（道路与铁道工程专业论文）乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能研究.pdf

摘要 沥青路面冷再生工艺是2 0 世纪8 0 年代后期在路面冷铣刨工艺的基础上迅速发展起 来的一种新技术，目前己成为国际上道路维修改造方法之一。 本文对可回收废旧沥青混合料中的沥青进行了回收和测定，通过筛分，确定了旧料 的级配。同时，对试验中所用的乳化沥青、水泥以及集料的性能进行了评测。采用正交 设计的方法进行配合比设计，以劈裂强度、马歇尔稳定度、流值、抗压强度和孔隙率作 为评价指标，确定混合料的水泥用量、乳化沥青用量、旧料掺量和总用水量，得到一组 较优的配合比方案。结合经济和社会效益考虑，得到另一组较优的配合比方案。利用对 比试验，最终确定后者为最优配合比。根据最佳配合比，以最大理论密度预控孔隙率， 得到了不同孔隙率的试件进行试验，以应变控制沥青混合料疲劳试验研究为基础，采用 四点弯曲疲劳试验方法，提出沥青混合料在不同置信度和可靠度水平下的疲劳性能预估 模型。 关键词：沥青路面冷再生；配合比设计；孔隙率；疲劳寿命 a bs t r a c t c o l d - r e c y c l i n go fa s p h a l tp a v e m e n tb e c o m e so n eo ft h em o s tp o p u l a rr o a dm a i n t e n a n c e w a y so ft h ew h o l ew o r l d ，i san e wt e c h n o l o g yd e v e l o p e d w i t hp a v e m e n tc o l dm i l l i n gi n l9 8 0 s o f2 0 t hc e n t u r y i nt h i s p a p e r , r e c y c l a b l e w a s t ea s p h a l tm i x t u r eo fa s p h a l tf o rt h er e c o v e r ya n d d e t e r m i n a t i o n ，t h r o u g hs c r e e n i n g ，t od e t e r m i n et h eg r a d i n go ft h eo l dm a t e r i a l m e a n w h i l e , i t m a k e st h ee v a l u a t i o no ft h ep e r f o r m a n c eo ft h ee m u l s i f i e da s p h a l t ，c e m e n ta n da g g r e g a t e u s e di nt h et e s t ，a n df u r t h e ra n a l y s et h em e c h a n i s mf o rt h ef o r m a t i o no ft h es t r e n g t ho ft h e c o l d r e c y c l i n go fa s p h a l t t h e r e s u l t ss h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c ei n d e xo ff i l l e rm e e tt h e s p e c i f i c a t i o n s b yt h eu s eo fo r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o d ，w i t hc h o o s i n gs p l i c i n gs t r e n g t h ， m a r s h a l ls t a b i l i t y , f l o wv a l u e ，c o m p r e s s i v es t r e n g t ha n dv o i da si n d e x ，t h ea m o u n to fc e m e n t ， a s p h a l tc o n t e n t ，r a pc o n t e n ta n dt o t a lw a t e rc o n s u m p t i o ni nm i x t u r ec a nb ed e t e r m i n e da n d i n t h i sw a yag r o u po fp r o g r a m sf o ro p t i m u mm i xp r o p o r t i o n ( p r o g r a m1 ) c a nb eg a i n e d c o n s i d e r i n g e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s ，a n o t h e rg r o u po fp r o g r a m sf o ro p t i m u mm i x p r o p o r t i o n ( p r o g r a m2 ) c a nb eg a i n e d t h e na f t e rt h ec o m p a r a t i v et e s t ，p r o g r a m2i sp r o v e dt o b et h eb e s tm i xp r o p o r t i o n f i n a l l y , w i t hp r o g r a m2a st h eb a s i cs t a n d a r di ti st h eb e s tm i xt o t h et h e o r e t i c a lm a x i m u md e n s i t yo fp r e - c o n t r o lo fp o r o s i t y , o b t a i n e dw i t hd i f f e r e n tt e s t s p e c i m e n s ，t h e n ，e x p e r i m e n t so fc o n s t a n ts t r a i nc o n t r o l l e db e a mb e n d i n gf a t i g u eu n d e r d i f f e r e n tp o r o s i t yw e r ec a r r i e do n ，f a t i g u ep e r f o r m a n c ep r e d i c t i o nm o d e lw i t hd i f f e r e n tl e v e l s o fc o n f i d e n c ea n dr e l i a b i l i t yo ft h ea s p h a l tm i x t u r ea r ee s t a b l i s h e d k e yw o r d s ：c o l dr e c y c l i n go fa s p h a l tp a v e m e n t ；m i xd e s i g n ；p o r o s i t yf a t i g u el i f e 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：必? 救 同期：加年月，岁日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位敝储躲水 日期：沙后年月f 岁同 舯狮签j 蜘钞 日期：跏年z 月侈日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n i ( i 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者躲斛 日期：厶p 年月f ；e l 指剥币溯毛丢 日期：矶年z 月够f i 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 多年来，世界各国广泛进行沥青混合料再生利用的试验研究，取得丰硕的成果，并 已在生产中大面积推广应用，现在，沥青混合料再生利用技术越来越受到人们的关注， 是能够有效解决问题的一项新技术。 随着公路交通量日益增长，汽车轴重不断增大，汽车对路面的破坏作用变得越来越 明显。路面使用期间经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，致使 路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数以后，在荷载作用下路面内产生 的应力就会超过强度下降后的结构抗力，使路面出现裂纹，产生疲劳断裂破坏。为了保 证沥青路面具有良好的使用性能和耐久性，世界各国沥青路面设计方法均以路面疲劳特 性作为基本的设计原则。因此多年以来沥青及沥青混合料的疲劳性能一直是路面工程研 究的重点，包括美国s h r p 计划在内都把沥青及沥青混合料的疲劳作为主要研究项目之 1 2 国内外路面再生的研究情况 上世纪八十年代末美国再生沥青混合料的用量几乎为全部路用沥青混合料的一半， 沥青路面的再生利用在美国已是常规实践，目前其重复利用率高达8 0 。相比常规全 部使用新沥青材料的路面，节约成本1 0 3 0 。 西欧国家也十分重视这项技术，德国是最早将再生料应用于高速公路路面养护的国 家。芬兰几乎所有城镇都组织旧沥青路面材料的收集和储存工作。法国现在也已开始在 高速公路和一些重交通道路的路面修复工程中推广应用这项技术。欧美等发达国家都特 别重视再生沥青实用性的研究，他们在再生剂的开发以及实际工程应用中的各种机械设 备的研制方面都取得了很大的成就，正逐步形成一套比较完整的再生实用技术，达到了 规范化和标准化的程度。