黃志義，陳雅雯，張勤玲

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移動(dòng)荷載作用下熱再生瀝青路面響應(yīng)分析

黃志義，陳雅雯，張勤玲

(浙江大學(xué) 交通工程研究所，浙江 杭州 310058)

為分析不同RAP摻量下熱再生瀝青混合料最佳瀝青用量及RAP摻量對(duì)混合料強(qiáng)度的影響，利用馬歇爾室內(nèi)試驗(yàn)確定最佳瀝青用量，并通過15 ℃和20 ℃下單軸壓縮試驗(yàn)，分析熱再生瀝青混合料力學(xué)性能；利用3D-MOVE Analysis有限層軟件分析移動(dòng)非均布荷載作用下的再生瀝青路面力學(xué)響應(yīng)及RAP摻量對(duì)力學(xué)響應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明：RAP摻量增加，瀝青混合料抗壓性能有所提高；移動(dòng)非均布荷載作用下，熱再生瀝青路面面層動(dòng)力響應(yīng)具有拉壓應(yīng)變交替變化現(xiàn)象及應(yīng)變集中現(xiàn)象，易造成疲勞開裂；前后輪作用在計(jì)算點(diǎn)位時(shí)動(dòng)力響應(yīng)峰值相近，但基層及其下各層存在殘余應(yīng)變的影響；RAP摻量增加結(jié)構(gòu)層內(nèi)彎拉應(yīng)變及豎向壓應(yīng)變有所減小，但瀝青再生層層底剪應(yīng)力有所增加。

道路工程；熱再生；配合比設(shè)計(jì)；移動(dòng)荷載；動(dòng)力響應(yīng)

在車輛荷載及環(huán)境荷載的作用下，瀝青路面出現(xiàn)車轍、擁包和開裂等各種病害，進(jìn)而產(chǎn)生大量的廢舊瀝青混合料。隨著環(huán)境保護(hù)的不斷重視及綠色公路理念的提出，RAP材料的使用越來越普遍。熱再生操作靈活，使用范圍廣，節(jié)約了新加瀝青及集料的用量，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益及符合環(huán)境友好型交通要求，是目前公路領(lǐng)域深入研究的關(guān)鍵性技術(shù)[1?2]。目前，關(guān)于熱再生瀝青混合料的研究主要偏向于室內(nèi)試驗(yàn)研究，而缺少熱再生瀝青混合料應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的研究，如：何兆益等[3]通過室內(nèi)試驗(yàn)，探討了RAP摻量對(duì)廠拌熱再生瀝青混合料路用性能及疲勞性能的影響；馬登成 等[4]對(duì)瀝青路面就地?zé)嵩偕M(jìn)行配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行路用性能分析。且對(duì)于新型路面結(jié)構(gòu)主要停留在靜力分析上，與實(shí)際路面承受的動(dòng)荷載作用存在一定偏差，如：薛廖卿等[5?6]通過彈性層狀體系計(jì)算分析廠拌熱再生瀝青混合料在含LSPM路面結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用；李秀君等[7?8]采用有限元軟件對(duì)乳化瀝青冷再生路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行靜力分析。因此分析熱再生瀝青路面在移動(dòng)荷載作用下的響應(yīng)，對(duì)于認(rèn)識(shí)路面結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的破壞，指導(dǎo)熱再生瀝青路面設(shè)計(jì)具有重要意義。本文通過室內(nèi)試驗(yàn)，分析不同RAP摻量下的最佳瀝青用量及力學(xué)性能；采用3D-MOVE有限層軟件對(duì)熱再生瀝青路面結(jié)構(gòu)層動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，并分析不同RAP摻量對(duì)路面動(dòng)力響應(yīng)的影響規(guī)律。

