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在役乳化瀝青冷再生混合料的疲勞性能
2023年07月19日    閱讀量:35507    新聞來源:孫立軍 等《同濟大學學報(自然科學版)》  |  投稿

摘 要

通過應力控制下的劈裂疲勞試驗,分析了現場服役多年的乳化瀝青冷再生混合料及室內新成型的乳化瀝青冷再生混合料勁度模量衰減特征以及2類混合料疲勞破壞階段的黏彈性特征;結合損傷分析,提出了在役冷再生瀝青混合料和新成型冷再生混合料疲勞破壞準則;對比了不同車道的在役冷再生混合料和新成型冷再生混合料的疲勞壽命,結果表明,現場實際軸載作用次數的增加會導致冷再生混合料剩余疲勞壽命的降低,冷再生混合料在使用中存在疲勞性能增長過程。


關鍵詞 乳化瀝青 | 冷再生混合料 | 勁度模量 | 疲勞性能


乳化瀝青冷再生混合料是指將需要維修的瀝青路面,經過銑刨、回收、破碎、篩分,適當添加新集料和乳化瀝青,重新拌和,形成的符合路用性能要求的一種瀝青混合料[1]。乳化瀝青冷再生混合料越來越頻繁應用于舊路大修中,形成了一種新型的路面結構組合形式瀝青網sinoasphalt.com。


在這種路面結構中,瀝青路面的疲勞破壞同樣是一種重要的破壞方式,而乳化瀝青冷再生混合料的疲勞性能對結構的疲勞具有重要影響,研究乳化瀝青冷再生混合料的疲勞性能對于分析這種影響具有重要的意義。許多學者[2-4]對乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能進行了研究,但主要針對于室內新成型的冷再生混合料,對現場服役多年的冷再生混合料的疲勞性能沒有進行專門研究。


冷再生混合料在服役多年后,在行車荷載和環境的作用下,材料性能發生變化,與新成型的混合料相比,其疲勞性能可能會發生較大的變化。本文對從現場取回的在役乳化瀝青冷再生混合料進行劈裂疲勞試驗,分析其疲勞破壞特點,并與室內新成型的冷再生混合料進行對比,以更好地了解冷再生混合料承受實際軸載作用后的疲勞性能,為冷再生混合料的研究和應用提供參考。


1、試驗材料與試驗方法


1.1 試件準備


用于試驗研究的試件分為兩部分,一部分為取自昌九高速公路冷再生層的在役乳化瀝青冷再生混合料試件,另一部分是按照昌九高速冷再生層的用料和級配在室內新成型的試件。


昌九高速公路雙向四車道,連接南昌和九江兩市。在2006年,昌九高速大修,接近100km路段使用了廠拌冷再生技術,這是在國內第一次將乳化瀝青冷再生混合料大范圍鋪筑在高速公路瀝青路面結構的高層位,現場路面結構及取芯位置如圖1所示。


所研究的在役乳化瀝青混合料試件鉆取自行車道和超車道,取芯位置為輪跡帶正下方。

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現場鉆取芯樣直徑為100mm±2mm,將取回的芯樣切割成高度為4cm的試件,進行劈裂疲勞試驗。


為了與現場在役冷再生混合料形成對比,本文在室內新成型了乳化瀝青冷再生混合料,新成型冷再生混合料室內成型試件采用與昌九高速公路冷再生層相同的材料,包括相同的廢舊瀝青混合料(RAP),相同的乳化瀝青、水泥和礦粉,所使用的乳化瀝青檢測性能如表1所示。

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級配設計上不斷調整篩分好的粗、中、細3檔RAP摻配比例,使室內新成型冷再生混合料級配與現場冷再生料一致,兩者級配對比如圖2所示。