资源短缺的日本也非常重视旧沥青路面再生利用的研究，2 0 0 0 年再生沥青混合料已达5 0 万吨，占全年沥青混合料产量的5 8 ，日本每个拌和站都 具备生产再生混合料的能力。 2 0 世纪9 0 年代，我国进入高速公路建设高峰时期，沥青混凝土路面再生技术的研究 与推广被暂时搁置。 从2 0 0 2 年京津塘高速公路开始，就地热再生技术也在我国悄然兴起。当年夏季，沪宁 高速上海段3 万平方米路段进行现场热再生施工。2 0 0 2 年6 月北京三一四环连接线也 使用了该技术快速维修道路。2 0 0 4 年5 月成渝高速公路也采用现场热再生技术维修了3 第一章绪论 万平方米的道路。而且在京沪高速公路苏北段该技术也得到了比较广泛的应用。 近年来，冷再生技术在我国也得到了比较长足的发展。许多省份开展了围绕以乳化沥 青和泡沫沥青冷再生技术为主的研究与应用。例如2 0 0 4 年5 月辽宁省营大路采用乳化 沥青就地冷再生技术进行大修，整个工程历时4 个月，工程量超过了4 3 万平方米。此外， 泡沫沥青冷再生技术也如雨后春笋般在我国迅速兴起。虽然我国沥青混凝土路面再生取 得了一定的成果，但毕竟再生技术在我国才刚刚起步，还有许多需要改进的地方。 1 3 沥青混合料疲劳研究历程和概况 关于沥青路面和沥青混合料疲劳性能的研究已经有了近7 0 年历史。早在1 9 4 2 年， o j 伯特发现路面在0 5 0 - 0 7 5 m m 的微小弯沉的情况下，车轮重复作用几百万次也 会发生破坏。l w 尼格贝尔在1 9 5 3 年指出了路面疲劳裂纹的产生是重复行驶的车轮 引起的弯拉应力超过材料抗拉强度的结果，他把路面疲劳应力应变状态联系起来了【i 】。 1 9 5 5 年h v e e m 的调查研究指出了沥青路面的疲劳丌裂与路面变形量及交通量有关【2 1 。这 些研究为沥青混合料疲劳试验研究的发展奠定了基础。在接下来的半个世纪里，世界各 国对沥青路面的疲劳特性进行了大量的研究，对路面疲劳破坏机理也有了更多科学的认 识，并不断地得到深化。人们开始逐渐认识到车辆的反复荷载作用会引起沥青路面的疲 劳开裂，意识到在沥青混合料设计和路面设计中必须考虑沥青材料的疲劳性能以保证沥 青路面具有良好的使用性能和耐久性。沥青路面的疲劳破坏可能由于路面结构和沥青混 合料本身引起【3 4 】。 在1 9 7 1 年和1 9 7 3 年，加利福尼亚大学b e r k e l e y 分校的c a r ll m o n i s m i t h 5 】和 n o t t i n g h a m 大学的p s p e l l 6 】分别建立了如式( 1 1 ) 和( 1 2 ) 所示的沥青混合料疲劳性 能预估方程，从而确立了按应变控制和应力控制疲劳试验模式下的疲劳性能经典预测模 型。 ，= a ( 1 s ，) 口 式( 1 1 ) ，= c ( 1 t r ，) d 式( 1 2 ) 其中，一疲劳破坏时的荷载作用次数； 占一施加的拉伸应变值； 仃一施加的拉伸应力值； a ，b ，c ，卜为由疲劳试验确定的参数。 上述两个方程建立了实验室内沥青混合料疲劳寿命与应力应变之问的关系，这一结 构形式至今对于单一沥青混合料类型的疲劳性能预测中仍得以采用。 1 9 8 5 年c a r ll m o n i s m i t h 建议采用如式( 1 3 ) 结构的方程来预测沥青混合料的疲 第一章绪论 劳性能【刀，这一结构形式在壳牌石油( s h e l lb i t u m e n ) 以及地沥青学会( a s p h a l ti n s t i t u t e ) 的设计规范中得以运用。 ，= a ( 1 q ) 4 ( 1 s 腑) 6 式( 1 3 ) 其中，一疲劳破坏时的荷载作用次数； e t 一施加的拉伸应变值； s一混合料的初始劲度模量；mix a ，a ，卜为由疲劳试验确定的参数。 该预测模型将沥青混合料的初始劲度模量作为了一个影响疲劳寿命的因素加以考 虑，而沥青混合料的初始劲度模量则是一个反映沥青劲度、混合料级配、空隙率、沥青 用量等多个因素变化的综合指标，在一定程度上可以反映出不同类型的沥青混合料的疲 劳特性。 诺丁汉大学还建立了拉应变、疲劳荷载作用次数、沥青含量和软化点的关系： 睁，= 篙3 黪1 1 9 篇6 3 嚣1 9 1 58 9 5 + 8 一 _ ：盟 儿 式( 1 4 ) 式( 1 5 ) 式中：占，一允许拉应变； 一荷载作用次数； 尸爿一沥青体积百分率( ) 。 只一油石比( ) ； ，一混合料毛体积相对密度。 九一沥青的相对密度： 1 船一环球法沥青软化点( ) 。 美国加利弗尼亚大学伯克利分校进行了大量的室内研究，并通过室外足尺试验对室 内疲劳规律进行了验证。大量的研究结果总结出的沥青混合料疲劳方程反映在美国沥青 协会的路面设计方法中： n i = o 2 6 5 9 c ( 4 3 2 5 1 0 。3 毛。3 2 9 1 s 。m 8 5 4 ) 式( 1 6 ) c = 1 0 ” m = 4 8 4 ( v a ( 圪+ 圪) 一0 6 8 7 5 j 式中：白一弯拉应变； 一沥青混合料劲度模量或复数模量( m p a ) ； 圪一沥青体积百分率( ) ： 4第一章绪论 ，v 一空隙率( ) 。 