CN117077247A - 一种高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测方法,包括以下步骤,步骤一:构建高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测模型,预测模型包含再生沥青的抗疲劳因子与开裂因子的函数关系;步骤二:提取旧沥青路面回收料中老化沥青,根据老化沥青、再生剂及新沥青的配比制备老化沥青目标掺量大于30%的再生沥青试件;步骤三:在高剪切速率下,利用沥青屈服能试验获得再生沥青试件的抗疲劳因子;步骤四:将获得的抗疲劳因子输入到预测模型中,计算得到再生沥青混合料的开裂因子,为高掺量再生沥青混合料组成设计过程中确定旧沥青路面回收料、新沥青及再生剂掺量的最优组合提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域,具体为一种高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测方法。
背景技术
如果将公路每年维修养护产生的旧沥青路面回收料作为垃圾处理,不仅造成资源的巨大浪费,而且占用土地,污染环境。因此,推广和应用沥青路面再生技术十分必要。
随着再生技术日渐成熟,大量研究表明,旧沥青路面回收料的掺量可超过30%,有效节省了新沥青和集料用量,提高了旧沥青路面回收料再生利用率。然而,由于旧沥青路面回收料中老化沥青的高硬度和脆性,在车轮荷载重复作用下,再生沥青路面容易产生高应变,引发疲劳开裂破坏。因此,老化沥青的疲劳特性对再生沥青路面的抗疲劳开裂性能起着至关重要的作用,但现有公开专利中目前还没有一种建立二者联系的方法。
目前,现有专利中关于公开沥青混合料疲劳抗裂性能的试验方法有很多,如半圆弯曲试验、间接拉伸开裂试验及四点弯曲疲劳试验等,均需要专业的试验设备和耗材,如试验机、荷载传感器等,在大量的循环加载次数作用下对沥青混合料试件进行加载,使得实验周期较长,耗时较久,需要较高的试验成本。而沥青屈服能试验只需在恒定剪切速率下对沥青施加单调荷载,即可得到不同应变水平的疲劳响应,测试程序所需时间较少,并利用粘弹性连续损伤理论有效表征沥青损伤累积行为。但目前规范中规定的沥青屈服能试验剪切速率不利于分析应力-应变曲线的拐点和峰后斜率。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明的目的是:提供一种高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测方法,利用该预测方法能够通过高掺量再生沥青屈服能试验的疲劳特性预测其混合料抗疲劳开裂性能,为高掺量再生沥青混合料组成设计过程中确定旧沥青路面回收料、新沥青及再生剂掺量的最优组合提供参考,降低试验成本,提高高掺量再生沥青混合料组成设计的效率,对旧沥青路面回收料的大规模推广应用具有重要意义。
为了达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测方法,包括以下步骤,
构建高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测模型,预测模型包含再生沥青的抗疲劳因子与开裂因子的函数关系;
提取旧沥青路面回收料中老化沥青,根据老化沥青、再生剂及新沥青的配比制备目标掺量大于30%的再生沥青混合料,并进一步将再生沥青混合料制成再生沥青试件;
在高剪切速率下,利用沥青屈服能试验获得再生沥青试件的抗疲劳因子;
将获得的抗疲劳因子输入到预测模型中,利用再生沥青试件的抗疲劳因子与开裂因子的函数关系计算得到再生沥青混合料的开裂因子,预测再生沥青混合料抗疲劳开裂性能。
进一步,抗疲劳因子是通过对多个高掺量再生沥青试件进行动态剪切流变试验,计算应力-应变曲线峰后阶段拐点处的峰后斜率和2600%应变水平的破坏能获得的;开裂因子是通过对再生沥青试件进行间接拉伸开裂试验获得的。
进一步,抗疲劳因子的获得过程为,在11.575s-1的高剪切速率下,对再生沥青试件进行沥青屈服能试验,绘制应力-应变曲线,计算抗疲劳因子R,公式如下:
式中,为应变水平达到时2600%的破坏能,由应力-应变曲线下的面积计算得到;εip为峰后阶段拐点处的应变,拐点是峰后区域开裂速率的转折点;|mip|为峰后阶段拐点处峰后斜率的绝对值。
进一步,通过拟合再生沥青抗疲劳因子R及其混合料开裂因子CTindex之间的关系,构建高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能预测模型,公式如下:
CTindex=12.187lnR+37.574。
进一步,破坏能的计算区域为0-2600%的高应变水平。
进一步,高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测模型适用于旧沥青路面回收料掺量大于30%的再生沥青混合料。
进一步,利用高掺量再生沥青混合料开裂因子的预测值,综合考虑旧沥青路面回收料的循环利用率和再生沥青混合料抗疲劳开裂性能,确定高掺量再生沥青混合料中旧沥青路面回收料、新沥青和再生剂掺量的最优组合方案。
