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      泡沫溫拌再生瀝青混合料力學性能研究






      摘要


      為了研究不同摻量廢舊瀝青混合料RAP對泡沫溫拌再生瀝青混合料力學性能的影響,分別對0%、20%、30%RAP摻量的混合料進行動態模量試驗。采用Sigmoid函數擬合得到參考溫度T=20℃時的動態模量主曲線,并基于縮減頻率fr對瀝青混合料的服役溫度進行劃分,然后預測得到不同RAP摻量混合料在高溫區域的動態模量。試驗結果表明:提高RAP摻量能提高混合料的動態模量,尤其在低頻高溫區內。而在高頻低溫區,不同RAP摻量主曲線相差不大。當泡沫溫拌再生瀝青混合料的溫度為55~70℃時,預估得到不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料動態模量。當混合料受到的影響溫度越高,摻加RAP對提高混合料的模量越有利。



      關鍵詞:泡沫溫拌 | 動態模量 | 再生瀝青混合料 | 主曲線


      世紀末建成通車的公路,已經陸續進入改擴建及大中修階段,大量的廢舊瀝青混合料RAP(Reclaimed Asphalt Mixture)因此產生。為了實現綠色公路的建設,利用RAP已成為大勢所趨。當采用熱再生技術對RAP進行利用時,需要對RAP料進行二次加熱,然而由于加熱溫度過高可能導致瀝青老化程度加劇,并排放大量廢氣。相比于傳統的熱再生方式,采用溫拌技術再生利用RAP具有一定的優勢。在溫拌再生混合料攪拌過程中,拌和溫度低于傳統的熱拌再生混合料,使得瀝青在攪拌過程中受到老化的程度更低,有利于彌補加熱RAP帶來的瀝青過度老化的問題。泡沫溫拌技術通過在高溫瀝青中注入1%~4%的水,使得瀝青體積快速膨脹,降低膠結料的黏度,改善混合料的和易性,從而實現拌和以及壓實溫度的降低。目前,關于泡沫溫拌再生瀝青混合料的研究主要集中在RAP摻量對路用性能的影響方面,而有關RAP摻量對泡沫溫拌再生瀝青混合料力學性能影響的研究相對較少。


      根據美國力學-經驗路面設計指南MEPDG(Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide),動態模量E*是經驗-力學設計方法中基本且重要的參數之一。動態模量不僅可以反映瀝青路面在行駛荷載作用下的力學特性,還可以用于瀝青路面結構設計以及瀝青路面黏彈性分析。

      該文在泡沫溫拌SBS改性瀝青混合料SUP-20中分別摻入0%、20%30%RAP,對不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料進行動態模量試驗,并根據時間-溫度置換原理,利用非線性zui小二乘法擬合得到動態模量的主曲線,分析RAP摻量對混合料力學性能的影響。



      試驗材料及試驗方法


      不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料SUP-20經過室內試驗確定的設計級配如表1所示,其中20%RAP中包含13.1%的粗銑刨料和6.9%的細銑刨料,30%RAP中包含19.5%的粗銑刨料和10.5%的細銑刨料。通過膨脹率和半衰期測試確定SBS改性瀝青的zui佳發泡條件為:瀝青加熱溫度175℃,用水量2.5%。




      根據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中“瀝青混合料單軸壓縮動態模量試驗”(T0738)所述的試驗方法,對不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料進行測試。由于瀝青混合料是一種黏彈性材料,混合料的性質在很大程度上受到試驗溫度和加載頻率的影響。因此,該文中動態模量試驗采用的試驗溫度為5、20、35、50℃,加載頻率為0.1、0.5、1、5、10、25Hz。在試驗過程中,試件的應變控制為85~115με。動態模量試驗是無損測試,因此,采用同一個試件在所有的溫度和頻率條件下進行測試,每組4個平行試件。由于瀝青混合料的空隙率對動態模量的試驗結果有明顯的影響,對于不同RAP摻量混合料的空隙率控制為4.0%±0.5%。

      瀝青混合料試件在受到正弦分布的荷載作用下,會產生相應的應變,如圖1所示。試件受到的應力峰值和產生的應變峰值的比值就是動態模量E*,見式(1)




      試驗中,因為環境箱控溫范圍的限制,無法進行5~50℃測試溫度以外的溫度控制。為了能夠比較瀝青混合料在高、低溫區的動態模量,通過建立主曲線的方法得以實現。主曲線的構建是利用時間-溫度置換原理對瀝青混合料在不同溫度和加載頻率下得到的動態模量進行平移,得到一條平滑的曲線。擬合動態模量的主曲線見式(2)