1 廠拌熱再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

廠拌熱再生瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)為后續(xù)力學(xué)性能試驗(yàn)及再生瀝青混合料在路面結(jié)構(gòu)層中的應(yīng)用服務(wù)。為此，先對(duì)回收瀝青路面材料(RAP)進(jìn)行檢測(cè)。RAP取自寧波繞城高速公路東行段上下面層。經(jīng)測(cè)試，其瀝青含量為4.7%。新瀝青采用東海70號(hào)瀝青。RAP中瀝青性能指標(biāo)及新瀝青性能指標(biāo)見表1。

表1 RAP中瀝青和新瀝青各指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

再生瀝青混合料的集料由原路面集料和外加集料混合料組成，原路面集料主要為玄武巖，外加集料選用凝灰?guī)r粗集料及機(jī)制砂細(xì)集料。考慮氣候條件、公路等級(jí)和建材提供等綜合因素，充分借鑒寧波地區(qū)配合比設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)[9]，本文采用上述RAP生產(chǎn)AC-16C熱再生瀝青混合料，RAP舊料級(jí)配及AC-16C工程設(shè)計(jì)級(jí)配如表2所示[10]。對(duì)比RAP中集料級(jí)配及工程設(shè)計(jì)級(jí)配可知，原路面混合料出現(xiàn)細(xì)化，需根據(jù)不同RAP摻加比例，添加較粗的新集料。為了便于比較分析，不同RAP摻量下的合成級(jí)配應(yīng)盡量靠近設(shè)計(jì)級(jí)配。

以4.5%的再生混合料瀝青用量為基準(zhǔn)，在3.5%，4.0%，4.5%，5.0%和5.5% 5個(gè)瀝青用量下，制備馬歇爾試件，確定混合料的最佳油石比及各項(xiàng)性能指標(biāo)，結(jié)果見表3。在最佳瀝青用量下，各瀝青混合料的體積指標(biāo)和力學(xué)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。RAP在20%~40%，瀝青混合料的最佳瀝青用量隨RAP摻量的增加而增大，但RAP在40%~50%范圍內(nèi)，隨RAP增加最佳瀝青用量減小，初步分析原因是RAP材料經(jīng)過使用后，其表面被老化，相應(yīng)的吸油能力下降，以及級(jí)配及拌和溫度導(dǎo)致。但RAP摻加量由20%增加至50%，新瀝青用量由3.85%減少至2.64%，減少了0.31%，說明RAP中舊瀝青得到有效利用。

表2 RAP中集料級(jí)配和AC-16C工程設(shè)計(jì)級(jí)配

表3 廠拌熱再生瀝青混合料AC-16C馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2 廠拌熱再生瀝青混合料抗壓回彈模量試驗(yàn)

在上述配合比設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用各RAP摻量在最佳瀝青用量條件下開展廠拌熱再生瀝青混合料抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量試驗(yàn)，為廠拌熱再生瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，采用靜壓法成型Ф100 mm×100 mm圓柱體試件，成型后的試件無須完全冷卻即可脫模。選用15 ℃及20 ℃2種溫度條件下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)開始之前將試件置于恒溫水槽中保溫2.5 h，以確保試件內(nèi)部溫度達(dá)到規(guī)定的試驗(yàn)溫度[11]。

首先，以2 mm/min的加載速率測(cè)定試件的破壞荷載，并計(jì)算抗壓強(qiáng)度如表4所示。由表4可見，隨著廠拌熱再生瀝青混合料AC-16中RAP摻加量由20%增加到50%，其15 ℃和20 ℃抗壓強(qiáng)度分別從7.15 MPa和5.31 MPa增加到9.07 MPa和6.60 MPa，增幅為26.9%和24.3%。

