收稿日期：2024-03-18

作者簡介：羅振京（1979—），男，本科，工程師，研究方向：公路橋梁施工及試驗檢測。

摘要 再生瀝青路面集料在道路工程中的應用，能夠有效解決目前普遍存在的集料短缺問題，符合國家節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。為了探索再生瀝青路面集料的回彈模量與水分之間的相關性，對再生瀝青路面集料進行了回彈模量測試和回彈模量與含水量的相關性研究。研究結果表明：再生瀝青路面集料的回彈模量與含水量存在一定的相關性，而且隨著含水量增加，彈性模量增大。并且，隨著含水量的增加，回彈模量與含水量呈線性變化。因此，在選擇再生瀝青路面集料時，應充分考慮其與普通集料的性能差異性。不同加載頻率下的車轍試驗驗證了其與含水量的相關性。隨著溫度和加載頻率的增加，再生瀝青路面集料的回彈模量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。為了更好地評估再生瀝青路面集料的回彈模量與其含水量之間的相關性，以及與車轍試驗結果的相關性，從單軸壓縮試驗結果中選取三組不同溫度和加載頻率條件下的車轍試驗數(shù)據進行回歸分析。結果表明，車轍試驗曲線均屬于應變硬化型；在不同的加載頻率和溫度條件下，隨著再生瀝青路面骨料含水量的增加，車轍試驗曲線均屬于應變軟化型；在不同的加載頻率和溫度條件下，隨著再生瀝青路面骨料含水量的增加，車轍試驗曲線均屬于應變硬化型。

關鍵詞 再生瀝青路面；彈性模量；路面彎沉

中圖分類號 U416.217文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0057-04

0 引言

瀝青路面是目前我國公路建設中應用最為廣泛的一種路面形式，具有良好的路用性能[1]。然而，瀝青路面在服役過程中，由于交通荷載、環(huán)境因素等因素的影響，會出現(xiàn)不同程度的老化現(xiàn)象，使其性能逐漸下降。因此，瀝青路面需要進行修復。目前，對瀝青路面的修復主要采用兩種方法，即熱再生技術和冷再生技術。熱再生技術是將舊瀝青路面材料經過破碎、篩分后重新拌和形成新的瀝青混合料。冷再生技術是通過加熱舊瀝青路面材料，使其與新瀝青混合料一起攤鋪、壓實成型，并達到恢復舊瀝青路面結構強度和路用性能的目的[2]。隨著公路建設規(guī)模不斷擴大，在對公路進行建設時會遇到一個不可避免的問題：由于施工質量、氣候、環(huán)境等因素的影響，很多公路建成后會出現(xiàn)不同程度的病害現(xiàn)象，而這些病害現(xiàn)象則會嚴重影響公路的使用壽命。因此，如何延長公路使用壽命是目前急需解決的問題之一。研究表明：瀝青路面結構中集料是影響其路用性能的重要因素之一。當路面結構處于低溫、潮濕或干燥環(huán)境時，集料會發(fā)生收縮變形而導致路面開裂；當集料處于高溫時，會發(fā)生膨脹變形而導致路面開裂。

目前，國內外對瀝青路面再生技術的研究主要集中在對舊瀝青路面材料進行回收再利用上。然而，對于再生瀝青路面集料與普通集料性能差異性問題卻鮮有研究。RAP是一種廣泛應用于道路工程中的新型瀝青混合料，主要用于替代傳統(tǒng)的瀝青混合料。盡管這項技術已被廣泛應用于瀝青混凝土中，但由于在某些領域的使用越來越多，迫切需要開發(fā)其他技術，例如將其用于顆粒路面。然而，目前只有少數(shù)公路養(yǎng)護單位使用再生骨料，再生骨料的機械財產與天然骨料有顯著差異。