在“s h r p ”计划中，加州大学又深入分析了影响沥青混合料疲劳性能的各种因素， 包括：试件的成型方法、加载方式、混合料变量( 沥青粘度、沥青用量、集料级配、空 隙率、温度) 和疲劳试验方式的基础上，在开展扩大试验计划后，汇总了室内疲劳试验 资料，得出下列回归方程： m = 2 7 3 8 1 0 5e x p0 。0 7 7 嗍( 占。) 。3 6 2 4 ( 跏枷 式( 1 7 ) v v f a = 兰一 圪+ 圪 式( 1 8 ) 式中：“，一疲劳寿命； 6 0 一初始应变( 时时) ； so 一初始劲度模量( p s i ) ； 班m 一沥青饱和度( ) ； ，a 一沥青体积百分率( ) ； 7r 一空隙率( ) 。 s h e l l 石油公司的研究人员从1 9 6 0 年开始进行了大量的研究， 法中，采用下列疲劳方程： ，= ( o 8 5 6 v + 1 0 8 ) ( ) “8 ( 二) 5 在1 9 8 1 年版设计方 式( 1 9 ) 式中：) m 一沥青混合料的劲度模量( p a ) ； 占，一反复弯拉应变的大小( m m m m ) ； 7n 一沥青体积百分率( ) 。 俄亥俄州大学从裂纹的扩展规律出发来研究疲劳性能。应用断裂力学方法的疲劳寿 命的定义是在一定的应力状态下，材料的损坏按照裂缝扩展定律，从初始状态增长到危 险和临界状态的时间。通过对已有的疲劳裂缝扩展规律试验结果的对比分析，认为 e c p a r i s 的裂缝扩展规律最适合于沥青混合料的情况【1 3 彤】。根据e c p a r i s 的理论，裂缝 扩展规律公式为： ， 竺= a k ” 式( 1 1 0 ) d n 式中：c 裂缝长度( n 1 1 1 1 ) ： 荷载作用次数； a ，m 材料常数； k 应力强度因子，与荷载、试件几何尺寸和边界条件有关的常数。 加州大学伯克利分校及其他研究人员认为疲劳试验中的总能耗和循环荷载的重复 作用次数之间存在着某一特定关系，通过试验研究还提出一种新的疲劳响应模型，即能 第一章绪论 耗疲劳方程，用能量法来研究沥青混合料的疲劳特性。s h r p 在压实沥青混合料重复弯 曲疲劳寿命测定的标准试验方法( s h r p m 0 0 9 ) 中还给出累积消散能及消散能累积到 破坏时的计算方法。但是正如c l m o n i s m i t h 等人在“沥青混合料疲劳反应综 述”s h r p a 3 1 2 一文中所指出的：至今为止，仅在弯曲疲劳试验上考虑使用消散能理论， 尚需进一步研究它能否用于其它类型疲劳试验和沥青路面疲劳设计中。 国内的研究工作起步相对较晚，但也做了大量的研究工作。我国9 7 年沥青路面设 计规范考虑了沥青层的疲劳问题【5 】，在交通部科研项目“沥青路面设计指标与参数的研 究”中选用茂名6 0 # 、胜利1 0 0 # 、辽河1 4 0 # 三种国产沥青，配制中粒式和粗粒式两种 级配的沥青混凝土试件，用m t s 试验机以应力控制方式，在5 种温度条件下( 2 5 、 1 5 、o 、5 、1 5 ) 进行间接拉伸疲劳试验，施加半正弦波荷载，加载频率为1 0 h z 。 根据试验结果分析，推荐的疲劳方程为： n i = 2 8 0 0 - 5 式( 1 1 1 ) 式中，o 为沥青层拉应力。 同济大学2 0 0 0 年在交通部科技项目“沥青混合料动态性能参数标准”研究中【1 6 】，对 采用进口沥青的三种级配制备沥青混合料( a c 2 5 ，a c 2 0 ，a c l 2 ) ，进行了常应力弯曲疲 劳试验研究。他们还根据荷载间歇时间、荷载横向分布和不利季节天数对室内疲劳模型 进行了现场修正，得到疲劳模型为： n ，= 8 0 5 1 0 6 a ，a 。仃吐1 7式( 1 1 2 ) 式中，彳。为沥青类型系数，若以e s s o 沥青类型系数为l ，则s h e l l 沥青类型系数 为4 ，韩国沥青类型系数为5 ；a 。为沥青混合料级配系数，参考规范取值。 华南理工大学综合国内外多个研究项目的四点弯曲疲劳试验结果17 1 ，建立了以单 轴动态压缩模量和沥青饱和度为控制指标的疲劳模型： m = 4 6 5 5 1 0 1 9 ( 扩7 4 7 ( 争2 7 8 。 e乜 n f = 2 9 2 0 1 0 1 6 ( 1 ) 3 9 7 3 ( 争5 7 9 ( v f a ) 2 7 2 。e 式( 1 1 3 ) 式( 1 1 4 ) 其中， 疲劳破坏时的荷载破坏次数； 施加的拉伸应变值( 微应变，1 0 6 m m m m ) ； e 混合料的单轴动态压缩模量( m p a ) ； v f a 沥青饱和度( ) 。 综合目前已有的研究成果，沥青路面疲劳特性的研究方法基本上可以分为两类，一 类为现象学法，即传统的疲劳理论方法，它采用疲劳曲线表征材料的疲劳性质：另一类 为力学近似法，即应用断裂力学原理分析疲劳裂缝扩展规律以确定材料疲劳寿命的一种 方法。