基于Fénix法的胶乳掺量对乳化沥青冷再生混合料抗开裂性能影响研究

韩庆奎，李晓民，魏定邦

(1.兰州交通大学土木工程学院，兰州　730070；2.甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，兰州　730000)



基于Fénix法的胶乳掺量对乳化沥青冷再生混合料抗开裂性能影响研究

韩庆奎1,2，李晓民1,2，魏定邦2

(1.兰州交通大学土木工程学院，兰州730070；2.甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，兰州730000)

在公路建设中，乳化沥青冷再生混合料可作为一种柔性基层或中下面层，要求具有一定的承载能力与抗开裂性能。胶乳具备的粘弹特性，可提高乳化沥青冷再生混合料的抗开裂性能。本文基于Fénix法，研究胶乳掺量对乳化沥青冷再生混合料抗开裂性能影响，结果表明，当胶乳掺量小于3%时，对混合料抗开裂性能影响较小，胶乳掺量在4.5%左右时，抗开裂性能明显增强，建议胶乳掺量在4.5%为宜。

Fénix法； 胶乳掺量； 乳化沥青冷再生混合料； 抗开裂性能

1　引　言

随着我国公路建设的逐步完善，修葺与养护成为下一阶段公路建设的重点，由此出现了各种各样不同的养护技术。为响应国家节能减排号召，乳化沥青冷再生技术凭借其废料再利用、经济节约、环境保护等优点，备受人们关注。现行《公路沥青路面再生技术规范》(JTGF41-2008)仅对乳化沥青冷再生混合料的水稳定性能提出了相应要求，并未对高温性能和抗开裂性能做出要求。在近代工业中，材料断裂时有发生，是不容忽视的问题[1]，并逐渐发展为断裂力学一门学科。断裂力学认为，在材料加工和使用的过程中，经常会形成宏观尺寸的裂纹，在一定条件下，裂纹急剧扩展，最后导致构件的脆性断裂。而乳化沥青冷再生常作为一种柔性基层，甚至高等级公路的高层位，具有一定的承载能力与抗开裂性能，正逐渐成为人们关注的焦点[2]。

目前国内外对于沥青混合料的抗开裂性能评价主要采用的试验方法包括：间接拉伸试验、低温弯曲试验、单轴压缩试验、弯曲蠕变试验、收缩系数试验、J-积分试验、半圆弯曲试验[3,4]。

(1)间接拉伸试验、低温弯曲试验和单轴压缩试验均属于等应变加载的破坏试验，用于测定沥青混合料在规定温度和加载速率下受到拉伸、弯曲或压缩等条件下至试件破坏过程的力学性能。黎晓等[5]利用间接拉伸试验，研究沥青混合料的疲劳行为，结果表明，应力控制下的间接拉伸试验作为研究沥青混合料疲劳行为的试验方法是合适的。国外学者Valkenring[6]也已经证明了微观裂缝的形成遵循着，随混合料劲度变大，路面结构为释放应力必会采用另一替代的机理反应，这一准则。

(2)弯曲蠕变试验用于测定沥青混合料在规定温度和加载应力水平条件下弯曲蠕变的应变速率，用以评价混合料的变形能力。王岚等[7]，利用弯曲蠕变试验研究胶粉改性沥青混合料的低温性能，结果表明，胶粉改性沥青混合料比SBS改性沥青混合料具有更好的低温性能。Navarro等[8]国外学者也利用弯曲蠕变试验研究废弃胶轮研磨而成的胶粉，改性沥青混合料后，具有较好的抗开裂性能。

(3)收缩系数试验用于测定沥青混合料的收缩系数。李峰等[9]，对沥青混合料低温抗裂性能及影响因素进行了评价研究，结果表明，沥青和级配对低温线收缩系数均没有显著影响，但对低温弯拉应变有显著影响，温缩裂缝主要受外界温度等因素影响。

(4)J-积分试验用于模拟路面开裂，即由内部潜在的微裂缝扩展开始产生，进而采用切口小梁试件，即在试件跨中位置刻槽，然后进行加载试验。刘敬辉等[10]，利用J积分试验模拟路面开裂状况，对沥青混合料抗裂性能进行了评价，结果表明，断裂韧度JC可以作为一有效的评价沥青混合料抗裂性能的指标。Huang等[11]采用Mull类似的试验方法对由回收沥青混凝土组成的沥青混合料的抗裂性能进行了评价，发现JC随着回收沥青混凝土的含量的增加而增大，但是增加到一定程度后，JC反而会随着回收沥青混凝土的含量的增加而减小。