表4 廠拌熱再生瀝青混合料AC-16C抗壓強(qiáng)度

按照破壞荷載的平均值，分別取0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6和0.7共7級(jí)作為試驗(yàn)荷載，并計(jì)算各級(jí)荷載下試件實(shí)際承受的壓強(qiáng)i。根據(jù)實(shí)測(cè)的抗壓回彈變形Δi繪制i~Δi關(guān)系曲線。從第5級(jí)荷載讀取相應(yīng)的5及Δ5，計(jì)算得到的抗壓回彈模量如表5所示。由表5可以看出，隨著廠拌熱再生瀝青混合料AC-16C中RAP摻加量由20%增加到50%，其15 ℃和20 ℃抗壓回彈模量分別從1 732 MPa和1 171 MPa增加到2 203 MPa和1 675 MPa，增幅為27.2%和43.0%，表明20 ℃下的抗壓回彈模量對(duì)RAP摻加量的敏感性高度15 ℃下。

表5 廠拌熱再生瀝青混合料AC-16C抗壓回彈模量

3 熱再生瀝青路面結(jié)構(gòu)分析

3.1 計(jì)算模型和分析方法

采用3D-MOVE Analysis有限層軟件[12]對(duì)含再生瀝青混合料的典型路面進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，論證廠拌熱再生技術(shù)的可行性。參照國(guó)內(nèi)外熱再生工程的結(jié)構(gòu)體系，中面層采用上述研究的廠拌熱再生瀝青混合料AC-16C，路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)如表6所示。當(dāng)以路表彎沉值作為設(shè)計(jì)驗(yàn)算指標(biāo)時(shí)，抗壓回彈模量選用各試件模量的平均值減去2倍標(biāo)準(zhǔn)差(20 ℃)。當(dāng)選用層底拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)驗(yàn)算指標(biāo)時(shí)，抗壓回彈模量選用各試件模量的平均值加上2倍標(biāo)準(zhǔn)差(15 ℃)。廠拌熱再生瀝青混合料的抗壓回彈模量根據(jù)表5取值并選取20 ℃下的平均值減去2倍標(biāo)準(zhǔn)差，當(dāng)RAP摻量為20%，30%，40%和50%，抗壓回彈模量值分別為1 104，1 230，1 410和1 614 MPa。

表6 路面各結(jié)構(gòu)層參數(shù)

采用3D-MOVE Analysis軟件建立有限層模型，模型尺寸取5.12 m(縱向)×3 m(橫向)×6.92 m(豎向)。模型有以下假設(shè)：1) 以平面為層狀組成的半空間體。路基為彈性半空間體，路面各層為平面無限大的彈性層。2) 各層材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系假定為各向同性。3) 假定層元厚度較小時(shí)，位移沿方向顯線性變化，節(jié)面位移連續(xù)。道路平行于軸的2個(gè)斷面方向位移被約束，平行于軸的2個(gè)斷面方向的位移被約束，底部全部約束。有限層模型如圖1所示。

圖1 有限層計(jì)算模型

Sebaaly等[13]采用應(yīng)力傳感器獲得非均勻分布的輪胎?路面接觸應(yīng)力模型。車輛荷載參照Sebaaly實(shí)測(cè)結(jié)果，采用兩軸四輪荷載，軸重為90 kN，單個(gè)輪胎壓力非均勻分布如圖2所示。單個(gè)輪胎荷載作用面積簡(jiǎn)化為0.2 m×0.182 m的矩形，雙輪中心間距為0.37 m，前后軸軸距為1.22 m，如圖3所示。采用實(shí)測(cè)的非均布輪胎接地壓力作為模型施加荷載，模型表面設(shè)置了荷載移動(dòng)區(qū)，通過控制荷載在每個(gè)單元的作用時(shí)間從而實(shí)現(xiàn)車速為20 km/h的移動(dòng)加載。

圖2 不同胎壓下實(shí)測(cè)接地壓力分布。

圖3 輪胎接地印記

3.2 RAP摻量40%的熱再生路面時(shí)程響應(yīng)分析

取有限層模型選取中心軸線上不同深度點(diǎn)(上面層底面、中面層底面、下面層底面、基層底面、土基頂面)作為研究對(duì)象，中面層采用RAP摻加量為40%的AC-16C廠拌熱再生瀝青混合料，分析車速為20 km/h，移動(dòng)荷載作用下的各研究點(diǎn)的縱向應(yīng)變、橫向應(yīng)變、豎向應(yīng)變的時(shí)程變化規(guī)律，如圖4~6所示。

