移动荷载作用下热再生沥青路面响应分析

黄志义，陈雅雯，张勤玲



移动荷载作用下热再生沥青路面响应分析

黄志义，陈雅雯，张勤玲

(浙江大学 交通工程研究所，浙江 杭州 310058)

为分析不同RAP掺量下热再生沥青混合料最佳沥青用量及RAP掺量对混合料强度的影响，利用马歇尔室内试验确定最佳沥青用量，并通过15 ℃和20 ℃下单轴压缩试验，分析热再生沥青混合料力学性能；利用3D-MOVE Analysis有限层软件分析移动非均布荷载作用下的再生沥青路面力学响应及RAP掺量对力学响应的影响。研究结果表明：RAP掺量增加，沥青混合料抗压性能有所提高；移动非均布荷载作用下，热再生沥青路面面层动力响应具有拉压应变交替变化现象及应变集中现象，易造成疲劳开裂；前后轮作用在计算点位时动力响应峰值相近，但基层及其下各层存在残余应变的影响；RAP掺量增加结构层内弯拉应变及竖向压应变有所减小，但沥青再生层层底剪应力有所增加。

道路工程；热再生；配合比设计；移动荷载；动力响应

在车辆荷载及环境荷载的作用下，沥青路面出现车辙、拥包和开裂等各种病害，进而产生大量的废旧沥青混合料。随着环境保护的不断重视及绿色公路理念的提出，RAP材料的使用越来越普遍。热再生操作灵活，使用范围广，节约了新加沥青及集料的用量，具有一定的经济效益及符合环境友好型交通要求，是目前公路领域深入研究的关键性技术[1−2]。目前，关于热再生沥青混合料的研究主要偏向于室内试验研究，而缺少热再生沥青混合料应用于路面结构的应力应变响应的研究，如：何兆益等[3]通过室内试验，探讨了RAP掺量对厂拌热再生沥青混合料路用性能及疲劳性能的影响；马登成 等[4]对沥青路面就地热再生进行配合比优化设计，并在此基础上进行路用性能分析。且对于新型路面结构主要停留在静力分析上，与实际路面承受的动荷载作用存在一定偏差，如：薛廖卿等[5−6]通过弹性层状体系计算分析厂拌热再生沥青混合料在含LSPM路面结构中的应用；李秀君等[7−8]采用有限元软件对乳化沥青冷再生路面结构的力学性能进行静力分析。因此分析热再生沥青路面在移动荷载作用下的响应，对于认识路面结构可能产生的破坏，指导热再生沥青路面设计具有重要意义。本文通过室内试验，分析不同RAP掺量下的最佳沥青用量及力学性能；采用3D-MOVE有限层软件对热再生沥青路面结构层动力响应进行分析，并分析不同RAP掺量对路面动力响应的影响规律。

1 厂拌热再生沥青混合料配合比设计

厂拌热再生沥青混合料配合比设计为后续力学性能试验及再生沥青混合料在路面结构层中的应用服务。为此，先对回收沥青路面材料(RAP)进行检测。RAP取自宁波绕城高速公路东行段上下面层。经测试，其沥青含量为4.7%。新沥青采用东海70号沥青。RAP中沥青性能指标及新沥青性能指标见表1。

表1 RAP中沥青和新沥青各指标试验结果

再生沥青混合料的集料由原路面集料和外加集料混合料组成，原路面集料主要为玄武岩，外加集料选用凝灰岩粗集料及机制砂细集料。考虑气候条件、公路等级和建材提供等综合因素，充分借鉴宁波地区配合比设计的成功经验[9]，本文采用上述RAP生产AC-16C热再生沥青混合料，RAP旧料级配及AC-16C工程设计级配如表2所示[10]。对比RAP中集料级配及工程设计级配可知，原路面混合料出现细化，需根据不同RAP掺加比例，添加较粗的新集料。为了便于比较分析，不同RAP掺量下的合成级配应尽量靠近设计级配。

