譚仕維

(廣西壯族自治區(qū)環(huán)江公路養(yǎng)護(hù)中心,廣西 河池 547100)

0 引言

近些年來(lái),隨著我國(guó)交通工程建設(shè)的不斷推進(jìn),高速公路的總里程數(shù)迅速增加,其覆蓋范圍得到了巨大的改善。瀝青路面因其具有較高的整體強(qiáng)度、低振動(dòng)、良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用。但與此同時(shí),在現(xiàn)在和未來(lái)對(duì)公路進(jìn)行的翻修擴(kuò)建過(guò)程中,不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量瀝青廢料,瀝青廢料的隨意堆放將會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很大的影響,從可持續(xù)發(fā)展的理念出發(fā),對(duì)瀝青廢料的回收再利用已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。

目前,已有研究成果顯示,對(duì)于瀝青混合料回收料(Reclaimed Asphalt Pavement,RAP),除了瀝青發(fā)生了老化,混合料中其他材料的性能依然可以滿足工程要求,甚至在一定程度上可提高路面性能[1]。李曉民等[2]發(fā)現(xiàn)可以添加再生劑,通過(guò)促進(jìn)瀝青分子的運(yùn)動(dòng),達(dá)到提高瀝青再生料的低溫抗裂能力的目的。李達(dá)[3]通過(guò)試驗(yàn)方法研究了RAP摻量對(duì)瀝青混合料耐久性的影響,發(fā)現(xiàn)RAP的摻入使得再生瀝青混合料在低溫環(huán)境下向脆化方向發(fā)展。顧興宇等[4]研究了再生混合料在凍融循環(huán)作用下的性能衰減規(guī)律,得出為充分保證再生瀝青混凝土道路的耐久性,應(yīng)當(dāng)對(duì)RAP摻量做出科學(xué)評(píng)估這一結(jié)論。通過(guò)前人的研究成果可以看出,RAP摻量對(duì)再生瀝青混合料的性能有很大的影響,適當(dāng)?shù)膿搅靠梢蕴岣吖返牟糠中阅?但也會(huì)使再生瀝青混凝土道路的低溫抗裂性能變差。

本文為研究再生瀝青混合料的低溫抗裂性能,在控制試驗(yàn)溫度為-15 ℃的情況下設(shè)計(jì)對(duì)照試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,討論鹽濃度和加載速率對(duì)再生瀝青混合料低溫抗裂性能的影響,以期為公路再生瀝青混合料路面低溫抗裂性能以及劣化機(jī)制的研究提供借鑒。

1 再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的再生瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)方法存在較大的局限性,主要原因是其僅控制RAP摻量這一個(gè)變量,使再生瀝青混合料的級(jí)配曲線盡量接近目標(biāo)曲線,這種方法雖然可以減少工作量,但得到的級(jí)配曲線并不穩(wěn)定,在后期會(huì)對(duì)再生瀝青混合料的性能評(píng)估產(chǎn)生嚴(yán)重影響。本試驗(yàn)為了規(guī)避這一問(wèn)題,先對(duì)舊集料進(jìn)行預(yù)處理,去除雜質(zhì),然后對(duì)新舊集料統(tǒng)一分配,保證級(jí)配的穩(wěn)定性。下料單如表1～4所示。確定的各RAP摻量下的最佳瀝青用量如下頁(yè)表5所示。

表1 0 RAP摻量再生瀝青混合料下料單表

表2 10%RAP摻量再生瀝青混合料下料單表

表3 30%RAP摻量再生瀝青混合料下料單表

表4 50%RAP摻量再生瀝青混合料下料單表

表5 各RAP摻量下的最佳瀝青用量表

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試件的加工

本試驗(yàn)所需的所有試件均由標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件切割完成,控制高度為64 mm。試件切割如圖1所示。

圖1 試件切割示意圖

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)依據(jù)

2.2.1 鹽濃度設(shè)計(jì)

在我國(guó)多數(shù)地區(qū),包括除冰鹽等各類鹽分子可以通過(guò)各種方式侵入路面,顯著降低瀝青與集料的粘附性。本文為探究鹽濃度對(duì)再生瀝青混合料低溫抗裂性能的影響,設(shè)置了三種氯鹽濃度,分別為0、10%和20%,在不同氯鹽濃度下進(jìn)行低溫加載試驗(yàn)。

2.2.2 加載速率設(shè)計(jì)

瀝青混合料的強(qiáng)度是由兩個(gè)部分組成的,分別為集料產(chǎn)生的內(nèi)摩阻力和瀝青產(chǎn)生的粘結(jié)力。在三點(diǎn)彎曲斷裂試驗(yàn)中,試件內(nèi)部存在壓應(yīng)力和拉應(yīng)力,其中壓應(yīng)力主要由骨架產(chǎn)生的內(nèi)摩阻力承受,而拉應(yīng)力主要由瀝青和集料之間的粘結(jié)力承受。再生瀝青混合料的強(qiáng)度主要取決于新瀝青和舊瀝青之間的融合程度,與正常的瀝青混合料不同,再生瀝青混合料的融合程度達(dá)不到100%,所以很多情況下,對(duì)于再生瀝青混合料在不同環(huán)境下的加載速率并沒(méi)有理論指導(dǎo);同時(shí),由于低溫情況下試件的破壞狀態(tài)為脆性破壞狀態(tài),加載速率對(duì)再生瀝青混合料的影響是不可逆的。因此,本文為研究加載速率對(duì)再生瀝青混合料的影響,在試驗(yàn)中設(shè)置了三種不同的加載速率,分別為2 mm/min、5 mm/min和10 mm/min。

