摘 要

通过应力控制下的劈裂疲劳试验，分析了现场服役多年的乳化沥青冷再生混合料及室内新成型的乳化沥青冷再生混合料劲度模量衰减特征以及2类混合料疲劳破坏阶段的黏弹性特征；结合损伤分析，提出了在役冷再生沥青混合料和新成型冷再生混合料疲劳破坏准则；对比了不同车道的在役冷再生混合料和新成型冷再生混合料的疲劳寿命，结果表明，现场实际轴载作用次数的增加会导致冷再生混合料剩余疲劳寿命的降低，冷再生混合料在使用中存在疲劳性能增长过程。

关键词 乳化沥青 | 冷再生混合料 | 劲度模量 | 疲劳性能

乳化沥青冷再生混合料是指将需要维修的沥青路面，经过铣刨、回收、破碎、筛分，适当添加新集料和乳化沥青，重新拌和，形成的符合路用性能要求的一种沥青混合料[1]。乳化沥青冷再生混合料越来越频繁应用于旧路大修中，形成了一种新型的路面结构组合形式沥青网sinoasphalt.com。

在这种路面结构中，沥青路面的疲劳破坏同样是一种重要的破坏方式，而乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能对结构的疲劳具有重要影响，研究乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能对于分析这种影响具有重要的意义。许多学者[2-4]对乳化沥青冷再生混合料疲劳性能进行了研究，但主要针对于室内新成型的冷再生混合料，对现场服役多年的冷再生混合料的疲劳性能没有进行专门研究。

冷再生混合料在服役多年后，在行车荷载和环境的作用下，材料性能发生变化，与新成型的混合料相比，其疲劳性能可能会发生较大的变化。本文对从现场取回的在役乳化沥青冷再生混合料进行劈裂疲劳试验，分析其疲劳破坏特点，并与室内新成型的冷再生混合料进行对比，以更好地了解冷再生混合料承受实际轴载作用后的疲劳性能，为冷再生混合料的研究和应用提供参考。

1、试验材料与试验方法

1.1 试件准备

用于试验研究的试件分为两部分，一部分为取自昌九高速公路冷再生层的在役乳化沥青冷再生混合料试件，另一部分是按照昌九高速冷再生层的用料和级配在室内新成型的试件。

昌九高速公路双向四车道，连接南昌和九江两市。在2006年，昌九高速大修，接近100km路段使用了厂拌冷再生技术，这是在国内第一次将乳化沥青冷再生混合料大范围铺筑在高速公路沥青路面结构的高层位，现场路面结构及取芯位置如图1所示。

所研究的在役乳化沥青混合料试件钻取自行车道和超车道，取芯位置为轮迹带正下方。

现场钻取芯样直径为100mm±2mm，将取回的芯样切割成高度为4cm的试件，进行劈裂疲劳试验。

为了与现场在役冷再生混合料形成对比，本文在室内新成型了乳化沥青冷再生混合料，新成型冷再生混合料室内成型试件采用与昌九高速公路冷再生层相同的材料，包括相同的废旧沥青混合料(RAP)，相同的乳化沥青、水泥和矿粉，所使用的乳化沥青检测性能如表1所示。

级配设计上不断调整筛分好的粗、中、细3档RAP掺配比例，使室内新成型冷再生混合料级配与现场冷再生料一致，两者级配对比如图2所示。

在新成型冷再生混合料中，水泥质量分数取2％，不计入级配；最佳含水率(OWC)按照规范推荐的击实试验确定为3.8％；乳化沥青用量(OEC)与现场冷再生料相同，为3％；成型方法上考虑了现场冷再生料铺筑过程中的“二次压实”原理[5]，成型过程按照许严[6]提出的制作乳化沥青冷再生混合料马歇尔试件的拌和、养生和成型方法，成型出直径为(101.6±0.25)mm、高为(63.5±1.3)mm的标准马歇尔试件，并切割成高度为4cm的试件用于劈裂强度试验和疲劳试验。

1.2试验方法与试验指标

1.2.1劈裂强度试验

劈裂强度试验按照规范[7]进行，试验温度为15℃，试验仪器为Material Test System(MTS-810)材料试验机。每种类型冷再生混合料进行4次平行试验，取4次平行试验结果均值作为该种类型冷再生混合料劈裂强度值。

1.2.2疲劳试验

疲劳试验采用劈裂疲劳试验方法，试验仪器为MTS材料试验机。试验温度为15℃，加载频率为10Hz[8]，采用半正弦波连续加载和应力控制模式。在役冷再生混合料试件采用0.50、0.40、0.30、0.25共4个应力比，室内新成型混合料采用0.40、0.30、0.25共3个应力比。每个应力比下进行3次平行试验。试验过程中通过位移传感器测定试件水平径向变形。