(5)半圆弯曲试验(SemiCircleBending，SCB)借鉴J-积分试验方法及原理，采用圆柱体切割后的半圆柱体试件，沿直径边的中点向半圆方向切割一条直缝，然后进行加载试验。李萍等[12]，利用SCB试验研究沥青混合料低温抗裂性，结果表明，在SCB试验中，对试验结果影响最大的是沥青混合料本身的级配类型，其次为试验温度，最后为SBS含量。Mull等[13]利用SCB试验，进行了沥青混合料的疲劳开裂问题的研究，认为该种试验方法能够较好的评价沥青混合料的疲劳特性。

上述试验方法均能从不同角度反映出沥青混合料的抗开裂性能，而对于乳化沥青冷再生混合料的抗开裂性能目前尚未有相关标准要求。本文借鉴SCB试验方法及原理，采用改进的半圆弯曲试验(Fénixtest)，研究胶乳掺量对乳化沥青冷再生混合料抗开裂性能的影响。

2　试　验

2.1原材料

旧料(RAP)采用兰州公路总段树屏料场铣刨料，为G6兰海高速养护工程废料；胶乳采用进口丁苯胶乳PC-1468：固含量50%，密度(0.95±0.02)g/cm3，机械稳定性≤1.0；乳化沥青采用龙孚乳化剂LXF2105制备乳化沥青，乳化沥青指标及冷再生混合料级配，如表1和表2所示。

表1　乳化沥青技术指标

表2　冷再生混合料级配选定

2.2改进的半圆弯曲试验(Fénixtest)

现有的半圆弯曲(SemiCircleBending，SCB)试验中，除了使试件开裂的两个水平力外，还存在一个附加的竖直向下的压力和两个承载端竖直向上的反向力，如图1所示，致使所得数据不能准确表征抗开裂性能。

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加泰罗尼亚科技大学道路研究实验室研发了一种直接拉伸试验方法-Fénixtest，通过断裂过程中的开裂耗散能GD、开裂指数IRT和开裂位移mdp指标来表征沥青混合料的抗开裂性能[14,15]。Gonzalo[16]也采用Fénixtest直接拉伸试验对半圆形的冷再生混合料进行抗开裂试验，计算开裂耗散能以及开裂指数评价其抗开裂性能。Fénixtest工作图及应力-应变曲线如图2所示，依据开裂过程中的荷载和位移数据计算GD、WD、IRT。

图1　半圆弯曲试验及受力图Fig.1　Semi circle bending and force diagram

图2　Fénix test工作图及应力-应变曲线图Fig.2　Fénix test work drawing and stress-strain curve

开裂耗散能GD通过公式(1)、(2)可得：

(1)

GD-开裂耗散能，J/m2；WD-某一断裂位移下的应力-应变曲线面积，kN·mm；h-试件厚度，m；l-初始断裂长度，m。

(2)

F-荷载，kN；u-位移，mm； R-F=0.1kN下的曲线峰位移，mm。

开裂指数IRT通过公式(3)计算可得，二分之一最大荷载峰的位移值mdp可评价沥青混合料可变性的能力：

(3)

IRT-开裂指数，kN/mm；Fmax-荷载峰值，kN； m-达到1/2Fmax前的位移，mm。

本文采用改进的半圆弯曲试验(Fénixtest)方法，分别外掺乳化沥青用量的1.5%、3.0%、4.5%胶乳，旋转压实成型乳化沥青冷再生试件，切割成高(72±2)mm和厚度(40±1)mm的半圆试件，每种掺量成型后切割成四个半圆试件，在半圆柱直径中点处开6mm深凹槽，将切割好的试件用水冲洗干净，置于60 ℃通风恒温烘箱中不少于12h，取出后在室温下冷却不少于2h。将试件置于规定温度的环境保温箱中保温4～6h，直至试件内部温度达到试验温度±0.5 ℃为止。将试件放置于(-10±0.5) ℃的具有环境温度箱的万能试验机支座上以1mm/min的速率进行加载至试件破坏，至其荷载应力低于0.1kN时停止试验。

3　结果与讨论

不同胶乳掺量下的Fénixtest均值数据如表3所示。

表3　不同胶乳掺量下的Fénix test均值数据

图3　不同胶乳掺量下的乳化沥青冷再生混合料应力-应变曲线图Fig.3　Emulsified asphalt cold recycled mixtures stress-strain curve under different latex content

