旧沥青混合料残余黏聚力的三轴实验分析

旧沥青混合料残余黏聚力的三轴实验分析

杨恒敏¹徐银²

1.南阳市公路工程处 河南 南阳 473000；

2.河南省中原路桥建设（集团）有限公司 河南 南阳 473000

摘要：旧料来源于原路面的铣刨料，虽然经过了铣刨破碎，但旧料中仍存在大量的沥青和集料，特别是旧料中的颗粒团，其内部状态仍然是由沥青起着胶结作用。所以在旧料中仍保留着部分来源于旧路面的残余强度，这部分强度的大小及构成特点，直接影响着再生后的混合料性能，因此有必要进行深入的研究。

关键词：旧沥青混合料；残余黏聚力；三轴实验

经过长期使用的沥青路面，当对其进行养护维修时，需对旧沥青路面进行回收；目前常用的回收方式为挖除和铣刨，挖除所获得的旧料能最大限度地保留旧料的各种性能，特别是对旧料原有级配的影响较小，但挖除时对路面标高及平整度的控制较难。目前大规模维修工程中，最常使用的旧料回收方式是铣刨，铣刨工艺可以较好的控制铣刨量和旧路标高。铣刨工艺虽然施工速度快，旧路标高控制精确，但由于铣刨过程中，铣刨机的机械切削对旧路中的集料会产生很大的冲击，因此铣刨后的混合料级配会与原路面的级配产生很大的变化。同时，公路等级、使用年限、最初使用的原材料性质、铣刨方式等均会影响残留的性能，因此在对旧料进行再生利用前，必须对旧料的基本性能进行研究。

1 三轴剪切试验

三轴剪切试验是一种较为经典的试验方法，其模拟了材料中一点的受力状态,与实际路面中的三向受力情况相符合，可以得到混合料的抗剪参数、应力应变特性、抗压强度、破坏能量等。试验设备采用万能材料试验系统UTM-25。试验中将试件放在压力室中，通过对试样施加围压,试样为各向等压应力状态；随后通过活塞施加轴压，在轴向产生偏差应力。试验中以一定的速率施加轴向荷载，则轴向偏差应力随着时间先逐渐增大，直至达到应力峰值,随后下落，此时试件已发生剪切破坏。

变化不同的围压，即可得到相应破坏的轴向应力峰值，从而可以获得材料在极限平衡状态时的一组应力圆，由该应力圆组构成的包络线可以表示材料符合库仑方程的抗剪强度规律,进而求得材料的抗剪参数粘聚力c和内摩擦角φ，见图1，图中τ为抗剪强度，σ为剪切面上的正应力。

图1 三轴包络图

2 试件制备

所用试件是高为150 mm、直径为100 mm的圆柱体。对旧料分成五组来进行，分别是60℃加热10h、60℃加热24h、120℃加热16h、未加热的旧料和经抽提后的旧料。每组5500g，经过静压成型。

由试件外观就可以看出，试件加热温度越高，加热时间越长，旧料中的沥青会出现相应程度的泛油，从试件拍照图可以看出120℃最严重，然后依次是60℃24h、60℃10h（见图2）。油分的泛出表明，旧料经过加热后，其中的沥青在成型过程中，经过了重新分布，在拌和过程中沥青重新在集料表面进行裹覆，起到了较好的粘结作用，可以预计其试件的强度应该是最好的。而经过抽提后的试件，因为没有沥青的存在，所有黏结力为零，试件完全依靠颗粒间的机械咬合力成型。

120℃16h	60℃24h
60℃10h	经抽提后的静压

图2不同加热条件下成型的试件

3 结果分析

参考国外研究经验，三轴试验中加载速率取1.27 mm/min，围压（confine stress）取68、136 kPa，因为抽提后的材料中不含有沥青，黏结力c为零，所以只需做一组围压即可。经UTM25试验装置测试，各试件的内部黏聚力和内摩擦角如表2.9所示。

表1 三轴测试结果

组别	试件	粘聚力c/kPa	内摩擦角φ/度
1	抽提后	0	56.63
2	未加热	126.27	49.32
3	60℃10h	134.15	46.2
4	60℃24h	198.76	44.13
5	120℃16h	297.62	23.68

由表1可知，旧料经抽提后，其混合料中仅剩下各种不同粒径的集料，由三轴测试结果可以看出，此时各集料间由于没有了沥青膜的阻隔，所以具有最大的内摩擦角，此时的混合料更接近于级配碎石。

而将旧料不经加热直接静压成型试件的三轴试验结果可以看出，其试件内部已经开始具有了一定的黏聚力，此部分黏聚力是由旧集料表面的老化沥青膜提供的；由于没有经过加热，因此老化沥青膜不能在成型过程中，重新裹覆分布，而完全是依靠静压成型过程中，颗粒间的挤压而形成了新的沥青膜粘结力。虽然此粘结力较新拌沥青混合料中的黏聚力小得多，但已从跟不上改变了试件的强度构成机理；使其有上面类似级配碎石的松散材料变为一种整体性材料。在国外资料中经常将RAP成为“黑石”，即其性质主要是由集料决定的，残留的沥青经是改变了集料的表面颜色，而对性能基本不起作用。有上述试验结果可以看出，“黑石”的论点并不充分，残留的沥青即使在冷再生条件下也可发挥一定量的粘结作用。也即，对于铣刨所获得的旧料，在再生利用过程中，如果能加强碾压，使各颗粒间能够借助旧料表面残留的老化沥青膜重新起到粘结作用，将有助于提高再生混合料的强度。

4 结论

对比表1中的第2组和第3组试验结果可以看出，低温加热对旧料强度的提高作用并不明显。第4组的试验结果中，黏聚力明显增加，可能和长时间加热后沥青膜的老化导致粘度提高有一段的关系。第5组试验中，120℃的加热温度接近于热再生时旧料的加热温度，可以看出此时试件内部的黏聚力大幅度增加，表明此时旧沥青经过重新分布和裹覆，起到了更好的粘结效果，使试件的整体性进一步提升。因此，从充分发挥和利用旧沥青残留的粘结力效果角度来讲，热再生的效果要明显好于冷再生。

参考文献

[1]何德伟,韩占闯,胡永林,蒋应军.掺水泥乳化沥青冷再生混合料强度影响因素试验研究[J].路基工程,2019(03):73-77.

[2]孙斌,张嘉林.水份对乳化沥青厂拌冷再生混合料强度的影响研究[J].公路,2018,63(07):295-298.