1.2.3劲度模量

劲度是反映沥青混合料在给定温度和加载条件下的应力-应变关系的参数。各种因素实质上通过影响沥青混合料的劲度来影响其疲劳性能，研究沥青混合料劲度的变化规律对认识其疲劳性能具有关键作用。根据规范[7]，劲度模量计算采用下式：

2、行车道与超车道标准轴载作用次数差异

为了量化对昌九高速公路行车道和超车道冷再生混合料实际承受轴载作用次数差异，对昌九高速公路进行现场交通量调查。调查过程中将车辆类型分为三类客车(20至39座)、四类客车(≥40座)、一类货车(≤2t)、二类货车(2.1t至5t)、三类货车(5.1t至10t)、四类货车(10.1t至15t)、五类货车(≥15.1t)、一类集装箱(20尺货柜)、二类集装箱(40尺货柜)9种，每种车型对应不同的平均轴载换算系数。调查方式为室外拍摄，分别选取工作日和周末进行。后期对拍摄视频分车型进行统计，换算成相应的等效轴载作用次数，计算得到行车道的车道系数为0.864，超车道的车道系数为0.136。由统计结果可知，行车道冷再生混合料承受的累计交通轴载作用次数为超车道的6倍左右，两车道所承受的累计轴载作用次数差异明显。

3、在役乳化沥青冷再生混合料劈裂强度

现场两车道的在役乳化沥青冷再生混合料试件和新成型冷再生混合料试件劈裂强度试验结果汇总如表2所示。

由表2可得，取自行车道和超车道的2类在役冷再生混合料劈裂强度值接近，差异并不明显，但这2类在役冷再生混合料劈裂强度值却明显大于室内新成型的冷再生混合料。新成型冷再生混合料并未承受行车荷载作用，这说明冷再生混合料在铺设后性能有所提升，针对这一规律接下来结合疲劳试验分析结果进行进一步说明。

4、在役乳化沥青冷再生混合料疲劳性能

4.1 在役乳化沥青混合料疲劳破坏特点

对在役乳化沥青冷再生混合料进行了0.50、0.40、0.30、0.25共4个应力比下的劈裂疲劳试验，并绘制了不同应力比下的劲度衰减曲线，结果表明，在役冷再生混合料在不同应力比(S)下劲度模量有相同的衰减规律。现以S＝0.4时的劲度模量衰减曲线为例分析在役冷再生混合料的劲度衰减规律。S＝0.4时的劲度模量衰减曲线如图3a所示。

由图3a可以看出在役冷再生混合料劲度衰减分为3个阶段：①疲劳加载次数在700次以内的减速衰减阶段。在役冷再生混合料在铺设和服役过程中，所承受的荷载为垂直方向荷载，而室内劈裂疲劳试验加载模式相对于混合料来说是水平方向荷载，在水平方向上，在役冷再生混合料的非均匀性及微观缺陷仍然存在，在疲劳试验过程中，疲劳荷载对试件的压密及局部缺陷部位的应力集中使混合料产生了微细裂纹并逐渐扩展，形成小范围的局部疲劳损伤，导致已服役冷再生混合料劲度模量迅速衰减，但衰减速度随加载次数的增加而逐渐减小。②加载次数在700~11500次之间的劲度匀速衰减阶段。此时微裂纹逐渐积累，在役冷再生混合料内部局部缺陷区域内的高密度能量得到释放转移，混合料内部能量积累-扩散重新达到相对稳定的状态，劲度模量下降，速度与疲劳加载次数近似呈线性关系。③加载次数大于11500次的劲度加速衰减阶段。细微裂纹逐渐扩展直至相互贯通，混合料性能由于内部损伤的加剧而迅速劣化，试件劲度模量加速衰减直至试件完全开裂并失稳破坏。将在役冷再生混合料上述3个阶段分界点定义为拐点1和拐点2。

对新成型冷再生混合料进行了0.40、0.30、0.25共3个应力比下的劈裂疲劳试验，新成型冷再生混合料不同应力比下劲度模量衰减规律也相同。现以S＝0.3时的劲度模量衰减曲线为例进行分析，其衰减曲线如图3b所示。由图可得，新成型冷再生混合料劲度衰减曲线前2个阶段衰减规律与在役冷再生混合料相同：①加载次数在900次以内的劲度减速衰减阶段。该阶段新成型冷再生混合料劲度模量迅速衰减。②劲度匀速衰减阶段。该阶段新成型冷再生混合料劲度模量基本呈线性递减。需要注意的是，虽然新成型冷再生混合料劲度衰减曲线最后阶段也呈现出小范围的加速衰减特征，但由于该阶段加载次数过少，所以这个阶段不作为特征阶段进行分析，可以认为新成型冷再生混合料劲度衰减分为减速衰减和匀速衰减2个阶段，而后试件出现贯通裂缝、失稳破坏。将新成型冷再生混合料2个阶段分界点定义为拐点1。