從豎向應(yīng)變的時(shí)程變化可以看出，瀝青層中的豎向應(yīng)變出現(xiàn)拉壓交變的現(xiàn)象。當(dāng)車輛荷載接近或遠(yuǎn)離作用點(diǎn)位時(shí)，出現(xiàn)微小的拉應(yīng)變，車輛荷載作用在計(jì)算點(diǎn)位時(shí)，路面面層主要承受壓應(yīng)變。隨深度的增加，交變現(xiàn)象逐漸減弱。且瀝青層中出現(xiàn)應(yīng)變集中現(xiàn)象?；鶎蛹捌湎赂鲗又饕惺軌簯?yīng)變。后輪荷載作用在計(jì)算點(diǎn)位上時(shí)與前輪荷載作用在計(jì)算點(diǎn)位時(shí)相比，路面各層壓應(yīng)變峰值相近，但基層及土基層存在一定殘余應(yīng)變，且恢復(fù)較慢。瀝青面層彎沉超過極限值時(shí)，將不可避免材料的斷裂 破壞。

圖4 豎向應(yīng)變時(shí)程變化

從縱向應(yīng)變的時(shí)程變化可以看出，路面面層內(nèi)出現(xiàn)縱向應(yīng)變拉壓交變，且拉應(yīng)變、壓應(yīng)變?cè)谕粋€(gè)數(shù)量級(jí)上?；鶎蛹耙韵赂鲗映霈F(xiàn)縱向拉應(yīng)變。最大拉應(yīng)變出現(xiàn)在中面層(瀝青再生層)，最大壓應(yīng)變出現(xiàn)在上面層。瀝青再生層不但出現(xiàn)較大的拉應(yīng)變，拉應(yīng)變與壓應(yīng)變交互作用顯著，容易引起材料的疲勞破壞，因此對(duì)再生瀝青混合料的疲勞性能有較高要求。

圖5 縱向應(yīng)變時(shí)程變化

同樣，瀝青混合料面層橫向應(yīng)變時(shí)程變化也同樣具有應(yīng)變集中及交變現(xiàn)象，在車輛荷載駛過瞬間出現(xiàn)微小波動(dòng)。最大橫向拉應(yīng)變出現(xiàn)在中面層(瀝青再生層)。各層主要承受拉應(yīng)變，因此主要出現(xiàn)拉裂破壞。后輪荷載作用在計(jì)算點(diǎn)位上時(shí)與前輪荷載作用在計(jì)算點(diǎn)位時(shí)相比，各層拉應(yīng)變峰值略微增加但不顯著。車輛荷載離開后，基層及土基層存在的一定的殘余變形，且殘余變形恢復(fù)較慢。

圖6 橫向應(yīng)變時(shí)程變化

3.3 AC-16C熱再生層模量的影響分析

熱拌瀝青混合料AC-16C抗壓回彈模量根據(jù)表5的20 ℃各試件模量的平均值減去兩倍的標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)RAP摻配比例分別為20%，30%，40%和50%，再生瀝青層抗壓回彈模量分別取1 104，1 230，1 410和1 614 MPa，計(jì)算路面結(jié)構(gòu)在移動(dòng)荷載下的響應(yīng)。目前，國(guó)內(nèi)外路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有面層層底彎拉應(yīng)變、土基頂部壓應(yīng)變及面層底部剪應(yīng)力[14]。經(jīng)3D-MOVE Analysis軟件計(jì)算，中心軸線上再生層層底拉應(yīng)變及下面層底部層底拉應(yīng)變隨RAP摻量的變化如圖7所示，中心軸線上再生層壓應(yīng)變及土基頂部壓應(yīng)變隨RAP摻量的變化如圖8所示，中心軸線上再生層層底剪應(yīng)力及下面層層底剪應(yīng)力隨RAP摻量的變化如圖9所示。