在新成型冷再生混合料中,水泥質量分數取2%,不計入級配;最佳含水率(OWC)按照規范推薦的擊實試驗確定為3.8%;乳化瀝青用量(OEC)與現場冷再生料相同,為3%;成型方法上考慮了現場冷再生料鋪筑過程中的“二次壓實”原理[5],成型過程按照許嚴[6]提出的制作乳化瀝青冷再生混合料馬歇爾試件的拌和、養生和成型方法,成型出直徑為(101.6±0.25)mm、高為(63.5±1.3)mm的標準馬歇爾試件,并切割成高度為4cm的試件用于劈裂強度試驗和疲勞試驗。

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1.2試驗方法與試驗指標


1.2.1劈裂強度試驗


劈裂強度試驗按照規范[7]進行,試驗溫度為15℃,試驗儀器為Material Test System(MTS-810)材料試驗機。每種類型冷再生混合料進行4次平行試驗,取4次平行試驗結果均值作為該種類型冷再生混合料劈裂強度值。


1.2.2疲勞試驗


疲勞試驗采用劈裂疲勞試驗方法,試驗儀器為MTS材料試驗機。試驗溫度為15℃,加載頻率為10Hz[8],采用半正弦波連續加載和應力控制模式。在役冷再生混合料試件采用0.50、0.40、0.30、0.25共4個應力比,室內新成型混合料采用0.40、0.30、0.25共3個應力比。每個應力比下進行3次平行試驗。試驗過程中通過位移傳感器測定試件水平徑向變形。


1.2.3勁度模量


勁度是反映瀝青混合料在給定溫度和加載條件下的應力-應變關系的參數。各種因素實質上通過影響瀝青混合料的勁度來影響其疲勞性能,研究瀝青混合料勁度的變化規律對認識其疲勞性能具有關鍵作用。根據規范[7],勁度模量計算采用下式:

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2、行車道與超車道標準軸載作用次數差異


為了量化對昌九高速公路行車道和超車道冷再生混合料實際承受軸載作用次數差異,對昌九高速公路進行現場交通量調查。調查過程中將車輛類型分為三類客車(20至39座)、四類客車(≥40座)、一類貨車(≤2t)、二類貨車(2.1t至5t)、三類貨車(5.1t至10t)、四類貨車(10.1t至15t)、五類貨車(≥15.1t)、一類集裝箱(20尺貨柜)、二類集裝箱(40尺貨柜)9種,每種車型對應不同的平均軸載換算系數。調查方式為室外拍攝,分別選取工作日和周末進行。后期對拍攝視頻分車型進行統計,換算成相應的等效軸載作用次數,計算得到行車道的車道系數為0.864,超車道的車道系數為0.136。由統計結果可知,行車道冷再生混合料承受的累計交通軸載作用次數為超車道的6倍左右,兩車道所承受的累計軸載作用次數差異明顯。


3、在役乳化瀝青冷再生混合料劈裂強度


現場兩車道的在役乳化瀝青冷再生混合料試件和新成型冷再生混合料試件劈裂強度試驗結果匯總如表2所示。

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由表2可得,取自行車道和超車道的2類在役冷再生混合料劈裂強度值接近,差異并不明顯,但這2類在役冷再生混合料劈裂強度值卻明顯大于室內新成型的冷再生混合料。新成型冷再生混合料并未承受行車荷載作用,這說明冷再生混合料在鋪設后性能有所提升,針對這一規律接下來結合疲勞試驗分析結果進行進一步說明。


4、在役乳化瀝青冷再生混合料疲勞性能


4.1 在役乳化瀝青混合料疲勞破壞特點


對在役乳化瀝青冷再生混合料進行了0.50、0.40、0.30、0.25共4個應力比下的劈裂疲勞試驗,并繪制了不同應力比下的勁度衰減曲線,結果表明,在役冷再生混合料在不同應力比(S)下勁度模量有相同的衰減規律?,F以S=0.4時的勁度模量衰減曲線為例分析在役冷再生混合料的勁度衰減規律。S=0.4時的勁度模量衰減曲線如圖3a所示。

