP摻量為0、30%和50%（RAP料比例為10～15 mm∶5～10 mm∶0～5 mm=3∶5∶2），混合料的合成級配如圖3所示，根據(jù)馬歇爾設計方法確定最佳油石比為5.8%。采用旋轉壓實儀成型直徑150 mm，高170 mm的圓柱體試件，經(jīng)鉆芯切割后試件直徑為100 mm、高度為150 mm。每種摻量制備4個試件，動態(tài)模量的試驗方法及參數(shù)如前所述。

2.2 動態(tài)模量試驗結果及分析

同樣以20 ℃為參考溫度，選用式（1）的Sigmoidal模型構建不同RAP摻量的廠拌熱再生瀝青混合料動態(tài)模量主曲線，結果如圖4所示。在圖右側的中高頻率范圍內，隨著RAP摻量的增多， 再生混合料的動態(tài)模量逐漸增大；而在圖左側的中低頻率范圍內，RAP摻量為0和30%時，混合料的動態(tài)模量主曲線基本重合，但明顯處于50%RAP摻量的再生混合料的下方，這是RAP能改善瀝青混合料的高溫抗車轍性能的原因。

3 廠拌熱再生瀝青路面動態(tài)力學響應分析

3.1 計算模型建立

采用3D-Move Analysis軟件對廠拌熱再生瀝青路面進行動態(tài)力學響應分析。上面層設計為不同RAP摻量的廠拌熱再生瀝青混合料SMA-13，中面層設計為不同車轍發(fā)展深度的SUP-20。路面結構各層位參數(shù)如表3所示，動態(tài)模量數(shù)據(jù)來源于第1部分芯樣動態(tài)模量試驗和第2部分再生混合料動態(tài)模量試驗結果。

建立的再生瀝青路面有限層模型如圖5所示，該模型將每個路面層視為連續(xù)統(tǒng)一體，并使用傅立葉變換技術處理復雜的表面載荷，如多個載荷和不均勻的輪胎—路面接觸應力分布。該模型具有的基本假定：路基為彈性半空間體，路面各層為平面無限大的彈性層。

在現(xiàn)有模型情況下，參照文獻［15］中提及車輛荷載接觸形式。采用雙輪胎串聯(lián)軸重荷載，用4個正方形接觸區(qū)域表示，單個輪胎面積為0.2 m×0.2 m，雙輪之間的間距為0.37 m，前后軸距為1.22 m，如圖6所示。采用兩軸四輪荷載，半軸荷載為90 kN，單輪的平均軸重為22.5 kN?？紤]到路面的不平整現(xiàn)象，假定接觸壓力在接觸面積上是不均勻的?？紤]車輛動荷載加載模式，通過控制作用時間來實現(xiàn)控制行車速度的效果，行車速度假定為20 km/h。

3.2 動態(tài)力學響應分析

在再生路面有限層模型的中心軸線上分別選取上面層層底、中面層層底、下面層層底、基層層底和土基頂面為計算點位。研究在移動荷載作用下各計算點位縱、橫、豎向應變的時程變化，分析RAP摻量和車轍深度變化對路面結構力學響應的影響。

3.2.1 車轍發(fā)展深度對路面結構力學響應的影響

以30%RAP摻量廠拌熱再生上面層為例，分析不同車轍深度中面層的路面結構的應變時程變化，如圖7～9所示。從圖7豎向時程變化圖可以看出，中上面層承受拉壓交互的豎向應變，其中中面層的拉壓交互作用最強，在車轍發(fā)展深度為10.6 mm時達到最大值，同時也有應力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)。中面層模量較高時，上面層和中面層產(chǎn)生的豎向應變均較大，增加了路面結構的豎向變形量。當瀝青面層彎沉值超過極限要求時，易產(chǎn)生面層的斷裂破壞。中面層不斷壓密導致上面層在相同荷載作用下承受較大壓應變，易產(chǎn)生上面層的拉裂破壞［16］。中面層豎向壓應變隨著車轍深度的增加，先增大后減小，在車轍發(fā)展深度為10.6 mm時豎向應變最大。車轍發(fā)展過程會導致中面層不斷壓密，動態(tài)模量增加，承受豎向拉應變增加。當車轍發(fā)展深度大于10.6 mm時，中面層過于壓密，部分破壞混合料骨架結構，抗車轍能力下降。