在疲劳过程中沥青混凝土的损伤导致其劲度模量衰减，可用损伤量来度量其劣化程度[9]。

累计损伤量D定义为第n次加载时沥青混凝土劲度模量损失量与初始劲度模量之比。

根据Lemaitre损伤理论，单次荷载对沥青混凝土造成的损伤量为[10]

由图4可得，对于在役冷再生混合料和室内新成型冷再生混合料，其实验室加载疲劳损伤曲线均表现出和劲度衰减曲线相同的规律。在役冷再生混合料疲劳损伤分为3个阶段：①减速损伤阶段，该阶段损伤值D逐渐增大，但单次损伤值ΔD逐渐减小。②匀速损伤阶段，该阶段D线性增长，ΔD基本保持不变。③加速损伤阶段，该阶段ΔD迅速增大，D随着加载次数迅速增大。则在疲劳试验过程中，在役冷再生混合料疲劳损伤的变化规律可用劲度模量的变化规律来表示。

劲度模量减速衰减阶段是由于混合料压实过程及内部局部缺陷引起的，此时混合料还未进入稳定损伤阶段，因此将在役冷再生混合料疲劳破坏的起点定义为减速损伤阶段和匀速损伤阶段的转折点，在劲度衰减曲线上对应拐点1，该点后在役混合料进入稳定损伤状态；而疲劳破坏终点定义为匀速损伤阶段和加速损伤阶段转折点，在劲度衰减曲线上对应拐点2，在该点后，在役冷再生混合料劲度加速衰减，混合料已出现宏观裂缝，并加速破坏。

室内新成型冷再生混合料疲劳损伤表现为减速损伤阶段和匀速损伤阶段，其疲劳损伤的变化规律同样可用劲度模量的变化规律来表示。相应的，疲劳破坏的起点定义为减速损伤阶段和匀速损伤阶段的转折点，在劲度衰减曲线上对应拐点1；由于新成型冷再生料加速损伤阶段可以忽略，所以衰减曲线上不存在拐点2，其疲劳破坏终点定义为试件完全破坏(劲度变为零)。为直观比较，将在役及新成型冷再生料不同应力比下一次平行试验中得到的劲度衰减曲线汇总到图5。

由图可看出，超车道和行车道的冷再生混合料在不同应力比下均表现为三阶段衰减模式，室内新成型冷再生料在不同应力比下均表现为两阶段衰减模式。拐点1和拐点2分别对应冷再生混合料疲劳损伤起点和终点的位置，对劲度衰减曲线3个阶段进行线性拟合，通过3个阶段最佳线性拟合直线的交点来确定2个拐点的位置，具体方法如下：

(1)首先根据衰减曲线定出3个阶段分别对应的横坐标大致范围[K1，K2]。

(2)对3个阶段对应的[K1，K2]范围内数据点进行线性拟合，得到拟合函数相关系数R^2。

(3)不断调整[K1，K2]的范围，重复步骤(2)，找到拟合函数相关系数R^2最大值，此时[K1，K2]范围内数据点线性拟合直线即为对应的衰减阶段最佳线性拟合直线。

(4)3个阶段最佳线性拟合直线的交点对应的横坐标即为拐点1和拐点2对应的横坐标。

利用上述方法确定所有类型冷再生混合料不同应力比下3次平行疲劳试验得到的劲度衰减曲线的拐点位置，其中新成型冷再生混合料仅考虑拐点1。将劲度衰减曲线中拐点1所对应的劲度模量定义为Esp1，拐点2所对应的劲度模量定义为Esp2。拐点 1spl对应的劲度模量与初始劲度模量的比值定义为Esp1/Es0，拐点2对应的劲度模量与拐点1的相应比值定义为Esp2/Esp1。所有拐点对应的劲度模量及拐点间劲度模量比值汇总到表3。

为了便于比较分析，计算表3中Esp1/Es0与Esp2/Esp1的均值并将均值数据汇总到表4。

由表4及图5可得，取自超车道的在役冷再生混合料在不同应力比时初始劲度大小基本不变，拐点1和拐点2对应的劲度大小在不同应力比时也基本不变。行车道冷再生混合料初始劲度值、拐点1对应的劲度值、拐点2对应的劲度值随应力比变化也不明显。而新成型冷再生料初始劲度值、拐点2对应的劲度值随应力比变化明显：应力比变大，初始劲度值和拐点1对应的劲度明显降低。由此可得，在役冷再生混合料在承受行车荷载、充分老化后，在疲劳破坏阶段更多地表现出弹性特征，劲度模量对应力大小的敏感性减小；而新成型冷再生混合料破坏阶段劲度模量对应力敏感性高。

