刘杨
（中铁二十四局集团有限公司，上海，200070）
摘要：为研究废旧沥青路面材料（RAP）对热拌再生沥青混合料抗裂性能的影响，本文分别采用圆盘拉伸试验（DCT）和疲劳拉伸试验对再生沥青混合料的低温抗裂性及中温抗疲劳性能进行了试验研究。首先，采用DCT试验对再生沥青混合料试件进行了断裂试验，并采用韧性指数（Toughness Index）对再生沥青混合料的低温抗裂性能进行评价；其次，采用拉伸试验对再生沥青混合料进行了单轴拉伸疲劳试验，并通过简化的粘弹性连续损伤模型（S-VECD），确定了不同再生沥青混合料的损伤特征曲线（DCC），和基于能量的疲劳失效标准与疲劳加载次数之间的关系（GR-Nf），对不同再生沥青混合料的抗疲劳性能进行了研究。综合两种试验结果表明，随着RAP含量的增加，沥青混合料的低温抗裂性能及中温抗疲劳性能均有不同程度的降低，在实际应用中应加以控制。
关键词：RAP；沥青混合料；低温开裂；圆盘拉伸试验；疲劳开裂；粘弹性连续损伤模型
中图分类号：U416.217 文献标准码：A
1[] 引言
再生沥青路面材料（RAP）是一种非常有价值的资源，早在上世纪30年代，国外就开始在路面建设中使用RAP材料，随着原油价格的增长及环保意识的增强，RAP材料的应用越来越普遍。在新修建的沥青路面中掺加一定量的RAP材料，不仅可以节约沥青和集料用量，其经济价值显而易见。但随着RAP的加入，沥青混合料的力学性能发生变化，影响沥青路面使用性能[1]。
沥青路面的低温开裂已成为困扰道路研究工作者的难题，无论是在北方冰冻地区，还是在南方寒冷地区，沥青路面出现低温开裂的现象相当普遍，且低温开裂在温度骤降或是温差较大的地区更为突出。研究表明，仅仅对沥青结合料进行测试来表征沥青混合料的低温抗裂性能是不充分的。近年来，基于能量的试验引起了较为广泛的关注，包括半圆拉伸试验（SCB）、Fenix试验和圆盘紧凑拉伸试验（DCT）等等[2]。DCT试验最初是在ASTM E 399标准中使用，然后由Wagoner引入到沥青混合料中，在十几年的不断改进与应用中，逐渐成为评价沥青混合料低温性能最为流行的断裂试验方法。Dave，Buttlar等学者在DCT的应用中做出了重大的贡献。但研究发现，在评价沥青混合料低温性能时，仅采用试验中致使试件断裂时消耗的能量来进行表征是不够的，Felix等学者采用韧性指数（toughness index）对沥青混合料的低温抗裂能力进行了评价，并取得了很好的研究结果。
此外，沥青混合料的抗疲劳开裂性能一直以来都是沥青材料性能研究中的热点与难点问题。科学合理的室内试验方法、有效的数据分析手段以及材料自身的疲劳失效准则是评价和预测沥青材料疲劳性能的3项基本组成部分[3]。关于疲劳失效定义最普遍使用的现象学指标是“材料模量下降至初始值的50%水平”，这一指标简单而实用，同时，诸多学者基于耗散能理论提出了不同形式的关于疲劳失效定义的指标[4]，国内诸多学者也曾运用损伤力学和断裂力学理论对沥青混凝土的疲劳性能进行过深入探讨[5]。目前，基于黏弹性断裂力学和弹性-黏弹性对等原理的黏弹性连续损伤模型（VECD）引起了较为广泛的关注，该模型由Kim和Lee[6]等人在应用Schapery的黏弹性本构理论和分布损伤的基础上，对沥青混凝土进行循环荷载试验得到。同时，Chehab的研究表明，时间－温度叠加原理可以从材料的线性黏弹性范围扩展到较高的损伤程度，这有助于缩短所需的测量时间。Daniel和Kim等又在北卡罗纳大学发展了简化的VECD模型，即S-VECD模型，该模型在AMPT动态模量的基础上，可以准确的预测出单一温度及单一应变水平下的疲劳结果。可见，国外在黏弹性连续损伤理论的基础上建立了众多的适用模型，并得到了实际上的广泛应用，但国内在这方面的理论和模型研究上还有待一定程度上提高。
本文综合考虑再生沥青混合料的疲劳性能与低温性能，对不同RAP掺量的再生沥青混合料的抗裂性能进行研究[7]，以便更准确的评价再生沥青混合料的抗裂性能，为更好利用RAP及合理用量上提供一定的借鉴。
1 材料与试验
1.1 试验材料
本研究选取1种基质沥青，其性能分级为PG64-22，其力学性能指标如表1所示。本文采用两种沥青混合料类型，AC-13和AC-16；并有3种不同的RAP掺量，分别为10%、20%、30%。