总的说来,本发明具有如下优点:
本发明提出一种在高剪切速率下基于高掺量再生沥青屈服能试验的疲劳特性预测其混合料抗疲劳开裂性能的预测模型和预测方法,从老化沥青疲劳损伤的角度出发,为高掺量再生沥青混合料组成设计过程中确定旧沥青路面回收料、新沥青及再生剂掺量的最优组合提供参考,降低了试验成本,提高了高掺量再生沥青混合料组成设计的效率,对旧沥青路面回收料的大规模推广应用具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的预测方法流程图。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
一种高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测方法,包括以下步骤,
步骤一:构建高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测模型,预测模型包含再生沥青的抗疲劳因子与开裂因子的函数关系;
步骤二:提取旧沥青路面回收料中老化沥青,根据老化沥青、再生剂及新沥青的配比制备目标掺量大于30%的再生沥青混合料,并进一步将再生沥青混合料制成再生沥青试件;
步骤三:在高剪切速率下,利用沥青屈服能试验获得再生沥青试件的抗疲劳因子;
步骤四:将获得的抗疲劳因子输入到预测模型中,利用再生沥青试件的抗疲劳因子与开裂因子的函数关系计算得到再生沥青混合料的开裂因子,预测再生沥青混合料抗疲劳开裂性能。
与传统的沥青混合料疲劳试验方法验证或确定最优组合相比,本发明提出一种在高剪切速率下基于高掺量再生沥青屈服能试验的疲劳特性预测其混合料抗疲劳开裂性能的预测模型及其预测方法,从老化沥青疲劳损伤的角度出发,为高掺量再生沥青混合料组成设计过程中确定旧沥青路面回收料、新沥青及再生剂掺量的最优组合提供参考,降低了试验成本,提高了高掺量再生沥青混合料组成设计的效率,对旧沥青路面回收料的大规模推广应用具有重要意义。
本实施方式以旧沥青路面回收料掺量为30%(30%RAP)、旧沥青路面回收料掺量为50%(50%RAP)为例,说明高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能预测方法的实施步骤:
(1)开展再生沥青屈服能试验
依据AASHTO T164,以正丙基溴化物为萃取溶剂,对旧沥青路面回收料中的老化沥青进行萃取和回收;回收后的老化沥青与新沥青(PG58-28)在目标取代量下进行混合,随后分别加入三种目标掺量的再生剂,在160℃下混合搅拌15分钟得到高掺量再生沥青。如表1所示:
表1高掺量再生沥青的组成方案
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011),对得到的高掺量再生沥青进行旋转薄膜烘箱老化试验和压力老化试验,经过短期老化和短期老化+长期老化后,在高剪切速率下(11.575%s-1),利用动态剪切流变仪进行沥青屈服能试验,得到应力-应变关系曲线,计算再生沥青的抗疲劳因子R:
其中,为应变水平达到时2600%的破坏能,由应力-应变曲线下的面积计算得到;εip为峰后阶段拐点处的应变,拐点ip为峰后区域开裂速率的转折点;|mip|为峰后阶段拐点处峰后斜率的绝对值。
目前AASHTO TP123-16规定沥青屈服能试验在2.315s-1的恒定剪切速率下对沥青试件进行加载。然而,相关研究表明在2.315s-1的低剪切速率下,沥青的应力应变曲线在2600%应变范围内无法表征峰后疲劳损伤行为。申请人前期研究也证实了在低剪切速率下,部分厂拌再生沥青试件在达到2600%应变水平时没有出现峰后拐点,如表2所示。
相关研究表明,间接拉伸开裂试验方法中沥青剪切应变速率高达0.084%s-1,沥青的应变范围为混合料体积应变的7.8至510倍,对应沥青屈服能试验中沥青的剪切应变率为0.655%s-1至42.84%s-1。根据前期研究表明,不同沥青试件在高剪切速率(11.575%s-1)下比在低剪切速率(2.315%s-1)下表现出更高的峰值应力和更低的峰后斜率,如表2所示。因此,在高剪切速率(11.575s-1)下分析峰后拐点处斜率和更高应变水平(2600%)下的破坏能,得出的抗疲劳因子可以更准确反映沥青的累计损伤行为。
表2沥青屈服能实验结果
抽提1、抽提2、抽提3均为不同厂拌沥青混合料提取老化沥青制备的再生沥青试件。
沥青屈服能试验的试验结果如表3所示:
表3沥青的屈服能试验结果
1沥青屈服能实验在11.575%s-1高剪切速率下进行。
2新沥青等级为PG 58-28。
(2)预测再生沥青混合料的抗疲劳开裂性能
根据(1)得到的再生沥青抗疲劳因子预测混合料的开裂因子,计算公式如下:
CTindex=12.187lnR+37.574;
混合料开裂因子的预测结果如表5所示。
(3)确定旧沥青路面回收料、新沥青和再生剂掺量的最优组合方案