由圖7可見，隨著RAP摻量增加，瀝青再生層底部及下面層底部層底拉應(yīng)變基本顯線性減小趨勢(shì)。隨RAP摻量由20%增加到50%，瀝青再生層層底拉應(yīng)變由116 με減小到109 με，減少了6.0%，下面層層底拉應(yīng)變由35.8 με減小到32.9 με，減少了8.1%。

圖7 RAP摻配比例對(duì)層底拉應(yīng)變的影響

由圖8可見，隨著RAP摻量增加，瀝青再生層底部及土基頂部豎向壓應(yīng)變均減小。尤其是當(dāng)RAP摻量由20%增加到30%時(shí)，瀝青再生層豎向應(yīng)變減小幅度較大。當(dāng)RAP摻量由20%增加到50%，瀝青再生層底部豎向應(yīng)變由450.8 με減小到311.9 με，減少了30.8%，土基頂部豎向壓應(yīng)變由126.1 με減小到114.0 με，減少了9.5%。由此可見RAP摻量對(duì)再生層豎向應(yīng)變的影響遠(yuǎn)大于對(duì)土基頂部壓應(yīng)變的影響。

由圖9可見，隨RAP摻量增加，瀝青再生層層底剪應(yīng)力增加，而下面層層底剪應(yīng)力減小RAP摻量由20%增加至30%，下面層層底剪應(yīng)力減小幅度較大。RAP摻量由20%增加至50%，瀝青再生層層底剪應(yīng)力由3.046 kPa增加至3.688 kPa，增加了21%；下面層層底剪應(yīng)力由1.465 kPa減小至0.954 kPa，減少了34%，由此可見RAP摻量變化對(duì)剪應(yīng)力影響顯著。

圖8 RAP摻配比例對(duì)豎向應(yīng)變的影響

圖9 RAP摻配比例對(duì)剪應(yīng)力的影響

4 結(jié)論

1) RAP摻量越高時(shí)，15 ℃及20 ℃瀝青混合料AC-16C抗壓強(qiáng)度及抗壓回彈模量越大。且20 ℃下的抗壓回彈模量對(duì)RAP摻量的敏感性高于15 ℃下的。

2) 在移動(dòng)荷載作用下，瀝青面層內(nèi)出現(xiàn)縱向、橫向、豎向拉壓應(yīng)變交變現(xiàn)象及應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是造成瀝青路面材料疲勞破壞的主要原因?；鶎蛹捌湎赂鲗又饕惺茇Q向壓應(yīng)變、橫向拉應(yīng)變及縱向拉應(yīng)變。

3) 后輪荷載作用在計(jì)算點(diǎn)位上時(shí)與前輪荷載作用在計(jì)算點(diǎn)位時(shí)相比，路面各層應(yīng)變峰值相近，但基層及土基層存在殘余應(yīng)變的影響。

4) 隨RAP摻量增加，瀝青再生層層底及下面層層底彎拉應(yīng)變線性減小，但減小幅度不大；瀝青再生層層底及土基頂部豎向壓應(yīng)變均減小，且RAP摻量變化對(duì)再生豎向壓應(yīng)變影響遠(yuǎn)大于土基頂部豎向壓應(yīng)變的影響。但RAP摻量增加增大了瀝青再生層層底剪應(yīng)力，且剪應(yīng)力變化顯著。

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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

寧波市交通委員會(huì)科技項(xiàng)目[2013]191-3

黃志義(1957?)，男，福建莆田人，教授，博士，從事道路新材料新技術(shù)研究；E?mail：hzy@zju.edu.cn

(編輯 涂鵬)