现象学法与力学近似法都是研究材料的裂缝以及裂缝的扩展，其主要区别就在于 前者的材料疲劳寿命包括裂缝的形成和扩展阶段，研究裂缝形成的机理以及应力、应变 6第章绪论 与疲劳寿命之间的关系和各种因素对疲劳寿命及疲劳强度的影响；后者只考虑裂缝扩展 的寿命，认为材料一开始就有初始裂缝存在，因此不考虑裂缝的形成阶段，而主要研究 材料的断裂机理及裂缝扩展规律。 断裂力学方法 断裂力学方法认为疲劳时材料初始微裂缝，在荷载作用下扩展直至破坏的过程，在 一定裂缝张口宽度和长度的情况下，应用断裂力学原理计算裂缝尖端应力强度因子，它 决定了疲劳试验中裂缝的扩展，一般认为p a r i s 方程较好的描述了裂缝扩展与应力强度 因子的关系。断裂力学方法只能考虑稳态裂缝扩展，并且由于沥青混合料的粘性、弹性、 塑性的特点，其应力强度因子k l 在高温时并非常数，从而使其应用受到局限。 现象学方法 现象学方法是传统的疲劳试验方法，现象学方法认为，沥青混合料的疲劳是材料在 荷载重复作用下产生不可恢复强度衰减累积引起的现象。显然荷载的重复作用次数越 多，强度的损伤也就愈加剧烈，它所能承受的应力或应变值就愈小，反之亦然。沥青层 底水平拉应变与路面出现裂缝时所承受的重复荷载作用次数有关，通过疲劳试验建立沥 青层应力( 应变) 与疲劳寿命的关系。 沥青混合料疲劳试验方法可分为试验路、加速加载试验和室内试件疲劳试验三类。 前两类试验方法可以更好地模拟路面实际工作状况，试验结果具有较高的可靠性，然而 由于耗资大，周期长，其应用受到限制。虽然室内试件疲劳试验状态与路面实际状态有 较大差异，但由于耗资少，周期短，作为相对评价沥青混合料疲劳性能的方法，仍然得 到广泛应用。 沥青混合料室内小型疲劳试验的方法很多，主要有弯曲疲劳试验、直接拉伸疲劳试 验、间接拉伸疲劳试验、支承弯曲疲劳试验、三轴疲劳试验、室内轮碾疲劳试验等。 加州伯克利分校、美国地沥青协会、s h r p 等采用三分点小梁弯曲疲劳试验，但试 件尺寸各不相同。壳牌试验室( 荷兰) 采用中点小梁弯曲疲劳试验对沥青混合料的疲劳 性能进行研究，v a nd i j k 、v e r s t r a e t e n 和法国l c p c 则采用梯形悬臂梁弯曲试验【3 】，英国 诺丁汉大学p e l l 等人还采用旋转悬臂梁弯曲疲劳试验进行研究【4 】。k e n n e d y , s c h o l z ， k h o s l as c h m i d t 等对间接拉伸( 劈裂) 疲劳试验进行了研究。我国沥青路面设计规范中 提出的沥青层疲劳标准也是根据间接拉伸疲劳试验获得的【5 1 。此外，我国的东南大学、 华南理工大学、长沙理工大学等都采用了三分点小梁弯曲疲劳试验对沥青混合料性能进 行研究。 s h r p 对不同试验方法的优缺点进行了分析，并从对现场情况的模拟程度、试验结 第一章绪论 果的可应用性、试验方法的简便性、现场修正因素等几方面对不同试验方法进行综 合评价。评价结果认为小梁重复弯曲试验最能代表实际路面的受力状况，试验结果可直 接用于设计，是疲劳试验的首选方法捧】。 然而，小梁弯曲疲劳试验荷载控制模式主要有两种：常应力模式和常应变模式。常 应力疲劳试验是指在试验时保持作用应力即荷载不变，随着荷载的重复作用次数的增 加，混合料强度逐渐减小，因此混合料的应变逐渐增大，直至试件断裂为止。达到破坏 的应力重复作用的总次数就是混合料的疲劳寿命。控制应变试验就是指在试验的时候， 保持作用的应变不变。随着作用荷载重复次数的增加，混合料的强度下降，为了保持应 变不变，作用荷载将逐渐减小，应力变小。荷载模式在反映沥青混合料疲劳特性方面有 显著差异：由应力控制的疲劳试验得到的疲劳寿命要比应变控制的疲劳试验得到的疲 劳寿命小得多。两者之间疲劳寿命的差值，随试件所处的温度条件而有所不同，低温时 差值甚小，高温时差值较大。s h r p 研究表明【s j ：在相同条件下，应变控制模式的疲劳 试验所得到的疲劳寿命约等于2 4 倍应力控制的疲劳寿命。在给定的应力( 或应变) 水平下，控制应力的疲劳试验，较高劲度的混合料具有较大的疲劳寿命。控制应变的疲 劳试验，较高劲度的混合料却表现了较小的疲劳寿命【圳。 对于试验模式的选择并没有一个确切的定论。长沙理工大学的刘峰通过对壳牌 s b s 、壳牌宽域沥青( m u l t i p h a l t e ) 、改性沥青( c a r i b i t ) 、及壳牌重交a h 7 0 撑3 种沥青拌制 的a k - 1 3 型沥青混合料小梁在两种控制模式下的小梁弯曲疲劳试验和a p a 疲劳试验的 试验结果进行理论分析、比较，认为沥青混合料疲劳试验中采用应力控制模式较为合理 性【8 】。而东南大学的葛折圣通过分析沥青路面的沥青稳定基层疲劳时的应力应变状态， 及这种应力应变状态与疲劳试验的荷载控制模式的关系，认为沥青稳定基层的应力应变 状态更接近于应变控制模式疲劳试验的工作状态，因此，沥青稳定基层混合料的疲劳试 验宜采用应变控制的荷载模式【l o j 。 