表1 沥青基本指标(PG64-22)
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本文采用旋转压实仪成型直径为150mm，高为170mm沥青混合料试件，在室内放置24h之后，根据ASTM D7313试验方法，将旋转压实成型试件切割成直径为150mm，厚度为50mm的圆盘试件，再通过钻孔、预制裂缝成标准圆盘拉伸试验（DCT）试件。根据AASHTO TP-107试验方法，将旋转压实成型试件，钻芯取样成直径为100mm，高为130mm的圆柱形试件，制作成疲劳试验试件。
1.2 试验方案
1.2.1 圆盘拉伸试验（DCT）
（1）试验条件及步骤
本文中采用大型MTS试验机中进行DCT试验，并在液氮温控环境箱内进行温度控制，已达到试验时的温度要求。根据ASTM D7313中的试验温度要求，且根据本文中采用的沥青为PG64-22的性能分级，因此确定试验温度为-12 oC。在试验时，DCT试验时由恒定的裂缝开口位移控制模式，其速率为1.0mm/min，试验时将荷载（Load）和裂缝开口位置（CMOD）数据记录下来，以计算需要的断裂参数。试验时，每种混合料至少有3个重复试件，以排除偶然误差的影响，在结果分析时取多个试件的平均值。
（2）低温性能评价指标
本文采用韧性指数（toughness index，TI）评价沥青混合料的低温性能，可用下式表示：
其中，GF为DCT试验过程中的断裂能，J/m2；GFmax为到达荷载峰值之前的断裂能，J/m2；mpd为荷载峰值之后达到50%荷载峰值时的位移值，mm；Fmax为荷载峰值时对应的位移值，mm。图1为DCT试验中的荷载-位移曲线和评价指标中所涉及的参数。
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图1 DCT试验的荷载-位移曲线
1.2.2 基于S-VECD模型的疲劳试验
再生沥青混合料疲劳试验在沥青混合料简单试验机上进行，每种混合料试件有4个重复试件，试验根据AASHTO TP 107-14试验标准。试验时，在10Hz的加载频率下，且每种混合料的4个重复试件采用不同的应变等级，以发展基于能量的疲劳损伤标准（GR）与疲劳加载次数（Nf）之间的关系及损伤特征曲线（DCC）。
（1）S-VECD模型
粘弹性连续损伤(viscoelastic continuum damage)模型及其简化模型(simplified VECD model)已经在美国沥青混合料领域得到了极为广泛的重视和应用，该模型基于三个首要的准则：1）弹性-粘弹性对应原理；2）Schapery功势理论；3）时间-温度叠加原理。
沥青混合料内部的损伤演化方程基于Schapery的功势理论（Work Potential Theory）而建立。在此理论中，材料损伤速率的表达式为：
其中，S为表征损伤的材料内部状态变量；t为时间；为非损伤状态下的材料常数；WR为虚应变能密度，计算如式（3）所示：
式中：C(S)为材料的虚模量；是材料损伤变量S的函数。
然后，在Kim，Little和Lytton的推导基础上，就可以得到材料损伤后的损伤程度和其准劲度之间的关系，如式（4）所示：
在确定沥青混合料的损伤程度后，可以用近似数值方法获得混合料的疲劳寿命Nf和基于能量的疲劳损伤标准GR之间的关系，将计算所得的GR与Nf绘于坐标下，可以用幂函数方程很好的拟合，并且与试验方法和加载方式而独立存在，反映了材料自身的疲劳失效特性。
2 结果与讨论
2.1 DCT试验结果
图2为不同RAP含量及不同级配的沥青混合料的断裂能，从图中可以看出，不同RAP掺量及不同级配的沥青混合料的断裂能相差不大，这与文献[2]相一致，无法确定不同再生沥青混合料的低温抗裂能力。图3为不同RAP含量及不同级配的沥青混合料韧性指数对比图，从图中可以看出，对于AC-13沥青混合料，当RAP掺量从10%增加到30%时，韧性指数降低了一半；AC-16沥青混合料发现了同样的情况。分析原因为RAP含量中的沥青老化变脆，掺加到新的沥青混合料中时，会影响到再生沥青混合料的松弛能力和延展性等，因此高RAP含量的再生沥青混合料的韧性指数偏低，更容易发生低温开裂。