      不同溫度和加載頻率可以通過轉化因子a(T)進行轉化:





      試驗結果與分析


      RAP摻量分別為0%、20%、30%的泡沫溫拌再生瀝青混合料的動態模量結果的平均值列于圖2中。




      由圖2可以看出:在同一頻率下,隨著測試溫度的升高,混合料的動態模量不斷減小。這是由于瀝青膠結料是一種黏彈性材料,隨著溫度升高,瀝青逐漸軟化,混合料的彈性特征減小,在荷載作用下應變逐漸擴大,導致動態模量逐漸降低。在同一溫度下,隨著測試頻率的增加,混合料的動態模量不斷增加。根據時間-溫度置換原理,高頻荷載對應的是低溫作用,低頻荷載對應的是高溫作用。因此,隨著荷載頻率的增加,可以理解為在相同的測試頻率下,試驗溫度升高,因此,混合料的動態模量隨之減小。

      將摻有20%RAP0%RAP的動態模量比值繪于圖3(a)中,將摻有30%RAP0%RAP的動態模量比值繪于圖3(b)中。摻有20%RAP的動態模量和0%RAP的動態模量的比值在0.88~1.20之間變動,平均增加了7.2%。摻有30%RAP的動態模量和0%RAP的動態模量的比值在1.06~1.61內變動,平均增加了25.3%。




      由圖3可以看出:加入不同摻量RAP后,動態模量均有所增長。這是由于RAP中集料表面裹覆的老化瀝青具有更大的勁度。在銑刨料、新集料和新瀝青攪拌以及拌和后對松鋪混合料進行短期老化的過程中,舊瀝青混合料表面裹覆的老化瀝青和新瀝青相互移轉,使得成型后混合料的動態模量增加。

      該文選取參考溫度Tr=20℃,利用非線性zui小二乘法,根據式(2)、(4)、(5)對不同溫度、頻率下的動態模量進行主曲線擬合,得到主曲線的回歸系數δ、α、β、γ,以及轉化因子a(T)中的二次多項式的系數a、b,利用式(6)計算得到系數c,將擬合出的回歸系數列于表3、4中。動態模量主曲線繪于圖4中。圖4中:建立動態模量主曲線,選取參考溫度20℃,利用時間-溫度置換原理對瀝青混合料在不同溫度(5、35、50)和加載頻率下得到的動態模量進行平移,得到一條平滑的曲線。圖4中的黑色實心的4類圖例(菱形、正方形、三角形、圓形)分別代表5、20(保持不動)、35、50℃條件下的動態模量平移后的數值;黑色空心的4類圖例(菱形、正方形、三角形、圓形)分別代表5、20、35、50℃條件下的平移之前的動態模量。




      分別采用相關系數R^2和預測值與實測值標準偏差的比值Se/Sy來表征Sigmoid函數對主曲線的擬合程度。R^2越接近1Se/Sy越接近0表明擬合越好。由表3可以看出:不同RAP摻量混合料擬合出的動態模量主曲線的相關系數R^2均大于0.995,且Se/Sy均小于0.06。表明利用Sigmoid函數對不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料動態模量主曲線的擬合是適用的,且準確度很高。


      構建主曲線的目的就是利用主曲線函數對混合料在低溫區、中溫區、高溫區的動態模量的大小進行比較,進而對混合料的高、低溫性能進行預估。A.S.M.A.Rahman等選取參考溫度Tr70°F(21.1)構建主曲線,并通過動態模量主曲線的縮減頻率fr來劃分瀝青混合料的服役溫度。但由于不同混合料的動態模量試驗結果不同,擬合出來的主曲線和轉化因子不同,進而根據混合料的服役溫度所轉化得到的縮減頻率就不同。該文選取5℃以下為混合料低溫區,5~50℃為混合料的中溫區,50℃以上為混合料的高溫區。此外,選取指定頻率f=10Hz來表征高速行駛的車輛荷載對混合料的作用頻率。利用擬合得到的參考溫度Tr=20℃下的主曲線和轉化因子a(T),將混合料的服役溫度用縮減頻率fr來表示,將計算結果列于表5。