1 4 主要研究内容 本文拟采用应变控制模式，对乳化沥青冷再生混合料进行试验研究，主要内容包括 以下方面： 1 冷再生旧料及添加新料性能检测：旧沥青含量，级配曲线，筛分后石料各项性能， 乳化沥青各项指标，石灰岩集料及矿粉，水泥指标等。 2 配合比设计，综合考虑乳化沥青用量，旧料掺量，水泥用量，用水量的因素，以马 歇尔稳定度、流值、劈裂强度、抗压强度和空隙率作为控制指标，确定最佳配合比。 3 疲劳试件成型，预控制孔隙率，采用不同孔隙率试件进行疲劳试验分析。 4 不同置信度水平下，不同可靠度的疲劳寿命分析，回归疲劳方程。 第- 二章试验用材料分析与评价 第二章试验用材料分析与评价 本文所采用的旧料来自重庆渝涪高速公路( 分渝宜段和长涪段) 。原沥青路面结构为： 4 c m 抗滑表层( a c l 3 ) ；5 c m 中粒式沥青混凝土( a c 2 0 i ) ；6 c m 粗粒式沥青混凝土 ( a c 2 5 i ) ：2 0 c m 石灰粉煤狄碎石基层；2 8 c m 石灰煤渣碎石底基层，总厚度为6 3 c m 。 【l l 】 2 1 旧沥青含量的测定 要准确测定旧沥青混合料中旧沥青的含量，关键是要搞清楚抽提液中矿粉的含量。 抽提液中矿粉含量测定方法有：用燃烧法取小样本测定；采用甩干器，用高速离心法将 矿粉与沥青三氯乙烯混合液分离，通过离心甩干杯的增重来确定矿粉质量；也可通过长 时间的静置沉淀后，倾倒掉混合液测得矿粉质量。本文采用离心抽提法，测试结果见表 2 1 【1 引。 表2 1 沥青含量测定结果 t a b 2 1r e s u t so fa s p h a l tc o n t e n td e t e r m i n a t i o n 抽提前混抽提后混抽提后滤滤纸质量 抽提原滤纸质溶液中矿 合料质量合料质量纸质量增量油石比( ) 次数量粉含量( g ) ( g )( g )( g )( g ) ( g ) 111 4 4 510 7 0 18 31 3 24 92 9 1 23 6 5 7 212 7 2 211 9 7 8 8 81 3 5 4 73 0 0 03 2 2 1 313 5 3 7i2 7 9 18 91 1 32 42 7 1 33 4 4 4 413 7 5 6 12 9 8 38 7 1 1 5 2 82 7 3 0 3 5 5 3 从表2 1 抽提试验结果来看，旧料中沥青含量偏少，主要原因在于旧沥青混合料在 长期的荷载、温度和光照等因素作用下，沥青中的部分轻组分被挥发掉了，另一部分则 转化成重质组分。综合4 次的测试结果，取平均值，得出旧沥青混合料油石比为3 4 7 ， 实际操作中取3 5 。 第一二章试验用材料分析j 评价9 2 2 老化沥青的性质变化 沥青在使用中由于空气、温度和阳光的作用会老化变质，究其原因乃是由于化学 组成发生变化而使其胶体性质变坏所致。表2 2 为本次实验路老化沥青的相关性质与 基质沥青性质比较。可以发现，沥青老化后针入度降低、软化点增高、延度减小。化学 组成的主要变化是芳香分缩合成胶质和胶质缩合成沥青质，使体系中沥青质的含量增 多，这样，由于分散相的增多和分散介质胶溶能力的减弱，导致沥青的胶体稳定性下降， 使用性能变差。 表2 2 沥青老化前后相关性质的比较 项目基质沥青 老化沥青 针入度( 2 5 。c ) 6 52 8 软化点4 55 6 延度( 1 5 ) c m 1 5 02 0 粘度( 6 0 ) 3 1 518 4 0 饱和分 9 31 0 6 组成 芳香分 3 4 32 4 8 ( 质量) 胶质 4 0 54 1 2 沥青质 1 5 52 3 7 2 3 旧集料筛分及性能评价 对旧沥青混合料进行离心抽提，去除裹覆在石料上的沥青膜，然后将获得的集 料筛分、烘干进行常规石料性质试验。由于旧沥青混合料中集料较细，而且涉及筛 级较多。因此在试验密度和其他一些性质指标的时候将集料分档，这样可以提高试 验结果的可靠程度。进行5 组筛分试验，筛分结果如表2 3 ： 第一章试验用材科分析，* 价 表2 3 抽提筛分试验结果 3 实测 规 规 规 孔径通过通过率通过率通过率通过率 通过范范范 ( m m ) 率( )( )( )( )( ) 率( ) 中上下 值限 限 3 750o 1 0 0 1 0 0 3 15 0 2 659 9 7 8 7 9 1 99 36 79 50 7 9 55 5 9 53 8 1 6 8 9 4 59 2 i 9 05 0 5 9 1 328 00 5 8 16 78 50 8 8 33 2 6 2 9 5 6 296 80 6 6 66 7 6 6 9 5 6 3 3 7 73 79 9 3 7 5 8 23 61 86 22 0 0 8 2 l0 8 2 07 l 1 1 8 1 4 2 11 30 9 1 37 6 2 51 8 0 6 76 7 83 792 52 5 03 2 6 6 30 2 1 38 0 1 510 2 0 0 7 503 2 o2 40 2 5 02 l 筛底0 0 国21 抽提筛分试验耋占果 f l 窑21r e s u l t s o f e x t r a c t i o ns c r 啪m g i 髂e 第二章试验用材料分析与评价 通过筛分结果可以看出，旧料的级配曲线并没有完全处于规定级配的上下限之间。 