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图3 不同沥青混合料的韧性指数对比图
2.2疲劳试验结果
（1）图4和图5为不同级配的沥青混合料疲劳试验损伤特征曲线，其中C代表材料的完整性，S代表随着疲劳加载的增加值。从图中可以看出，随着疲劳荷载的增多，较高RAP掺量的沥青混合料的完整性较低。如图4所示，当材料完整性C达到0.2时，10%RAP沥青混合料的疲劳寿命为30%RAP沥青混合料的两倍。同样，图5发现了类似的结果。
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图4 不同RAP含量的沥青混合料
DCC曲线(AC-16)
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图5 不同RAP含量的沥青混合料
DCC曲线(AC-13)
（2）在图6和图7中，GR为基于能量失效标准的虚应变能释放率，Nf为疲劳加载次数，此关系式与试验方法和加载方式无关，表征了材料自身固有的疲劳失效特性。从图中可以看出，在同一级配的沥青混合料中，较低RAP掺量的沥青混合料的疲劳性能较高。因此说对于高RAP掺量的沥青混合料，应更加注重其疲劳性能，并严格控制RAP的掺量。
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图7 不同RAP含量的GR-Nf之间的关系(AC-13)
3 结论
本文分别从低温开裂性能和中温抗疲劳开裂性能两方面对再生沥青混合料的抗裂性能进行了评价，得到以下结论：
（1）根据DCT试验数据，采用韧性指数对不同RAP掺量及不同级配的再生沥青混合料的低温抗裂能力进行了评价，结果表明，高RAP掺量的再生沥青混合料的抗低温开裂能力较差，因此说寒冷地区或是昼夜温差较大地区应注意再生材料的使用。
（2）本文根据Schapery线黏弹性本构方程，在此基础上构建了简化的线黏弹性连续损伤模型（S-VECD），并建立了损伤程度S与材料的有效完整性之间的关系：损伤特性曲线DCC。并根据数值模拟方法，确定了疲劳失效定义计算所得的虚应变能释放率GR和材料的疲劳寿命Nf之间的关系，DCC曲线和GR-Nf与沥青混合料的疲劳寿命有很好的相关性，能够很好的确定沥青混合料的疲劳开裂性能。从疲劳试验结果分析表明，高RAP含量的再生沥青混合料的抗疲劳性能较差。
（3）本文从再生沥青混合料的低温抗裂性能和抗疲劳性能两方面进行了研究，试验结果均表明混合料的抗裂性能受到RAP的不利影响，因此在将来的使用中应合理进行材料的优化设计，并与当地气候条件相适应。
参考文献：
[1] 孔庆丹.不同种类RAP材料的力学性能研究[J].青海交通科技，2020（6）：90-96.
[2] I AL-QADI, H OZER, J LAMBROS. Testing Protocols to Ensure Performance of High Asphalt Binder Replacement Mixes Using RAP and RAS[R]. Illinois Center for Transportation, 2015.
[3] 王超. 沥青结合料路用性能的流变学研究[D]. 北京: 北京工业大学, 2015.
[4] 王超，张金喜. 沥青结合料疲劳失效定义与失效准则[J].北京工业大学学报，2015（10）：1574-1583.
[5] 郑健龙, 吕松涛. 沥青混合料非线性疲劳损伤模型[J]. 中国公路学报, 2009, 22(5): 21-28.
[6] KIM Y.R., LEE H J, LITTLE D. Fatigue characterization of asphalt concrete using viscoelasticity and continuum damage theory[J]. Asphalt Paving Technology, 1997, 66:520-569.
[7] 王军龙.不同RAP掺量热再生混合料力学性能研究[J].公路工程，2015（2）：23-286,328.
作者简介：刘杨（1984—），男，江苏徐州人，硕士，高级工程师，主要从事桥梁工程施工方面工作。