1 路基回彈模量的影響因素

1.1 填土特性

土壤可以根據其顆粒構造、塑性程度、有機組分比例等特征被歸類為四大類：含大顆粒土（涵蓋圓石、碎石）、中顆粒土（含有石渣、沙質）、細顆粒土（包括細砂、黏土、富含有機物的土壤）以及特異性土壤（如風化土、膨潤土、冰凍土等）。在鋪設路基的材料選擇上，普遍看好沙質黏土作為首選，其次考慮黏性較高的黏土，而認為細砂質黏土的性能較弱。

彈性模數(shù)的大小與填充物質的顆粒形狀角度以及表面粗糙度有緊密的關系。實驗探究表明，隨著土粒的棱角度和表面粗糙度提升，彈性模數(shù)也會相應增加。舉例而言，在含有較多云母的細粒土中，彈性模數(shù)會因云母比例的提高而增長；沙礫的回彈模數(shù)高于石灰石和碎石；邊角型、亞邊角型的滾壓碎骨料的傳力性能優(yōu)于圓、近圓的卵石，其回彈性能高于圓、準圓、高平均正應力時的回彈性能，且回彈性能也高于圓、近圓形碎骨料。同時，級配形式的變化對材料的回彈性能也有一定的影響[3]。在同樣的壓實功下，松散級配顆粒的回彈模數(shù)一般比密級配要小，這是因為松散級配顆粒的壓實難度大，而高密度的顆粒往往回彈模數(shù)更高。同時，在由顆粒串構成的載荷傳遞中，由于顆粒間的接觸個數(shù)隨粒度的增加而減少，在同樣的載荷作用下，總變形更小、回彈更高，也就是說，在同樣的粒度、同樣的粒度分布條件下，粒度越大，回彈模量也就越大。

1.2 壓實度

壓實的主要功能是利用壓實機具產生的短時或振動載荷，將填料顆粒間的相互聯(lián)系起來，將填料中的空氣與水分排出，以減少孔隙率，增加單位土體密度。結果表明，壓實程度對回彈系數(shù)有較大的影響，壓實度標定如圖1所示。

圖1 壓實度標定方法示意圖

例如，在高等級道路的修筑中，對80 cm以內的路基壓實度要達到96%以上，而80～150 cm的壓實度要達到94%以上。實驗結果顯示[4]，回彈模量隨著壓實程度的增大而增大，也就是說，隨著壓實程度的增大，其值也隨之增大，并且這一直與土中的顆粒成分有關，一般情況下，隨著壓實程度的增大，其值也隨之增大。但是，回彈模數(shù)的提高趨勢是隨壓縮程度的增大而減小的。主要原因在于，在填充土粒子穩(wěn)定之前，壓實作用的增加促使粒子重新排列，從而增強了粒子間的緊密接觸，導致回彈模量隨之增加。然而，隨著壓實作用的進一步加強，粒子間的側壓同樣上升，使得粒子狀況逐漸趨于穩(wěn)定。由于壓實導致的粒子排列變化幅度減小，回彈模量的增長率也會隨之降低。

1.3 含水量

根據非飽和土的基本原理，土壤中水分的改變將會引起土壤中的基質吸力的改變，從而對土壤的總體強度造成一定的影響。結果表明，含水率對路基的回彈系數(shù)有很大的影響。

如圖2所示，在相同的壓實程度下，回彈模量隨含水率的增大而減小，但其減小程度與含水率相關：在含水率較低的情況下，其減小程度隨含水率的增大而減??；在較高的含水率下，隨著含水率的提高，土體的回彈系數(shù)也隨之下降。因此，當?shù)鼗暮蔬_到一定值時，地基對水的敏感性最低，地基的穩(wěn)定性較好。結果表明：不同的土壤，其最優(yōu)含水率的變化規(guī)律也不盡相同，其回彈模量隨含水率的變化規(guī)律也不盡相同，如圖3所示。