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由圖3a可以看出在役冷再生混合料勁度衰減分為3個階段:①疲勞加載次數在700次以內的減速衰減階段。在役冷再生混合料在鋪設和服役過程中,所承受的荷載為垂直方向荷載,而室內劈裂疲勞試驗加載模式相對于混合料來說是水平方向荷載,在水平方向上,在役冷再生混合料的非均勻性及微觀缺陷仍然存在,在疲勞試驗過程中,疲勞荷載對試件的壓密及局部缺陷部位的應力集中使混合料產生了微細裂紋并逐漸擴展,形成小范圍的局部疲勞損傷,導致已服役冷再生混合料勁度模量迅速衰減,但衰減速度隨加載次數的增加而逐漸減小。②加載次數在700~11500次之間的勁度勻速衰減階段。此時微裂紋逐漸積累,在役冷再生混合料內部局部缺陷區域內的高密度能量得到釋放轉移,混合料內部能量積累-擴散重新達到相對穩定的狀態,勁度模量下降,速度與疲勞加載次數近似呈線性關系。③加載次數大于11500次的勁度加速衰減階段。細微裂紋逐漸擴展直至相互貫通,混合料性能由于內部損傷的加劇而迅速劣化,試件勁度模量加速衰減直至試件完全開裂并失穩破壞。將在役冷再生混合料上述3個階段分界點定義為拐點1和拐點2。


對新成型冷再生混合料進行了0.40、0.30、0.25共3個應力比下的劈裂疲勞試驗,新成型冷再生混合料不同應力比下勁度模量衰減規律也相同?,F以S=0.3時的勁度模量衰減曲線為例進行分析,其衰減曲線如圖3b所示。由圖可得,新成型冷再生混合料勁度衰減曲線前2個階段衰減規律與在役冷再生混合料相同:①加載次數在900次以內的勁度減速衰減階段。該階段新成型冷再生混合料勁度模量迅速衰減。②勁度勻速衰減階段。該階段新成型冷再生混合料勁度模量基本呈線性遞減。需要注意的是,雖然新成型冷再生混合料勁度衰減曲線最后階段也呈現出小范圍的加速衰減特征,但由于該階段加載次數過少,所以這個階段不作為特征階段進行分析,可以認為新成型冷再生混合料勁度衰減分為減速衰減和勻速衰減2個階段,而后試件出現貫通裂縫、失穩破壞。將新成型冷再生混合料2個階段分界點定義為拐點1。


在疲勞過程中瀝青混凝土的損傷導致其勁度模量衰減,可用損傷量來度量其劣化程度[9]。


累計損傷量D定義為第n次加載時瀝青混凝土勁度模量損失量與初始勁度模量之比。

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根據Lemaitre損傷理論,單次荷載對瀝青混凝土造成的損傷量為[10]

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由圖4可得,對于在役冷再生混合料和室內新成型冷再生混合料,其實驗室加載疲勞損傷曲線均表現出和勁度衰減曲線相同的規律。在役冷再生混合料疲勞損傷分為3個階段:①減速損傷階段,該階段損傷值D逐漸增大,但單次損傷值ΔD逐漸減小。②勻速損傷階段,該階段D線性增長,ΔD基本保持不變。③加速損傷階段,該階段ΔD迅速增大,D隨著加載次數迅速增大。則在疲勞試驗過程中,在役冷再生混合料疲勞損傷的變化規律可用勁度模量的變化規律來表示。


勁度模量減速衰減階段是由于混合料壓實過程及內部局部缺陷引起的,此時混合料還未進入穩定損傷階段,因此將在役冷再生混合料疲勞破壞的起點定義為減速損傷階段和勻速損傷階段的轉折點,在勁度衰減曲線上對應拐點1,該點后在役混合料進入穩定損傷狀態;而疲勞破壞終點定義為勻速損傷階段和加速損傷階段轉折點,在勁度衰減曲線上對應拐點2,在該點后,在役冷再生混合料勁度加速衰減,混合料已出現宏觀裂縫,并加速破壞。