以4.5%的再生混合料沥青用量为基准，在3.5%，4.0%，4.5%，5.0%和5.5% 5个沥青用量下，制备马歇尔试件，确定混合料的最佳油石比及各项性能指标，结果见表3。在最佳沥青用量下，各沥青混合料的体积指标和力学指标均满足规范要求。RAP在20%~40%，沥青混合料的最佳沥青用量随RAP掺量的增加而增大，但RAP在40%~50%范围内，随RAP增加最佳沥青用量减小，初步分析原因是RAP材料经过使用后，其表面被老化，相应的吸油能力下降，以及级配及拌和温度导致。但RAP掺加量由20%增加至50%，新沥青用量由3.85%减少至2.64%，减少了0.31%，说明RAP中旧沥青得到有效利用。

表2 RAP中集料级配和AC-16C工程设计级配

表3 厂拌热再生沥青混合料AC-16C马歇尔试验结果

2 厂拌热再生沥青混合料抗压回弹模量试验

在上述配合比设计基础上，采用各RAP掺量在最佳沥青用量条件下开展厂拌热再生沥青混合料抗压强度和抗压回弹模量试验，为厂拌热再生沥青路面结构设计与分析提供数据依据。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，采用静压法成型Ф100 mm×100 mm圆柱体试件，成型后的试件无须完全冷却即可脱模。选用15 ℃及20 ℃2种温度条件下进行试验，试验开始之前将试件置于恒温水槽中保温2.5 h，以确保试件内部温度达到规定的试验温度[11]。

首先，以2 mm/min的加载速率测定试件的破坏荷载，并计算抗压强度如表4所示。由表4可见，随着厂拌热再生沥青混合料AC-16中RAP掺加量由20%增加到50%，其15 ℃和20 ℃抗压强度分别从7.15 MPa和5.31 MPa增加到9.07 MPa和6.60 MPa，增幅为26.9%和24.3%。

表4 厂拌热再生沥青混合料AC-16C抗压强度

按照破坏荷载的平均值，分别取0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6和0.7共7级作为试验荷载，并计算各级荷载下试件实际承受的压强i。根据实测的抗压回弹变形Δi绘制i~Δi关系曲线。从第5级荷载读取相应的5及Δ5，计算得到的抗压回弹模量如表5所示。由表5可以看出，随着厂拌热再生沥青混合料AC-16C中RAP掺加量由20%增加到50%，其15 ℃和20 ℃抗压回弹模量分别从1 732 MPa和1 171 MPa增加到2 203 MPa和1 675 MPa，增幅为27.2%和43.0%，表明20 ℃下的抗压回弹模量对RAP掺加量的敏感性高度15 ℃下。

表5 厂拌热再生沥青混合料AC-16C抗压回弹模量

3 热再生沥青路面结构分析

3.1 计算模型和分析方法

采用3D-MOVE Analysis有限层软件[12]对含再生沥青混合料的典型路面进行结构分析，论证厂拌热再生技术的可行性。参照国内外热再生工程的结构体系，中面层采用上述研究的厂拌热再生沥青混合料AC-16C，路面结构层材料参数如表6所示。当以路表弯沉值作为设计验算指标时，抗压回弹模量选用各试件模量的平均值减去2倍标准差(20 ℃)。当选用层底拉应力为设计验算指标时，抗压回弹模量选用各试件模量的平均值加上2倍标准差(15 ℃)。厂拌热再生沥青混合料的抗压回弹模量根据表5取值并选取20 ℃下的平均值减去2倍标准差，当RAP掺量为20%，30%，40%和50%，抗压回弹模量值分别为1 104，1 230，1 410和1 614 MPa。

表6 路面各结构层参数

采用3D-MOVE Analysis软件建立有限层模型，模型尺寸取5.12 m(纵向)×3 m(横向)×6.92 m(竖向)。模型有以下假设：1) 以平面为层状组成的半空间体。路基为弹性半空间体，路面各层为平面无限大的弹性层。2) 各层材料应力应变关系假定为各向同性。3) 假定层元厚度较小时，位移沿方向显线性变化，节面位移连续。道路平行于轴的2个断面方向位移被约束，平行于轴的2个断面方向的位移被约束，底部全部约束。有限层模型如图1所示。