（a）黏性土的狀態(tài)與含水量關系圖

（b）黏性土的狀態(tài)與界限含水率關系圖

圖2 黏性土的物理狀態(tài)變化與含水量、

界限含水率關系圖

圖3 基于數(shù)字圖像估算不同密度表層土壤含水率

結果表明，在不同的填筑密度下，不同的填筑層含水率對填筑層的回彈系數(shù)有不同的影響；對一種路堤進行了室內實驗，結果表明，在路堤的壓實度達到85%、含水率從12.9%提高到18.2%的情況下，路堤的回彈模量下降了34.5 MPa，下降48.7%；結果表明，在95%的密實度下，在含水率從12.9%提高到18.2%的情況下，其回彈模量下降了22.4 MPa，下降21.3%。同時，由于路堤是在自然環(huán)境中形成的一種結構，因此，其水分含量與該地區(qū)的季節(jié)降水及其他自然、天氣等要素有很大關系。所以，路基的回彈系數(shù)往往表現(xiàn)為季節(jié)的波動。

研究發(fā)現(xiàn)，構造試驗的樣本、施加的頂部壓力以及壓力的程度對于回彈值具有區(qū)別性的作用。舉例來說，頂層的覆蓋壓力為道路結構設定了初始的軸壓值，其對道路的疲勞損害影響微乎其微，然而，對于垂直方向的最大壓縮應變影響卻可能超過10%；而在相同的土壤環(huán)境下，不同壓力水平所測得的土壤回彈模量可能相差逾2.5倍。

2 路基回彈模量對瀝青路面彎沉與結構層厚度的影響

2.1 路面彎沉

結合三種不同的瀝青路面結構分析路基回彈模量對路面彎沉的影響，見表1。

表1 不同路基回彈模量下路面彎沉的試驗結果

路面彎沉/

0.01 mm 路基回彈模量/MPa

40 60 80 100 120

路面結構1 43.00 33.50 28.16 24.67 22.19

路面結構2 37.99 27.79 25.20 22.19 20.04

路面結構3 50.27 40.11 34.45 30.79 28.20

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，在各種類型的瀝青路面結構中，隨著路基回彈模量的增大，瀝青路面的彎沉值都會出現(xiàn)降低的趨勢，但是這一關系并不是一種直線的逆比例關系，其降低速度與路基的回彈模量存在一定的聯(lián)系[5]。例如，對一類道路構造來說，當回彈模量從40 MPa提高到120 MPa時，道路彎曲沉降就隨著減少22.09%、15.94%、12.39%、10.05%，也就是說，當?shù)缆窂澢两稻蜁S著回彈模量的增大而增大，而隨著回彈模量的增大，道路彎曲沉降就會減少；在回彈系數(shù)增大到某一程度時，道床的彎沉隨著回彈系數(shù)的增大而減小，并趨于平穩(wěn)。

2.2 結構層厚度

以某瀝青公路路面結構為例，將路面彎沉值設定為30（0.01 mm），在標準軸載作用下，通過改變路基回彈模量的大小，對其對基層設計厚度的影響進行了分析，見表2。

表2 不同路基回彈模量對結構層設計厚度的影響

路面彎沉30

/0.01 mm 路基回彈模量/MPa

40 60 80 100 120

基層厚度/mm 190 165 148 134 123

由表2可知，當彎沉為一定時，所需的結構層數(shù)隨路基回彈模數(shù)的增大而減小。在20 MPa的基礎上，由40～120 MPa，按每步20 MPa的回彈系數(shù)，可使所需的構造層板厚度減少25 mm、17 mm、14 mm、11 mm。從這一點可以看出，只要對路基回彈模量進行適當?shù)目刂疲湍苡行У剡_到減少結構層的設計厚度，尤其是在路基回彈模量很低的情況下，回彈模量的微小變化都會對道路的結構厚度造成很大的影響[6]。

3 路基回彈模量對瀝青路面抗車轍與抗疲勞性能的影響

在重復汽車荷載下，瀝青鋪裝材料會出現(xiàn)兩種不同的損傷形式：一是在車輪運行軌道上發(fā)生的永久性變形及在鋪裝材料上形成的車轍傷；二是疲勞失效，也就是在路面上出現(xiàn)了大量的裂縫，從而導致了路面的疲勞失效。這兩種形式也是評價鋪裝狀況的一種常見指數(shù)。