2.3 試驗(yàn)步驟

(1)將切割好的試件分組,貼好標(biāo)簽。

(2)將貼好標(biāo)簽的試件按照氯鹽濃度放入不同的水浴箱中水浴,水浴溫度為25 ℃,設(shè)定30個(gè)侵蝕周期。

(3)將低溫箱的溫度設(shè)定為-15 ℃,將試件分批次放入低溫箱,氣凍6 h。

(4)待氣凍完成后,將試件分批次取出放入保溫箱,控制每一批試件在10 min內(nèi)加載完畢。

3 低溫抗裂性能研究

3.1 指標(biāo)分析

試件加載曲線如圖2所示,根據(jù)加載曲線可計(jì)算試件的斷裂功,其主要原理如下。

圖2 試件加載曲線圖

Wf=?Pdu

(1)

(2)

式中:Wf——試件斷裂功(J);

P——施加的荷載(kN);

u——P對(duì)應(yīng)的位移(mm);

Gf——試件斷裂能(J/m2);

r——試件半徑(mm);

a——試件切口長(zhǎng)度(mm);

t——試件厚度(mm)。

基于能量守恒定律,可采用斷裂能評(píng)價(jià)試件低溫抗裂性能,即在低溫的環(huán)境下,外部荷載對(duì)試件施加的能量全部轉(zhuǎn)換為試件開(kāi)裂所需的能量。

3.2 試件低溫抗裂性能分析

3.2.1 鹽濃度對(duì)斷裂能的影響

鹽濃度對(duì)再生瀝青混合料性能的影響如圖3所示。

(a)加載速率:2 mm/min

以加載速率為2 mm/min時(shí)為例,討論鹽濃度對(duì)再生瀝青混合料性能的影響。隨著RAP摻量逐漸增大,斷裂能逐漸減小。當(dāng)RAP摻量不變時(shí),隨著鹽濃度增大,斷裂能也逐漸減小,但隨著RAP摻量逐漸增大,試件斷裂能的下降速率隨著鹽濃度的增加而有所降低。這一規(guī)律與加載速率5 mm/min和10 mm/min兩種情況一致。分析這種現(xiàn)象的原因?yàn)?舊集料表面存在老化程度較大的瀝青,有較大的黏度,使氯離子難以進(jìn)入,減小了鹽對(duì)瀝青路面的損傷。因此,增大RAP摻量在一定程度上可以增強(qiáng)再生瀝青混合料的抵抗鹽分侵蝕的能力。

3.2.2 加載速率對(duì)斷裂能的影響

加載速率對(duì)再生瀝青混合料性能的影響如圖4所示。

(a)鹽濃度:0

以鹽濃度為0時(shí)為例,討論加載速率對(duì)再生瀝青混合料性能的影響。隨著RAP摻量逐漸增大,斷裂能逐漸減小。當(dāng)RAP摻量不變時(shí),隨著加載速率減小,斷裂能也逐漸減小,這種規(guī)律在鹽濃度為10%和20%兩種情況下也滿足,說(shuō)明斷裂能和加載速率之間呈現(xiàn)一種正相關(guān)的關(guān)系。因?yàn)槟芰酷尫诺难訒r(shí)效應(yīng),即當(dāng)加載速率較大時(shí),試件承受外部荷載,內(nèi)部積累的能量來(lái)不及釋放,導(dǎo)致試件的峰值荷載提高,試件破壞時(shí)能量瞬間釋放,呈現(xiàn)脆性破壞的特征。而當(dāng)加載速率較小時(shí),試件內(nèi)部的能量積累隨著加載逐漸釋放,在試件內(nèi)部的缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中,裂隙逐漸擴(kuò)展,試件呈現(xiàn)延性破壞的特點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)在和未來(lái)對(duì)公路進(jìn)行的翻修擴(kuò)建過(guò)程中,不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量瀝青廢料,瀝青廢料的隨意堆放將會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成很大的影響,從可持續(xù)發(fā)展的理念出發(fā),對(duì)瀝青廢料的回收再利用已經(jīng)成為了一大研究熱點(diǎn)。本文為研究各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)再生瀝青混合料的低溫抗裂性能的影響,在控制試驗(yàn)溫度為-15 ℃的情況下設(shè)計(jì)對(duì)照試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,所得主要結(jié)論如下:

(1)再生瀝青混凝土的質(zhì)量受到很多因素的影響,其中最主要的就是舊集料的性能,對(duì)回收來(lái)的舊集料進(jìn)行檢測(cè)和分類,確認(rèn)其是否可以作為再生料使用是非常重要的。對(duì)舊集料進(jìn)行預(yù)處理,去除雜質(zhì),然后采取新舊集料統(tǒng)一分配的方式,可以保證級(jí)配的穩(wěn)定性。

(2)基于能量守恒定律,可采用斷裂能評(píng)價(jià)試件低溫抗裂性能。隨著RAP摻量逐漸增大,斷裂能逐漸減小;當(dāng)RAP摻量不變時(shí),隨著鹽濃度增大,斷裂能也逐漸減小,但隨著RAP摻量逐漸增大,試件斷裂能的下降速率隨著鹽濃度的增加有所降低。

(3)當(dāng)RAP摻量不變時(shí),隨著加載速率減小,斷裂能也逐漸減小,斷裂能和加載速率之間呈現(xiàn)一種正相關(guān)的關(guān)系。