室內新成型冷再生混合料疲勞損傷表現為減速損傷階段和勻速損傷階段,其疲勞損傷的變化規律同樣可用勁度模量的變化規律來表示。相應的,疲勞破壞的起點定義為減速損傷階段和勻速損傷階段的轉折點,在勁度衰減曲線上對應拐點1;由于新成型冷再生料加速損傷階段可以忽略,所以衰減曲線上不存在拐點2,其疲勞破壞終點定義為試件完全破壞(勁度變為零)。為直觀比較,將在役及新成型冷再生料不同應力比下一次平行試驗中得到的勁度衰減曲線匯總到圖5。

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由圖可看出,超車道和行車道的冷再生混合料在不同應力比下均表現為三階段衰減模式,室內新成型冷再生料在不同應力比下均表現為兩階段衰減模式。拐點1和拐點2分別對應冷再生混合料疲勞損傷起點和終點的位置,對勁度衰減曲線3個階段進行線性擬合,通過3個階段最佳線性擬合直線的交點來確定2個拐點的位置,具體方法如下:


(1)首先根據衰減曲線定出3個階段分別對應的橫坐標大致范圍[K1,K2]。


(2)對3個階段對應的[K1,K2]范圍內數據點進行線性擬合,得到擬合函數相關系數R^2。


(3)不斷調整[K1,K2]的范圍,重復步驟(2),找到擬合函數相關系數R^2最大值,此時[K1,K2]范圍內數據點線性擬合直線即為對應的衰減階段最佳線性擬合直線。


(4)3個階段最佳線性擬合直線的交點對應的橫坐標即為拐點1和拐點2對應的橫坐標。


利用上述方法確定所有類型冷再生混合料不同應力比下3次平行疲勞試驗得到的勁度衰減曲線的拐點位置,其中新成型冷再生混合料僅考慮拐點1。將勁度衰減曲線中拐點1所對應的勁度模量定義為Esp1,拐點2所對應的勁度模量定義為Esp2。拐點 1spl對應的勁度模量與初始勁度模量的比值定義為Esp1/Es0,拐點2對應的勁度模量與拐點1的相應比值定義為Esp2/Esp1。所有拐點對應的勁度模量及拐點間勁度模量比值匯總到表3。

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為了便于比較分析,計算表3中Esp1/Es0與Esp2/Esp1的均值并將均值數據匯總到表4。

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由表4及圖5可得,取自超車道的在役冷再生混合料在不同應力比時初始勁度大小基本不變,拐點1和拐點2對應的勁度大小在不同應力比時也基本不變。行車道冷再生混合料初始勁度值、拐點1對應的勁度值、拐點2對應的勁度值隨應力比變化也不明顯。而新成型冷再生料初始勁度值、拐點2對應的勁度值隨應力比變化明顯:應力比變大,初始勁度值和拐點1對應的勁度明顯降低。由此可得,在役冷再生混合料在承受行車荷載、充分老化后,在疲勞破壞階段更多地表現出彈性特征,勁度模量對應力大小的敏感性減??;而新成型冷再生混合料破壞階段勁度模量對應力敏感性高。


在同一應力比下,超車道冷再生料初始勁度值、拐點1對應的勁度值、拐點2對應的勁度值均大于行車道冷再生混合料。行車道和超車道冷再生混合料差異性更多地體現在實際承受的軸載作用次數上,可得實際軸載作用次數的增加會導致在役冷再生混合料勁度模量降低。由表1可得,在役冷再生混合料拐點1對應勁度值和初始勁度值的比值集中在37%~54%之間,均值為45%;拐點2對應勁度值與拐點1對應勁度值的比值集中在43%~49%,均值也在45%左右。由此可給出在役冷再生混合料疲勞破壞準則:勁度模量下降到初始模量45%時開始疲勞破壞;勁度模量下降到疲勞破壞起點(拐點1)勁度值45%時發生破壞。室內新成型冷再生混合料拐點1對應勁度值和初始勁度值的比值集中在32%~37%,均值在35%左右,則其疲勞破壞準則定為勁度模量下降到初始勁度35%時開始疲勞破壞;由于新成型冷再生混合料不存在拐點2,則試件完全破壞(勁度模量為零)時發生疲勞破壞。