從圖8縱向時程變化圖可以看出，中、上面層均出現(xiàn)較為嚴重的拉壓交互現(xiàn)象，且拉、壓應變絕對值基本相同。其縱向應變隨著車轍深度的增加呈現(xiàn)出先增加后降低現(xiàn)象，縱向最大壓應變出現(xiàn)在10.6 mm車轍深度條件下的中面層，最大拉應變出現(xiàn)在10.6 mm車轍深度條件下的上面層（瀝青再生層）。中面層在路面結構中主要起到抗剪切變形的作用，模量越高，抗剪切變形能力越強。當中面層材料的動態(tài)模量較高時，上面層采用模量較大的再生料時易產(chǎn)生較大的拉壓交互現(xiàn)象，這時對瀝青面層的疲勞性能有較高要求。

從圖9橫向時程變化圖可以看出，中上面層主要承受橫向拉應變，最大拉應變出現(xiàn)在車轍深度為18 mm條件下的上面層。上面層承受的橫向拉應變隨著車轍深度的增加而升高，主要原因是隨著車轍深度的增加，中面層不斷壓密，中面層分擔的橫向應變減少，導致上面層承受更大的橫向拉應變。中面層承受的橫向拉應變隨著車轍深度的增加先升高后降低，在車轍深度為10.6 mm時達到最大值。由于各層主要承受拉應變，因此主要出現(xiàn)拉裂破壞。

3.2.2 RAP摻量對路面結構力學響應的影響

以10.6 mm車轍深度中面層為例，分析不同RAP摻量上面層路面結構的應變時程變化，如圖10～12所示。從圖10豎向時程變化圖可以看出，在路面結構響應分析過程中，中上面層主要承受豎向壓應變，在車輛荷載駛離計算點位時出現(xiàn)少量豎向拉應變。中面層時程響應結果在小范圍內出現(xiàn)輕微變化，上面層出現(xiàn)較大幅度的變化。上面層力學響應結果在RAP摻量為30%和0時基本一致，在RAP摻量為50%時應變值突增，達到了150 με，易產(chǎn)生上面層的拉裂破壞。同時中面層在50%RAP摻量時出現(xiàn)最大豎向應變。隨著RAP摻量的增加，再生瀝青混合料上面層模量不斷增加，承受豎向應變的能力增加，但隨著再生瀝青上面層和車轍深度中面層模量差值的不斷加大，瀝青面層承受荷載的能力不均，易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，導致再生瀝青面層抗車轍能力下降。

從圖11縱向時程變化圖可以看出，中、上面層在移動荷載作用下均出現(xiàn)較為嚴重的拉壓交互現(xiàn)象。隨著RAP摻量的增加，再生瀝青混合料路面結構縱向應變不斷增加，在50%RAP摻量時達到最大值。在移動荷載作用下，再生路面結構拉壓交互現(xiàn)象嚴重，上面層RAP摻量的提高不利于再生路面抗開裂性能，也對路面結構中面層抗剪切變形能力有較高要求。再生上面層和既有路面中面層的合理組合可有效提供可靠的模量組合來抵制病害的發(fā)生。

從圖12橫向時程變化圖可以看出，隨著RAP摻量的增加，再生路面上面層所受橫向應變不斷減少，中面層橫向應變規(guī)律與RAP摻量變化相反，在50%RAP摻量時中面層橫向應變達到最大值。再生上面層所能承受的橫向應變減小，中面層分擔的橫向應變相應增加。在相同荷載作用下，隨著上面層RAP摻量的增加，出現(xiàn)拉裂破壞的風險增加，主要原因是再生瀝青上面層承受最大應變不斷降低。

3.2.3 車轍深度與RAP摻量的耦合影響

分析RAP摻量和車轍深度兩個因素耦合對廠拌熱再生路面結構抗車轍變形能力的影響。不同RAP摻量再生路面上、中、下面層瀝青混合料豎向壓應力隨車轍深度變化趨勢如圖13所示。

瀝青層豎向壓應力反映瀝青混合料的永久變形量，豎向壓應力越大，瀝青混合料出現(xiàn)車轍變形的風險越大。由圖13可以看出，車轍深度小于10.6 mm時，RAP摻量的增加可有效降低各瀝青層豎向壓應力，面層永久變形量下降，RAP摻量的增加有助于控制瀝青材料的車轍變形。隨著車轍發(fā)展深度的增加，各瀝青層受力波動性較大，面層抗車轍變形能力下降，在車轍深度18 mm時達到最大值。在上面層為50%RAP摻量情況下，隨車轍深度的豎向壓應力有較大波動，導致面層抗車轍變形能力不穩(wěn)定。