图1 有限层计算模型

Sebaaly等[13]采用应力传感器获得非均匀分布的轮胎−路面接触应力模型。车辆荷载参照Sebaaly实测结果，采用两轴四轮荷载，轴重为90 kN，单个轮胎压力非均匀分布如图2所示。单个轮胎荷载作用面积简化为0.2 m×0.182 m的矩形，双轮中心间距为0.37 m，前后轴轴距为1.22 m，如图3所示。采用实测的非均布轮胎接地压力作为模型施加荷载，模型表面设置了荷载移动区，通过控制荷载在每个单元的作用时间从而实现车速为20 km/h的移动加载。

图2 不同胎压下实测接地压力分布。

图3 轮胎接地印记

3.2 RAP掺量40%的热再生路面时程响应分析

取有限层模型选取中心轴线上不同深度点(上面层底面、中面层底面、下面层底面、基层底面、土基顶面)作为研究对象，中面层采用RAP掺加量为40%的AC-16C厂拌热再生沥青混合料，分析车速为20 km/h，移动荷载作用下的各研究点的纵向应变、横向应变、竖向应变的时程变化规律，如图4~6所示。

从竖向应变的时程变化可以看出，沥青层中的竖向应变出现拉压交变的现象。当车辆荷载接近或远离作用点位时，出现微小的拉应变，车辆荷载作用在计算点位时，路面面层主要承受压应变。随深度的增加，交变现象逐渐减弱。且沥青层中出现应变集中现象。基层及其下各层主要承受压应变。后轮荷载作用在计算点位上时与前轮荷载作用在计算点位时相比，路面各层压应变峰值相近，但基层及土基层存在一定残余应变，且恢复较慢。沥青面层弯沉超过极限值时，将不可避免材料的断裂 破坏。

图4 竖向应变时程变化

从纵向应变的时程变化可以看出，路面面层内出现纵向应变拉压交变，且拉应变、压应变在同一个数量级上。基层及以下各层出现纵向拉应变。最大拉应变出现在中面层(沥青再生层)，最大压应变出现在上面层。沥青再生层不但出现较大的拉应变，拉应变与压应变交互作用显著，容易引起材料的疲劳破坏，因此对再生沥青混合料的疲劳性能有较高要求。

图5 纵向应变时程变化

同样，沥青混合料面层横向应变时程变化也同样具有应变集中及交变现象，在车辆荷载驶过瞬间出现微小波动。最大横向拉应变出现在中面层(沥青再生层)。各层主要承受拉应变，因此主要出现拉裂破坏。后轮荷载作用在计算点位上时与前轮荷载作用在计算点位时相比，各层拉应变峰值略微增加但不显著。车辆荷载离开后，基层及土基层存在的一定的残余变形，且残余变形恢复较慢。

图6 横向应变时程变化

3.3 AC-16C热再生层模量的影响分析

热拌沥青混合料AC-16C抗压回弹模量根据表5的20 ℃各试件模量的平均值减去两倍的标准差。当RAP掺配比例分别为20%，30%，40%和50%，再生沥青层抗压回弹模量分别取1 104，1 230，1 410和1 614 MPa，计算路面结构在移动荷载下的响应。目前，国内外路面结构力学性能评价指标主要有面层层底弯拉应变、土基顶部压应变及面层底部剪应力[14]。经3D-MOVE Analysis软件计算，中心轴线上再生层层底拉应变及下面层底部层底拉应变随RAP掺量的变化如图7所示，中心轴线上再生层压应变及土基顶部压应变随RAP掺量的变化如图8所示，中心轴线上再生层层底剪应力及下面层层底剪应力随RAP掺量的变化如图9所示。