在同一应力比下，超车道冷再生料初始劲度值、拐点1对应的劲度值、拐点2对应的劲度值均大于行车道冷再生混合料。行车道和超车道冷再生混合料差异性更多地体现在实际承受的轴载作用次数上，可得实际轴载作用次数的增加会导致在役冷再生混合料劲度模量降低。由表1可得，在役冷再生混合料拐点1对应劲度值和初始劲度值的比值集中在37％~54％之间，均值为45％；拐点2对应劲度值与拐点1对应劲度值的比值集中在43％~49％，均值也在45％左右。由此可给出在役冷再生混合料疲劳破坏准则：劲度模量下降到初始模量45％时开始疲劳破坏；劲度模量下降到疲劳破坏起点(拐点1)劲度值45％时发生破坏。室内新成型冷再生混合料拐点1对应劲度值和初始劲度值的比值集中在32％~37％，均值在35％左右，则其疲劳破坏准则定为劲度模量下降到初始劲度35％时开始疲劳破坏；由于新成型冷再生混合料不存在拐点2，则试件完全破坏(劲度模量为零)时发生疲劳破坏。

4.2 冷再生混合料室内疲劳寿命及疲劳方程

按照4.1节提出的在役及新成型冷再生混合料疲劳破坏准则，确定2类冷再生混合料在不同应力比下的疲劳寿命。其中对于在役冷再生混合料而言，得到的疲劳寿命其实是混合料在承受现场实际轴载作用次数后的剩余疲劳寿命。不同混合料的疲劳寿命结果汇总如表5所示。

将表4中的数据绘制在双对数坐标上，如图6所示。

由图可得，2类冷再生混合料疲劳寿命和试件中心拉应力在双对数坐标上呈现很好的线性关系，则疲劳方程形式选定为

由图6可拟合得到在役及新成型冷再生混合料相应的疲劳方程。

由式(5)至(7)可以看出3类冷再生混合料疲劳方程相关性都很高，超车道冷再生混合料疲劳方程中系数k最大，行车道冷再生混合料次之，室内新成型冷再生混合料的系数k最小。由于k表征疲劳性能，k越大，表示混合料室内疲劳试验得到的剩余疲劳寿命越大。因此，可得在试件中心最大拉应力相同的情况下，超车道冷再生混合料剩余疲劳寿命大于行车道，这表明更多的轴载作用次数会导致在役冷再生混合料疲劳寿命降低。室内新成型冷再生混合料并未承受行车荷载作用，其疲劳寿命理论上应该高于在役冷再生混合料，但疲劳方程表明，新成型冷再生混合料疲劳寿命低于在役冷再生混合料，这说明乳化沥青冷再生混合料在铺设后服役过程中存在疲劳寿命增长过程。过往研究中[11-12]对不同泡沫沥青与乳化沥青冷再生混合料在实体工程运营后进行研究，发现冷再生混合料在运营2~5年内力学性能逐年增长，2~5年后达到稳定水平，本文的研究结果也和这一结论相吻合。这种情况可能是由于在役冷再生混合料中旧料与沥青的结合浸润和压密作用时间长，各界面黏结力较强，疲劳寿命长；而新成型冷再生料中旧料与沥青相互作用时间短，各界面间黏结作用较弱，疲劳寿命较短。

5、结论

(1)在役乳化沥青冷再生混合料劲度衰减可分为劲度减速衰减、劲度匀速衰减、劲度加速衰减3个阶段，3阶段的分界拐点可分别定义为疲劳破坏的起点和终点。新成型乳化沥青冷再生混合料则只有劲度减速衰减、劲度匀速衰减2个阶段。冷再生混合料在不同加载应力比条件下的疲劳损伤曲线与劲度衰减曲线变化规律相同。

(2)在役乳化沥青冷再生混合料在疲劳破坏阶段更多地表现出弹性特征，劲度模量对应力大小不敏感；而室内新成型冷再生混合料劲度模量对应力敏感性高。在轴载作用次数差异影响下，超车道冷再生混合料疲劳破坏各个阶段劲度值普遍大于行车道冷再生混合料，表明现场更多的轴载作用次数会导致冷再生混合料劲度模量降低。

(3)在役乳化沥青冷再生混合料疲劳破坏准则可定义为：当劲度模量下降到初始模量45％时开始疲劳破坏，劲度模量下降到疲劳破坏起点劲度值45％时疲劳破坏结束。室内新成型冷再生混合料疲劳破坏准则定义为：劲度模量下降到初始劲度35％时开始疲劳破坏，试件完全破坏时疲劳破坏结束。

(4)在试件中心最大拉应力相同时，超车道冷再生混合料剩余疲劳寿命大于行车道冷再生料；室内新成型冷再生混合料疲劳寿命低于在役冷再生混合料，说明乳化沥青冷再生混合料在铺设后服役过程中存在疲劳性能增长过程。