就抗車轍變形性能方面出發(fā)，在車轍發(fā)展深度小于10 mm時，因其路面結構穩(wěn)定，可正常使用。車轍發(fā)展深度大約在10～15 mm時，車轍變形以中面層變形為主，再生面層在上面層RAP摻量不大于30%時表現(xiàn)穩(wěn)定，中面層可繼續(xù)使用。車轍發(fā)展深度大于15 mm時，整體路面結構動態(tài)力學響應紊亂，中面層已無法滿足行車使用要求。RAP材料摻量在不大于30%時表現(xiàn)穩(wěn)定，大于30%摻量時因整體路面結構波動性較大，路面養(yǎng)護進行大摻量再生時需更加全面分析處理。

4 結論

針對廠拌熱再生瀝青路面結構的動態(tài)力學響應分析，本研究通過動態(tài)模量試驗評價不同車轍深度的瀝青路面芯樣和不同RAP摻量的熱再生瀝青混合料的力學性能；以此為數(shù)據(jù)依據(jù)，利用3D-Move有限元軟件分析不同組合的廠拌熱再生瀝青路面的力學響應。得到如下主要結論：

1）一定程度的車轍有助于提高瀝青路面的承載能力，不同車轍發(fā)展深度瀝青路面抵抗高溫變形的能力不同。車轍深度大于10 mm時，混合料內部集料發(fā)生擠壓破碎，部分破壞混合料骨架，既有路面結構抗車轍能力逐漸下降。

2）RAP摻量的提高有利于增強再生瀝青混合料的抗車轍變形能力，同時RAP摻量的增加也會導致再生路面結構出現(xiàn)拉裂破壞的風險增加。RAP摻量不大于30%時，再生路面結構力學響應較為穩(wěn)定，大摻量再生養(yǎng)護時路面結構力學響應波動較大，大摻量再生養(yǎng)護選用時應多方面考量。

3）在移動荷載作用下，50%RAP摻量上面層和車轍深度在10.6 mm時路面結構承受最大應變，對再生路面結構層的抗開裂性能要求較高。在路面養(yǎng)護施工過程中，應注意RAP摻量與車轍深度的合理組合，以利于改善路面結構受力。

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（責任編輯：曾 晶）

Mechanical Response Analysis of Plant-Mixed Hot Recycling Asphalt

Pavement Considering Rutting Condition of Existing Pavement

LI Ning1， WANG Zhongyuan*1， TANG Wei1， YUAN Shouguo2， ZHAN He1

（1.College of Civil and Transportation Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China; 2.Jiangsu Xiandai Road and Bridge Company Limited， Nanjing 210016， China）

Abstract：

In order to study the dynamic mechanical response of hot recycled asphalt pavement under rutting conditions， the author obtains the pavement core samples with different rutting depths in the field， prepares the plant-mixed hot recycling asphalt mixture with different RAP contents in the laboratory， and evaluates the mechanical properties of the material through the dynamic modulus test. The dynamic response of hot recycled asphalt pavement with different structure combinations is analyzed by 3D-Move Analysis finite element software. Under the dynamic loading， each asphalt surface layer of the regenerated pavement shows the phenomenon of tension-compression interaction and stress concentration， and the risk of the regenerated pavement structure developing such diseases as tensile cracking damage increases with the deepening of the rutting development depth， but a certain rutting development depth helps to improve the bearing capacity of the asphalt pavement. Changes in the RAP admixture and the depth of rut development of the existing pavement will cause changes in the modulus combination of the pavement structure， and the mechanical response of the recycled pavement structure is strongly influenced by two factors. To reduce the permanent deformation of the recycled pavement structure and improve its durability， the modulus combination of the recycled layer and the existing pavement medium surface layer should be fully considered， to improve the force situation of the recycled pavement structure.

Key words：

highway maintenance; hot recycled pavement; mechanical response; RAP dosage; rutting depth

收稿日期：2022-05-10

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務費教師項目（B210202050）；江蘇現(xiàn)代路橋有限公司科技項目（2021JKY18）；江蘇省研究生科研與實踐創(chuàng)新計劃項目（KYCX21_0496）

作者簡介：李 寧（1983—），男，副教授，博士，研究方向：綠色環(huán)保型路面養(yǎng)護技術研究，E-mail：lining24@hhu.edu.cn.

通訊作者：王中原，E-mail：1105988713@ qq.com.