旧料中，只有2 3 6 m m 9 5 m m 筛孔基本符合规定级配，9 5 m m 以上的旧料通过率 较规定级配变化较大，2 3 6 m m 以下则较小。由此可见，整个旧料细化情况较为明显。 综合分析，导致旧料细化的原因有以下两方面： 刨铣：在铣刨过程中，粗集料在机械的作用下被轧碎，从拉回来的旧料里面能 看到一些石料出现的新的破裂面； 道路使用中产生的破坏：由于路面面层厚度较薄，而且交通量较大，在使用过 程中，长期受到重车的碾压，导致路面内粗集料被压碎。根据对该路段使用年限内交通 量( 见表2 4 1 1 0 j ) 的调查来看，交通量的年平均增长率为8 5 5 ，重车数量较多，尤其 是2 0 0 4 至2 0 0 5 年期间重车的增长速度非常快，因而造成集料在长期的荷载反复作用下 逐渐被压碎。 表2 4 重庆渝涪高速公路交通量调查表 车辆流量 序时间合计 一类车二类车三类车四类车五类车特种年 备注 号( 年)( 辆) 2 t 以下 2 5 t5 1 0 tl o 2 0 t2 0 4 0 t 2 0 t 辆年1 8 6 2 2 8 65 8 6 8 9 42 5 4 7 5 29 3 0 62 7 3 75 8 4 2 l2 7 7 1 6 5 9 l2 0 0 2 7 个月 辆日8 8 6 82 7 9 5 1 2 1 34 4 1 32 7 81 3 2 l l 辆年 1 4 7 0 6 5 0 43 0 1 3 5 37 7 0 4 5 99 3 9 4 24 8 9 48 9 6 1 615 9 6 7 0 6 8 22 0 0 3 1 2 个月 辆日 4 0 2 9 28 2 62 1 1 12 5 71 32 4 6 4 3 7 4 5 辆年 1 2 9 2 8 1 8 l2 4 7 4 4 1 59 0 3 1 3 63 2 1 5 9 95 3 l o8 4 0 1 91 6 7 1 2 6 2 0 32 0 0 4 1 2 个月 辆日 3 5 4 2 06 7 7 92 4 7 58 8 l1 52 3 04 5 8 0 0 辆年 l4 6 8 6 8 0 42 3 4 5 6 9 51 0 1 2 8 5 86 6 3 4 9 22 7 6 5 28 7 3 2 718 8 2 4 2 0 8 42 0 0 5 1 2 个月 辆日4 0 2 3 86 4 2 62 7 7 51 8 1 87 62 3 95 1 5 7 2 同时集料的细化也与集料本身的性质有关，对抽提筛分后的旧集料清洗、烘干后， 分档测得其各项性质指标见表2 5 。虽然各项指标均符合规范要求，但是几项主要指标 都已经非常接近规范要求的极限值，坚固性和压碎值的不足容易使石料在重车的作用下 第二章试验用材料分析与评价 被压碎，而较小的洛杉矶磨耗率也会导致路面在长期重复荷载作用下石料逐渐被磨蚀。 因而粗集料的性质也是集料细化的一个重要原因。 表2 5 旧集料性质指标 孔径( r a m )视密度g c m 3坚同性压碎值洛杉矶磨耗率( l a ) 5 1 02 7 3 11 01 81 7 1 0 2 02 7 2 51 l1 9 1 8 技术指标 2 5丰1 2 牛2 0牛2 0 结论合格合格合格 合格 2 4 乳化沥青性能评价 乳化沥青品质的好坏直接影响到沥青与集料的粘附性及混合料最终强度的形成，本 研究实验采用的是阳离子慢裂型乳化沥青。根据公路沥青路面再生技术规范【，】( j t g f 4 1 2 0 0 8 ) 中对乳化沥青的要求，和公路工程沥青及沥青混合料试验规程【1 4 】( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 中相关试验方法进行沥青材料的指标测定，其主要技术指标如表2 5 ： 表2 6 乳化沥青技术指标 试验项目 单位质量要求试验方法测试值 破乳速度慢裂或中裂 t0 6 5 8 慢裂 粒子电荷阳离子( + ) t0 6 5 3 阳离子( + ) 筛上残留物( 1 1 8 筛) 0 1 t 0 6 5 2 3 4 与粗、细粒式集料拌和试验均匀 t0 6 5 9 均匀 2 5 新集料性能评价 由于旧集料在使用过程和铣刨中的碎裂使其细化，且在荷载作用下磨蚀，旧集料的 坚固性、压碎值、洛杉矶磨耗率等主要性质都接近规范要求最小值，因而在选择新集料 时，要求需掺配优质、坚硬、棱角分明的集料来改善混合料的性质。 新集料必须有足够的强度，以承担车轮荷载的作用，新集料颗粒应有良好的形状， 以接近立方体为准，以便形成嵌挤强度，还应限制新集料的针片状颗粒含量，针状和 片状颗粒的含量应不超过1 5 。 第一二章试验用材料分析j 评价 新集料与沥青材料要有良好的粘结力，宜选用碱性石料，以提高再生混合料的强度 和水稳定性。碱性石料硬度变化较大，为保证路面有足够的耐磨性，应尽可能选用硬质 石料。 风化石料或软质石料，易被压碎，且不耐磨，不得用于拌制面层混合料。