      由表5可知:當混合料的服役溫度為-5~5℃時,主曲線上的縮減頻率fr1×103~1×104Hz。當混合料的服役溫度為50~70℃的高溫范圍內,所對應的主曲線上的縮減頻率為1×10^-3~1×10^-2Hz。因此,在圖5中繪出不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料主曲線,并根據縮減頻率fr將主曲線劃分為低頻高溫區、中頻中溫區以及高頻低溫區。




      由圖5可以看出:在高頻低溫區域內,RAP摻量為0%、20%30%主曲線相差不大。隨著縮減頻率fr的逐漸減少,即隨著溫度不斷的增加,30%RAP摻量的動態模量明顯高于20%RAP0%RAP。在低頻高溫區,這一現象尤其明顯。由此可見:提高RAP摻量能夠有效提高泡沫溫拌再生瀝青混合料在低頻高溫區的動態模量,這有助于混合料在高溫荷載作用下提高混合料抵抗車轍變形的能力。

      為了進一步量化分析不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料在高溫區的動態模量,分別計算指定溫度T(55~70)下對應的縮減頻率fr和動態模量,將計算結果列于表6中。




      T55℃時,30%RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料動態模量預測值為797MPa,比0%RAP20%RAP分別提高了27.7%25.9%。當T=70℃時,摻30%RAP的泡沫溫拌再生瀝青混合料動態模量為561MPa,比0%RAP20%RAP分別提高了63.6%52.3%。因此,在高溫范圍內,當混合料受到的溫度越高,摻加RAP對提高混合料模量越有利。



      結論

      對不同摻量RAP的泡沫溫拌再生瀝青混合料進行動態模量試驗,通過Sigmoid函數對混合料的主曲線進行擬合,得到以下結論:

      (1)隨著溫度升高,混合料的動態模量不斷減小,隨著測試頻率的增加,混合料的動態模量不斷增加,這與RAP摻量無關。在不同溫度、不同頻率下,20%RAP30%RAP的動態模量平均值分別比0%RAP增長了7.2%25.3%。

      (2)采用Sigmoid函數能夠準確擬合不同RAP摻量的泡沫溫拌再生瀝青混合料的主曲線,其相關系數R^2均大于0.995,且Se/Sy均小于0.06。

      (3)基于縮減頻率fr對瀝青混合料的服役溫度進行劃分,當選定參考溫度Tr20℃,加載頻率f10Hz時,混合料低溫區(-5~5)對應的縮減頻率fr1×10^3~1×10^4Hz,在此區域內,不同RAP摻量的混合料在低溫區的動態模量相差不大。高溫區(50~70)對應的縮減頻率fr1×10^-3~1×10^-2Hz,30%RAP摻量能夠顯著提高泡沫溫拌再生瀝青混合料在低頻高溫區的動態模量。

      (4)通過主曲線預測不同RAP摻量混合料在高溫區的動態模量,結果表明:當T=70℃時,摻入30%RAP的泡沫溫拌再生瀝青混合料動態模量比0%RAP20%RAP分別提高了63.6%52.3%。當混合料受到的溫度越高,摻加RAP對提高混合料模量越有利。




      全文完 發布于《中外公路》2021年8月 如涉侵權,請聯系刪除!




      瀝青混合料動態疲勞試驗機

      設備名稱:多功能路面材料動態測試系統
      型       號:DTS-30/CTS-30
      制  造  商:意大利Matest-澳大利亞Pavetest公司


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      DTS-30/CTS-30 多功能路面材料動態測試系統是使用數字控制高性能伺服閥,并提供頻率高達100Hz 準確加載波形的液壓伺服試驗 系統。DTS-30/CTS-30多功能路面材料動態測試系統可以執行拉伸、壓縮、動態加載,適合于測試各種不同材料,如瀝青、土壤、非粘結角料、纖 維和塑料。DTS-30/CTS-30 配置意大利matest-Pavetest 的 CDAS/CDAS2 數字式控制器,TestLab2 軟件和全套測 試附件,實現硬件和軟件的很好結合。DTS-30/CTS-30 動態測試系統是一套緊湊型、全集成、用戶和環境友好型的試 驗系統。



      產品特點
      ▍緊湊、堅固的加載架
      ▍占地面積?。?0cmx135cm,包括液壓動力單元和環境箱
      ▍反力架嵌入到環境箱體中
      ▍可移動式溫控單元
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      ▍數字液壓伺服控制

      ▍標準配置為4軸控制和16通道數據采集系統(可選用高配 CDAS/CDAS2)




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