4.2 冷再生混合料室內疲勞壽命及疲勞方程


按照4.1節提出的在役及新成型冷再生混合料疲勞破壞準則,確定2類冷再生混合料在不同應力比下的疲勞壽命。其中對于在役冷再生混合料而言,得到的疲勞壽命其實是混合料在承受現場實際軸載作用次數后的剩余疲勞壽命。不同混合料的疲勞壽命結果匯總如表5所示。


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將表4中的數據繪制在雙對數坐標上,如圖6所示。

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由圖可得,2類冷再生混合料疲勞壽命和試件中心拉應力在雙對數坐標上呈現很好的線性關系,則疲勞方程形式選定為

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由圖6可擬合得到在役及新成型冷再生混合料相應的疲勞方程。

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由式(5)至(7)可以看出3類冷再生混合料疲勞方程相關性都很高,超車道冷再生混合料疲勞方程中系數k最大,行車道冷再生混合料次之,室內新成型冷再生混合料的系數k最小。由于k表征疲勞性能,k越大,表示混合料室內疲勞試驗得到的剩余疲勞壽命越大。因此,可得在試件中心最大拉應力相同的情況下,超車道冷再生混合料剩余疲勞壽命大于行車道,這表明更多的軸載作用次數會導致在役冷再生混合料疲勞壽命降低。室內新成型冷再生混合料并未承受行車荷載作用,其疲勞壽命理論上應該高于在役冷再生混合料,但疲勞方程表明,新成型冷再生混合料疲勞壽命低于在役冷再生混合料,這說明乳化瀝青冷再生混合料在鋪設后服役過程中存在疲勞壽命增長過程。過往研究中[11-12]對不同泡沫瀝青與乳化瀝青冷再生混合料在實體工程運營后進行研究,發現冷再生混合料在運營2~5年內力學性能逐年增長,2~5年后達到穩定水平,本文的研究結果也和這一結論相吻合。這種情況可能是由于在役冷再生混合料中舊料與瀝青的結合浸潤和壓密作用時間長,各界面黏結力較強,疲勞壽命長;而新成型冷再生料中舊料與瀝青相互作用時間短,各界面間黏結作用較弱,疲勞壽命較短。


5、結論

(1)在役乳化瀝青冷再生混合料勁度衰減可分為勁度減速衰減、勁度勻速衰減、勁度加速衰減3個階段,3階段的分界拐點可分別定義為疲勞破壞的起點和終點。新成型乳化瀝青冷再生混合料則只有勁度減速衰減、勁度勻速衰減2個階段。冷再生混合料在不同加載應力比條件下的疲勞損傷曲線與勁度衰減曲線變化規律相同。


(2)在役乳化瀝青冷再生混合料在疲勞破壞階段更多地表現出彈性特征,勁度模量對應力大小不敏感;而室內新成型冷再生混合料勁度模量對應力敏感性高。在軸載作用次數差異影響下,超車道冷再生混合料疲勞破壞各個階段勁度值普遍大于行車道冷再生混合料,表明現場更多的軸載作用次數會導致冷再生混合料勁度模量降低。


(3)在役乳化瀝青冷再生混合料疲勞破壞準則可定義為:當勁度模量下降到初始模量45%時開始疲勞破壞,勁度模量下降到疲勞破壞起點勁度值45%時疲勞破壞結束。室內新成型冷再生混合料疲勞破壞準則定義為:勁度模量下降到初始勁度35%時開始疲勞破壞,試件完全破壞時疲勞破壞結束。


(4)在試件中心最大拉應力相同時,超車道冷再生混合料剩余疲勞壽命大于行車道冷再生料;室內新成型冷再生混合料疲勞壽命低于在役冷再生混合料,說明乳化瀝青冷再生混合料在鋪設后服役過程中存在疲勞性能增長過程。

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標簽:綜合論文,技術中心,瀝青混凝土
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