由图7可见，随着RAP掺量增加，沥青再生层底部及下面层底部层底拉应变基本显线性减小趋势。随RAP掺量由20%增加到50%，沥青再生层层底拉应变由116 με减小到109 με，减少了6.0%，下面层层底拉应变由35.8 με减小到32.9 με，减少了8.1%。

图7 RAP掺配比例对层底拉应变的影响

由图8可见，随着RAP掺量增加，沥青再生层底部及土基顶部竖向压应变均减小。尤其是当RAP掺量由20%增加到30%时，沥青再生层竖向应变减小幅度较大。当RAP掺量由20%增加到50%，沥青再生层底部竖向应变由450.8 με减小到311.9 με，减少了30.8%，土基顶部竖向压应变由126.1 με减小到114.0 με，减少了9.5%。由此可见RAP掺量对再生层竖向应变的影响远大于对土基顶部压应变的影响。

由图9可见，随RAP掺量增加，沥青再生层层底剪应力增加，而下面层层底剪应力减小RAP掺量由20%增加至30%，下面层层底剪应力减小幅度较大。RAP掺量由20%增加至50%，沥青再生层层底剪应力由3.046 kPa增加至3.688 kPa，增加了21%；下面层层底剪应力由1.465 kPa减小至0.954 kPa，减少了34%，由此可见RAP掺量变化对剪应力影响显著。

图8 RAP掺配比例对竖向应变的影响

图9 RAP掺配比例对剪应力的影响

4 结论

1) RAP掺量越高时，15 ℃及20 ℃沥青混合料AC-16C抗压强度及抗压回弹模量越大。且20 ℃下的抗压回弹模量对RAP掺量的敏感性高于15 ℃下的。

2) 在移动荷载作用下，沥青面层内出现纵向、横向、竖向拉压应变交变现象及应力集中现象，这是造成沥青路面材料疲劳破坏的主要原因。基层及其下各层主要承受竖向压应变、横向拉应变及纵向拉应变。

3) 后轮荷载作用在计算点位上时与前轮荷载作用在计算点位时相比，路面各层应变峰值相近，但基层及土基层存在残余应变的影响。

4) 随RAP掺量增加，沥青再生层层底及下面层层底弯拉应变线性减小，但减小幅度不大；沥青再生层层底及土基顶部竖向压应变均减小，且RAP掺量变化对再生竖向压应变影响远大于土基顶部竖向压应变的影响。但RAP掺量增加增大了沥青再生层层底剪应力，且剪应力变化显著。

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Analysis of the dynamic response in hot recycled asphalt pavement under moving vehicle loads

HUAN Zhiyi, CHEN Yawen, ZHANG Qinling

(Institute of Transportation Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

In order to analyze the optimal asphalt-aggregate ratios of hot recycled asphalt under different RAP content and the strength with different RAP percentages, the mechanical performance was analyzed by uniaxial compression test at 15 ℃ and 20 ℃. The dynamic response of hot recycled asphalt pavement under moving vehicle loads and the dynamic response under different RAP content were obtained using 3D-MOVE Analysis software. The results show that with the raise of RAP content, the compressive performance of asphalt mixture has improved; The dynamic response of strains in asphalt surface subjected to moving loads exhibit alteration between positive and negative value and the strain concentrate within the asphalt layer, which will cause fatigue cracking; The maximum dynamic response under the front wheel moving load and the rear-wheel moving load are close, but the base and the subgrade have residual strain; With the raise of RAP content, the flexural strain and vertical compressive strain decrese, but the shear stress in the asphalt layer increase.

road engineering; hot recycling; mix design; moving load; dynamic response

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.01.015

U416.217

A

1672 − 7029(2019)01 − 0107 − 07

2017−10−18

宁波市交通委员会科技项目[2013]191-3

黄志义(1957−)，男，福建莆田人，教授，博士，从事道路新材料新技术研究；E−mail：hzy@zju.edu.cn

(编辑 涂鹏)