乳化沥青冷再生混合料疲劳性能试验研究

张领先

(1.贵州省交通建设工程造价管理站；2.贵州省交通技术中心，贵州 贵阳 550000)

乳化沥青冷再生混合料疲劳性能试验研究

张领先1，2

(1.贵州省交通建设工程造价管理站；2.贵州省交通技术中心，贵州 贵阳 550000)

乳化沥青冷再生混合料是一种节能环保型沥青路面材料，沥青用料较低，施工便捷，同时其力学强度可达到高速公路基层或下面层的要求。为了详细探究乳化沥青冷再生混合料疲劳性能，主要对乳化沥青冷再生混合料疲劳性能试验过程进行详细分析，探究再生混合料不同因素对混合料疲劳性能的影响。

乳化沥青；疲劳试验；影响

1 引 言

乳化沥青冷再生技术指的是将需要返修或废弃路面进行铣刨、回收、破碎、筛分，并结合实际情况添加新集料，以乳化沥青作为结合料，进行配合比设计，并重新拌合所形成的再生混合料，能够有效满足路用性能要求，适用于各种沥青路面修筑，已经成为主要的道路冷再生技术之一。因此，对乳化沥青冷再生混合料疲劳性能进行试验研究具有十分重要的现实意义。

2 疲劳试验设备

在本次拉伸疲劳试验研究中，试验设备选择英国CooperResearchTechnology有限公司制造的Cooper疲劳试验机。在疲劳试验中，试验设备选择英国CooperResearchTechnology有限公司生产的CooperNU多功能气动伺服材料试验系统。在该系统实际应用中，其可以通过应用压缩、拉伸及动态波形等加载形式，加载频率为0～100 Hz范围的正弦、半正弦、方波、脉冲方波、正切波等。该系统的试验内容包括拉伸疲劳试验、动态蠕变试验、静态蠕变试验、四点弯曲小梁疲劳试验等等。

3 疲劳试验条件的选择与确定

3.1 疲劳试验应力水平确定

在本次试验中，路面维修方案为铣刨原路面上面层6 cmAC-16、下面层8 cmAC-20及10 cm水稳基层后，铺设透层油后及时铺撒稀浆封层，然后再进行13 cm乳化沥青厂拌冷再生基层铺筑施工，并铺设一层7 cm厂拌热再生AC-20C沥青混合料下面层，最后加铺新拌4 cmSMA-13改性沥青混合料上面层。通过BISAR3.0软件，反算出面层层底拉应力为0.15 MPa，在本次疲劳试验过程中，应力水平分别确定为0.3、0.4、0.5。不同类型的乳化沥青冷再生混合料劈裂强度及相应的应力水平如表1所示。

表1 疲劳试验应力水平表(MPa)

3.2 疲劳试验加载控制模式确定

在本次试验研究中，为了探究乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能，采用控制应力荷载方式进行试验。控制应变试验又可以被称为常值应变试验，需要注意的是，在试验过程中，必须保证在各次加载状态下，常量应变保持不变。随着荷载重复次数的不断增加，混合料强度会不断降低，在这种情况下，作用荷载会逐渐降低，同时应力逐渐减小。当试件作用的应力下降至初始应力的50%时，即可得出疲劳寿命，即荷载重复作用次数。

3.3 疲劳试验荷载波形和频率的确定

进行室内的疲劳试验时，荷载的加载时间按照Vanderpoel的公式来计算

t=1/2πf

(1)

当加载频率为10 Hz时，加载时间为

t=1/2πf=0.016s

(2)

其中，加载时间0.016 s相当于在沥青路面行驶中，车辆的形式速度控制在60～65 km/h之间，如果沥青路面面层为20 cm，则大致相当于在沥青表面行驶中，行车速度为77 km/h，在我国《公路工程设计标准》中明确规定，高等级路面的行车速度在60～120 km/h之间，因此，10 Hz的加载频率比较适宜。

3.4 疲劳试验破坏状态的判断

关于疲劳破坏的评定，通常考虑，在应变控制模式下，试件不会产生裂缝问题，因此，可以将疲劳破坏评定标准定位试件的劲度模量下降到初始模量的50%；在应力控制模式下，试件疲劳破坏评定标准为试件发生断裂。在本次试验研究中，劈裂疲劳试验疲劳寿命的评定标准为：在试验过程中，加载次数不断增加，与此同时，试件的垂直变形速度越来越快，在此过程中，疲劳寿命指的是拐点所对应的加载次数，如图1所示。