对比表5中不同再生沥青混合料开裂因子预测值的大小,本实施例中,虽然预测结果表明30%RAP+3%生物油2掺量的再生沥青混合料具有最优的抗疲劳开裂性能,但综合考虑沥青回收料的循环利用率和再生沥青混合料的抗疲劳开裂性能,最终选择50%RAP+5%生物油1为最优组合方案。
(4)验证高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能预测模型
为了验证高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能预测模型的精确性,本例制备了15个高掺量再生沥青混合料试件(相同的级配和油石比),进行间接拉伸开裂试验。
混合料级配与最佳沥青用量如表4所示。
表4混合料级配与最佳沥青用量
高掺量再生沥青混合料制备时,首先根据混合料级配设计要求,将步骤(1)制得再生沥青与集料拌合得到松散的混合料,然后将松散的混合料移入烘箱,在135℃下分别老化4小时和8小时,得到短期老化和长期老化处理后的松散混合料,模拟运输、拌合、摊铺过程后和路面服役5-10年后沥青混合料的老化。
进一步地,分别将短期烘箱老化和长期烘箱老化处理后的松散混合料倒入旋转压实仪进行压实,成型直径150mm高度180mm的圆柱体试件。
进一步地,待试件形成强度后,将试件切割成直径150mm、高度62mm的圆盘,在25℃下进行间接拉伸开裂试验,绘制应力-应变曲线,计算开裂因子,得到开裂因子的试验值。
对比试验所得的开裂因子与模型预测的开裂因子,计算相对误差,结果如表5所示。
表5间接拉伸开裂试验
新沥青的种类为PG 58-28。
本实施例中再生沥青混合料开裂因子试验值与预估模型预测值的相对误差很小,本发明提出的模型能准确得到高掺量再生沥青混合料在高应力水平下的抗疲劳开裂性能,为高掺量再生沥青路面设计与验证提供新思路。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测方法,其特征在于:包括以下步骤,
构建高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测模型,预测模型包含再生沥青的抗疲劳因子与开裂因子的函数关系;
提取旧沥青路面回收料中老化沥青,根据老化沥青、再生剂及新沥青的配比制备老化沥青目标掺量大于30%的再生沥青试件;
在高剪切速率下,利用沥青屈服能试验获得再生沥青试件的抗疲劳因子;
将获得的抗疲劳因子输入到预测模型中,利用再生沥青试件的抗疲劳因子与开裂因子的函数关系计算得到再生沥青混合料的开裂因子,预测再生沥青混合料抗疲劳开裂性能。
2.根据权利要求1所述的一种高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测方法,其特征在于:抗疲劳因子是通过对多个高掺量再生沥青试件进行动态剪切流变试验,计算应力-应变曲线峰后阶段拐点处的峰后斜率和2600%应变水平的破坏能获得的;开裂因子是通过对高掺量再生沥青混合料试件进行间接拉伸开裂试验获得的。
3.根据权利要求1所述的一种高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测方法,其特征在于:抗疲劳因子的获得过程为,在11.575s-1的高剪切速率下,对再生沥青试件进行沥青屈服能试验,绘制应力-应变曲线,计算抗疲劳因子R,公式如下:
式中,Gf *为应变水平达到时2600%的破坏能,由应力-应变曲线下的面积计算得到;εip为峰后阶段拐点处的应变,拐点是峰后区域开裂速率的转折点;|mip|为峰后阶段拐点处峰后斜率的绝对值。
4.根据权利要求1所述的一种高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测方法,其特征在于:通过拟合再生沥青抗疲劳因子R及其混合料开裂因子CTindex之间的关系,构建高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能预测模型,公式如下:
CTindex=12.187lnR+37.574。
5.根据权利要求2所述的一种高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测方法,其特征在于:破坏能的计算区域为0-2600%的高应变水平。
6.根据权利要求1所述的一种高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测方法,其特征在于:高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测模型适用于旧沥青路面回收料掺量大于30%的再生沥青混合料。
7.根据权利要求1所述的一种高掺量再生沥青混合料抗疲劳开裂性能的预测方法,其特征在于:利用高掺量再生沥青混合料开裂因子的预测值,综合考虑旧沥青路面回收料的循环利用率和再生沥青混合料抗疲劳开裂性能,确定高掺量再生沥青混合料中旧沥青路面回收料、新沥青和再生剂掺量的最优组合方案。
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