由上述实验结果可知，随着胶乳掺量的增加，导致冷再生混合料开裂的最大力逐渐增加。这是由于丁苯胶乳是以丁二烯和苯乙烯经低温聚合而成的稳定乳液，当胶乳掺量增加时，其溶解时电离的离子或离子束，与亲油基连的亲水基团带有阳电荷，并且亲油基部分与沥青部分结构相同的直链烷烃也随之增加，这种结构与沥青有很好的相溶性，使沥青混合料的抗开裂性能增强。当胶乳掺量从1.5%增加到4.5%时，Fmax从755.42N增加到966.78N，相应需要对混合料所做的功就越多，开裂耗散能从0.773J增加到1.022J。开裂指数IRT表明混合料是否容易开裂，是应力-应变曲线由开始至最大力区间的斜率，如果斜率较大，表明混合料容易开裂，斜率小则不容易开裂，如表所示开裂指数IRT由1.218逐渐降低至1.000，表明胶乳含量的增加，降低了开裂风险。这是由于掺入胶乳后，增加了铣刨料颗粒之间的胶结力和抵抗开裂的粘结力，使沥青混合料抗压、抗剪能力增强。文章又对不同胶乳掺量下应力、应变关系进行了试验，不同胶乳掺量下的乳化沥青冷再生混合料应力-应变曲线图如图3所示。

由图3可知，在相同应变值下，随胶乳掺量的增加，应力值逐渐增大，表明沥青混合料抵抗开裂荷载的能力在增强，这是由于胶乳的粘弹特性，其亲油基部分与沥青部分结构相同的直链烷烃增加，与沥青相容性增强，使沥青-石料间粘附力、沥青-沥青间粘聚力同时增强。但当掺量在1.5%和3%时，同一应变值下的应力值基本保持一致，最大应力值分别为770N、805N；而当胶乳掺量增加到4.5%时，同一荷载应变下抵抗应力的能力明显增强，最大应力值达到1020N，这说明当胶乳掺量小于3%时，对乳化沥青冷再生混合料抗开裂性能影响较小，胶乳掺量在4.5%左右时，抗开裂性能明显增强，因此建议胶乳掺量在4.5%为宜。

4　结　论

(1)现有的半圆弯曲(SemiCircleBending，SCB)试验不能准确表征沥青混合料抗开裂性能；

(2)改进的半圆弯曲试验(Fénixtest)能更好的模拟乳化沥青冷再生混合料开裂时的受力情况，在开裂过程中的开裂耗散能GD、开裂指数IRT和开裂位移mdp指标能定量的表征沥青混合料的抗开裂性能；

(3)当胶乳掺量小于3%时，对乳化沥青冷再生混合料抗开裂性能影响较小，胶乳掺量在4.5%左右时，抗开裂性能明显增强，建议胶乳掺量在4.5%为宜。

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EffectofLatexContentonCrackingResistanceofEmulsifiedAsphaltColdRecycledMixtureBasedonFénixTest

HAN Qing-kui1,2，LI Xiao-min1,2，WEI Ding-bang2

(1.SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China;2.GansuProvincialCommunicationsPlanningSurveyandDesignInstituteCo.Ltd.,Lanzhou730000,China)

Emulsifiedasphaltcoldrecycledmixturescanbeusedasaflexiblebaselayerorthebottomlayerandrequiresacertaincarryingcapacityandcrackingresistanceinhighwayconstruction.Thelatexcanbeimprovedemulsifiedasphaltcoldrecycledmixturecrackingresistancebecauseofitsviscoelasticproperties.EffectoflatexcontentonemulsifiedasphaltcoldrecycledmixtureofcrackingresistancebasedonFénixtestwasstudied.Theresultsshowthatthereislittleeffectforemulsifiedasphaltcoldrecycledmixturecrackingresistancewhenthelatexcontentlessthan3%.However,itsignificantlyenhancescrackingresistancewhenthelatexcontentataround4.5%andrecommendlatexcontentof4.5%isappropriate.

Fénixtest;latexcontent;emulsifiedasphaltcoldrecycledmixtures;crackingresistance

韩庆奎(1987-)，男，硕士研究生.主要研究道路材料与养护技术方面的研究.

李晓民，博士，正高级工程师，副教授.

TU528

A

1001-1625(2016)01-0336-05