在重復荷載作用下，路基的變形主要表現(xiàn)為彈性變形和塑性變形。當路堤頂部的壓力變大時，極易發(fā)生大的塑性形變，而這些塑性形變又會導致路堤表面的車轍現(xiàn)象。結果顯示，增加回彈模數(shù)，可明顯減小路堤頂部的壓力應力，使路堤頂部的塑性變形和車轍減少[7]。而在瀝青混合料中，最大彎拉應力越大，越易出現(xiàn)疲勞損傷。在此基礎上，采用不同的加載方式并進行比較。但是，隨著回彈模量的增加，回彈對瀝青混合料的疲勞特性的影響逐漸減弱。另外，當回彈模數(shù)增加時，其本身的最大彎拉應力也會隨之增加，所以，回彈模數(shù)也不能太大。

作為一項重要的公路工程設計指標，其回彈模量受到填料性質、壓實度和含水率等諸多因素的影響，直接關系到公路工程中的彎沉值、結構層厚度和抗車轍和疲勞性能。所以，如何選取合適的回彈系數(shù)，不僅關系到道路工程的安全與經濟，也是提高道路工程質量、提高道路工程投資效益的關鍵。通過不同溫度、不同加載頻率條件下的車轍試驗驗證其與含水量之間的相關性，結果表明：隨著含水量的增加，再生瀝青路面集料回彈模量呈先增大后減小的變化趨勢；當再生瀝青路面集料中水分含量在12%～16%時，其回彈模量與含水量之間的相關性最佳；再生瀝青路面集料回彈模量隨溫度的升高而增大，在低溫環(huán)境下，隨著溫度升高會出現(xiàn)不同程度的降低。車轍試驗結果表明：隨著含水量的增加，車轍深度呈增大趨勢；在含水量為12%～14%時，車轍深度達到最大值；在含水量為14%～16%時，車轍深度趨于穩(wěn)定；在含水量為16%～18%時，車轍深度最小。

課題組發(fā)現(xiàn)，100% RAP摻量的混凝土具有更高的剛度和彈性模量，但相對于密實級配的混凝土，其抗剪強度明顯低于密實級配的混凝土，對其進行了初步試驗，結果表明：100% RAP摻量的混凝土無法保證其質量。在此基礎上，采用自然骨料與再生混凝土進行復合，可獲得理想的力學性質及工程品質。但對于再生骨料在瀝青混合料中的適用范圍，以及再生骨料在瀝青混合料中的應用，國內外的相關研究較少，且缺少詳細的實驗數(shù)據。RAP是一項綜合考慮多種因素，能夠更好地描述瀝青混凝土的結構特征，為瀝青混凝土的設計與分析奠定基礎。影響RAP彈性模量的兩大因素是應力狀態(tài)與材料的含水量，而含水量與彈性模量之間的關系是一項重要的研究內容，通過對二者之間的關系的研究，可以清晰地認識到材料在不同情況下的特性，也可以清晰地認識到材料的使用壽命。

4 結論

隨著社會經濟的發(fā)展，道路交通量的迅速增加，對路面材料的使用性能和總體品質的要求也越來越高。道路工程的特殊性導致了道路工程中各種病害的產生，對道路工程的設計、施工、養(yǎng)護等都有很大的影響。

基底層主要作用是支撐由道路表面層向下傳遞的交通載重，努力避免因應力或變形過度而導致的路面車轍形成和疲勞損傷。其承載力、硬度及其穩(wěn)定性對于道路下沉、結構層的厚度以及路面的內應力分布有顯著影響。彈性模量是評價基底層關鍵的力學性能指標，其揭示了施加的軸向應力與彈性變形之間的關系，反映了基底層的承載力、硬度和穩(wěn)定特征，國內外在瀝青路面設計、施工檢測和使用期間的質量評估中已廣泛采用。因此，分析彈性參數(shù)，并將其應用于瀝青混合料設計中，對于提升瀝青混合料的整體質量和投資回報率具有極其重要的意義。

參考文獻

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