图1 疲劳寿命判断标准

在本次试验中，综合考虑贵州地区高温多雨条件，试验温度选为5 ℃、15 ℃、20 ℃，在不同温度条件下进行试验，详细探究再生沥青混合料的疲劳特性。

4 疲劳寿命方程与性能分析

4.1 乳化沥青含量对疲劳寿命的影响

在进行间接拉伸疲劳试验过程中，再生沥青混合料乳化沥青含量分别为2%、3%和4%，试验温度15 ℃，加载频率为10 Hz，试验应力比控制在0.3～0.5之间。在试验过程中，如果沥青含量相同，则随着应力比的不断增加，再生混合料的疲劳寿命会不断减小，本文采用单对数方程进行回归拟合。

lgNf=K-nσ

(3)

在公式(3)中，σ指的是应力水平，式中σ为指的是应力水平，系数n值指的是再生混合料疲劳寿命对施加应力的敏感程度，如果n值比较大，则说明疲劳寿命对应力水平的敏感程度也比较大，系数值指的是疲劳曲线的位置，如果值比较大，则曲线越靠向上方，这就说明材料具有良好的抗疲劳性能。

图2 不同沥青含量的疲劳寿命

对于疲劳方程，采用F进行回归检验，在本次试验中，在所有再生沥青混合料疲劳试验结果回归后，均需要应用该方程进行检验，如图2所示。

通过对图2分析可见，随着沥青含量的不断增加，疲劳曲线之间的间距也会越来越大，而疲劳方程系数值和n值的降幅逐渐增加，由此可见，再生沥青混合料的抗疲劳性能逐渐降低，而疲劳寿命对应力的敏感程度也在随之降低。除此以外，通过图2分析可见，4%的再生混合料以及3%再生沥青混合料与比2%的乳化沥青含量混合料相比，疲劳曲线的间距比较小，并且疲劳方程系数值和n值相差比较小。

4.2 水泥含量对疲劳寿命的影响

对再生沥青混合料水泥含量分别为1%、2%、3%的再生沥青混合料进行间接拉伸疲劳试验。将试验温度控制在15 ℃，加载频率为10 Hz，试验应力比在0.3～0.5之间。随着水泥含量的增加，n不断减小，在不同的应力比下，疲劳寿命变化的剧烈，随着水泥含量增加，疲劳寿命减小，由此可见，如果水泥含量比较高，则混合料的脆性会比较大，容易产生脆性断裂。

4.3 温度对疲劳寿命的影响

为了探究温度对于疲劳寿命的影响，可以采用混合料的劲度进行描述，在一定范围内，随着温度的不断下降，沥青混合料的劲度会不断增加，在控制应力的加载模式下，在承受一定盈利条件下，应变逐渐降低，这就会造成疲劳寿命增长；如果对试件采用在控制应变模式，则试件为粘弹状，其所产生的破坏主要为塑性变形，因此，很难判断试件是否发生破坏。对此，为了详细探究温度因素对于疲劳试验结果的影响，对乳化沥青含量3.7%、水泥含量2%下的再生混合料分别进行5 ℃、15 ℃、20 ℃间接拉伸疲劳试验。在应力控制影响下，随着温度的升高，再生混合料的疲劳阻抗会不断降低，与此同时，疲劳寿命对应力水平的敏感程度也有所减弱。

5 结 语

根据本次试验，再生混合料寿命对乳化沥青、水泥均敏感，过多或过少的沥青和水泥含量都将对疲劳寿命产生较大的影响。水泥含量增加时，再生混合料疲劳寿命降低。综合考虑，建议水泥不能过高，最好不超过2%。4%乳化沥青含量比3%在乳化沥青含量的混合料疲劳寿命大。

[1] 周源.水泥含量对乳化沥青冷再生混合料疲劳性能的影响[J].中外公路，2013，33(1)：226-229.

[2] 汪德才，郝培文，魏新来.乳化沥青冷再生混合料疲劳性能及影响因素[J].北京工业大学学报，2016，42(4)：541-546.

[3] 黄磊.水泥乳化沥青多次冷再生混合料的路用性能研究[J].中外公路，2013，33(5)：235-238.

U416.217

C

1008-3383(2017)11-0069-02

2017-10-17

张领先(1979-)，男，黑龙江人，高级工程师，研究方向：道路工程。