集料中 风化软质石料含量，可以采取压碎值试验加以检验。压碎值在公路沥青路面施工技术 规范( j t g f 4 0 2 0 0 4 ) 有规定：质量损失不大于1 2 。 1 粗集料本文选择重庆本地所产的石灰岩作为新集料对旧矿料进行再生，其性质如表 2 7 所示。 表2 7 石灰岩粗集料试验结果及技术要求 试验项目石灰岩技术要求试验方法 压碎值 1 6 3 不大于( ) 2 8t 0 3 0 6 洛杉矶磨耗损失 1 9 9 不大于( ) 3 0t 0 3 1 7 视密度 2 7 0 5 不小于 2 5 0t 0 3 0 4 吸水率 0 3 不人- j - ( ) 3 0t 0 3 0 4 坚同性 3 不人于( ) 1 2 t 0 3 1 4 细k 扁平颗粒含量 1 1 3 不人于( ) 1 8t 0 3 1 2 水 乳化沥青 i a 料用量。从劈裂强 度的因素影响趋势图可以看出，随着水泥用量的增加，劈裂强度增大；当乳化沥青用量 为1 时，劈裂强度达到最大值 在旧料用量为6 0 的情况下，劈裂强度出现峰值；当 用水量为撕的时候，也取得峰值。 各因素影响马歇尔稳定度的主次顺序为：水泥 水 i b 料用量 乳化沥青。从马 歇尔稳定度的因素影响趋势图可阻看出，马歇尔稳定度髓着水泥用量的增加和旧料用量 的减少而不断增大：随着乳化沥青用量的增加，基本呈现下降趋势；用水量存在峰值， 在4 左右。 各因素影响流值的主次顺序为：水 水泥 i b 料用量，乳化沥青。从流值的因素 第三章乳化沥青冷再生混合料配合比设计及性能分析 影响趋势图可以看出，流值随着水泥用量的增加而减小；随着乳化沥青用量的增加，基 本呈现上升趋势；当旧料用量为5 0 和用水量为5 时，流值最小。 各因素影响抗压强度的主次顺序为：水泥 水 乳化沥青 旧料用量。从抗压强 度的因素影响趋势图可以看出，随着水泥用量的增加和旧料用量的减少，抗压强度不断 增大；乳化沥青对抗压强度的影响基本是下降趋势；在用水量为4 时，抗压强度出现 峰值。 各因素影响空隙率的主次顺序为：乳化沥青 水 旧料用量 水泥。从空隙率的 因素影响趋势图可以看出，在水泥用量4 、乳化沥青用量l 、旧料用量6 0 和用水 量为4 的情况下，空隙率均最小。 综合看来，对于乳化沥青冷再生混合料性能而言，水泥掺量起着决定性作用，对冷 再生混合料各项性能指标具有显著的规律性影响。另外，水的掺量对冷再生混合料的性 能影响也较为明显。乳化沥青含量只对冷再生混合料空隙率的影响较大，是次要因素。 级配对各个性能指标影响最小，是第四位的影响因素。 3 3 乳化沥青冷再生混合料配合比设计 3 3 1 确定混合料级配 混合料设计是再生沥青路面的难点和重点。首先是确定混合料级配。由于旧沥青混 合料的加入，以至集料级配包括旧沥青混合料集料的全部集料级配，而旧集料可当作和 新集料一样的独立料堆看待。其次是确定旧沥青混合料在再生混合料中所占比例。旧料 所占比例与其性质有关，由于旧料的沥青在长期使用中老化了，同样其中的集料受到长 期车载的碾压变得细化了，所有的这些性质都限制了旧沥青混合料在再生混合料中所占 的比例要受到一定的限制。针对旧沥青混合料的特点，选用合适的新集料和新沥青。结 合新集料的级配，把旧沥青混合料以8 0 ， 7 0 ，6 0 ， 5 0 ，4 0 的比例依次加 入到新料中，通过调整新集料中各档料的掺配比例使其达到规范要求。为了考察不同旧 料掺量对混合料性能的影响，各种旧料掺量的级配均采用偏向规范中值来研究。不同旧 料量下再生混合料的级配分别见表4 3 _ 4 7 。 n 卜 卜n o - 叫 o oooooooooooo onnnm卜 o o nn n o on _ 。oooooooooooo oonmo oqnn oo - 一 hn寸 n nno o n o o 气，oo oooooooooonv 、 - _ _ 0 0 o 卜一 n 一 hn 心 寸n。oo o卜 noo oooooooooani n、 岔mi n o n，_ 一- _n o一hn- _ o o - _ r q寸no on - 一 o o o岔t - inmqno on oo oooooooo 卜n，_n - - _ _ o o_ 一n- _ _ _ 卜- _n n nooo oooooonn寸 no o。o o 。 t ，、n o 。口nt nm nn寸 _ oo 寸 n n ，叫一 hnn n 卜 oooo oooooonn 十n。o、 o 。c , lnnnnn o 一o o o o寸nn 寸 m 一 hnn r q寸no o o o o o i ni n ooo oooooon0 0口n v 、n nnn 一n寸 崎an - 一 oo一 一n心 n n ooo oooooonn 寸no o n 。nl nm 中nnn 一 一o o 卜 v 、卜 一 - 一n 寸n 中no 。o 。 葛 0 0岔卜咕 n c oannn6on卜 - 一 nooo oooooo 卜 一o oh hn n nf q摹 no o。 n n nn、寸 n ，_ oo