冷拌沥青混凝土蠕变特性研究

摘 要：冷拌沥青混凝土（CMA）相比传统热拌沥青混凝土（HMA）具有能耗低、无污染、便于生产且对骨料及摊铺温度要求低等优势。本文采用诺丁汉沥青混凝土试验仪（NAT）和英国标准通过间接抗拉强度实验（ITSM）和重复轴向荷载实验（RLAT）对冷拌沥青混凝土的蠕变性能做了一定的研究，探讨了温度和应力对蠕变性能的影响，为今后大规模推广应用冷拌沥青混凝土提供了有价值的参考。

关键词：冷拌沥青混凝土；蠕变曲线；温度；应力

中图分类号：TU528文献标识码： A 文章编号：

1、引言

随着我国国民经济的持续高速发展，国家在基础设施领域取得了举世瞩目的成就。截止2011年底，我国现已拥有公路总里程约为410万公里。公路网络极大地方便了人们的出行和货物的流通，促进了经济健康快速发展，与此同时，作为主要路面材料的热拌沥青混凝土所带来的高能耗，高污染和维护保养等问题也给政府相关部门和工程界带来了严峻的挑战。

2、简介

传统热拌沥青混凝土拥有力学特性好、可靠性高等优点，但是缺点同样明显，例如生产过程能耗高、骨料干燥度要求高且摊铺温度高。冷拌沥青混凝土是指在常温或远低于传统沥青混凝土拌合温度下进行拌合的沥青混凝土，其无需庞大复杂的专业拌合站，在现场即可以拌合生产，省去了代价高昂的运输过程，且对摊铺时间没有要求。

根据沥青粘结剂的不同可以分为乳化沥青混凝土和泡沫沥青混凝土。无论采用乳化沥青还是泡沫沥青，沥青粘结剂中都还有大量的水，与骨料拌合后水分逐步蒸发，粘结剂与骨料结合，强度逐渐增长，所以拌合过程中对骨料的含水量无严格要求，摊铺成型后防水性能好，且可以回收利用现有老化路面的面层材料用于生产新的混凝土。由于冷拌沥青混凝土特殊的工作机理，导致其强度相对较低，且养护期（强度增长期）时间较长，为了改善力学性能，冷拌沥青混凝土通常采用改性沥青。

车辙是几乎所有柔性路面都会面临的主要病害，尤其是在夏季温度较高的国家和地区。车辙主要与路面材料的蠕变性能相关，工程中通常采用最小蠕变率和最大应变量来评价材料的蠕变性能，研究路面材料的蠕变性能有助于加深对车辙现象的理解和病害的防治。本文主要通过实验得到不同温度（20℃、30℃、40℃）和应力（100KPa、200KPa、300KPa）条件下冷拌沥青混凝土的刚度模量以及最小应变率等蠕变曲线数据，以便评估温度、应力和蠕变性能之间内在的关系。实验结论和成果将有助于为今后更深入的研究和推广冷拌沥青混凝土提供参考和依据。

3、实验过程

3.1 设备

本次实验选用ITSM实验和RLAT实验来测试和评价冷拌沥青混凝土的力学性能。ITSM和RLAT实验均采用NAT实验仪完成。NAT实验仪由诺丁汉大学根据英国标准（British Standard）在上世纪八十年代研制，在英标体系中被广泛应用于ITSM、RLAT和ITFT（间接疲劳拉伸实验）等力学实验。NAT的主要构成如下图：

图1NAT结构图

3.2 试样

为了模拟实际使用状态，本实验采用已经使用约5年的DBM路面沥青混凝土的回收料（RAP）用以制备试样，其骨料来源自英国莱斯特郡克里夫山料场。

本实验采用Nynas Asphalts公司生产的乳化沥青作为沥青粘结剂。沥青粘结剂（60%沥青：40%水）在室温下保存了1个月，针入度为48dmm，软化点为51.4℃，占混合料质量百分比为4.25%。沥青粘结剂被加热到160℃并在接下来的2天中逐步冷却，最终沥青的针入度下降到14dmm，此过程用于模拟沥青老化过程，使实验更贴近材料实际使用状态。

由于RAP骨料级配曲线不在标准的级配低限和高限内，本实验通过添加粉料和填充料将混合料级配曲线调整至规定范围内。混合料级配曲线见图2。

根据实验规程要求，试样的直径应为100mm或者150mm，高度在30mm至80mm之间。本次实验采用旋转压实仪将粘结剂和骨料充分拌合并制备成直径约100mm厚度约50mm的圆柱状试样，试样体积密度为2333Kg/m3。所有试样在35℃的恒温箱中养护14天，待强度增长后分别进行ITSM和RLAT实验。

图2混合料级配曲线

3.3 实验过程

所有试样先进行ITSM实验，然后继续进行RLAT实验。ITSM实验属于非破坏性实验，不会对后续实验结果产生不良影响。ITSM实验采用英国BS DD 213：1993实验规程，RLAT采用BS DD 226：1996实验规程。具体实验规程要求参加英国标准相关条款。

为了评价温度和应力对冷拌沥青混凝土蠕变性能的影响，实验被设计为以下形式：

总共27个试样分别编号，并在3个温度（20℃、30℃、40℃）和3个应力（100KPa、200KPa、300KPa）条件下被分为9组，每组3个试样。

实验前将所有试样称重，并量取各试样尺寸，确保所有试样符合要求。

在20℃条件下进行ITSM实验，并记录相关数据。ITSM实验相关参数如下：竖向荷载0.92KN；水平向应力126KPa；荷载面积系数0.6；水平向变形5μm；泊松比0.35；上升时间124ms。

将NAT的温度调整到指定温度，对试样施加600秒10KPa的预载，将应力设置在指定大小开始正式加载。每个荷载周期为2s，每次加载持续时间为1s，卸载持续时间为1s，如此循环往复，最终在第1800次周期完成后结束实验。

实验完成后每组试样的各项实验数据取平均值以消除误差及偶然因素的影响。

4、实验结果

经过14天35℃恒温环境的养护，所有试样的平均刚度模量仅为1645MPa。实验得到的蠕变曲线如下图所示：

图3混合料蠕变曲线

5、结论

（1） 相对于传统热拌沥青混凝土，冷拌沥青混凝土强度较低，且所需养护时间长。

（2） 对实验数据进行处理后，最小蠕变率和温度及应力的关系可以粗略地按以下等式进行描述：

MCR = [-1.2346T-0.09S+0.0225T2+0.0018T×S+1.84S2×10-4+19.7153] ×10-4

总应变量TS与温度和应力的关系如下：

TS = -0.0464T-0.011S+0.0017T2+0.00024T×S+2.94×10-5S2+0.9034

其中： MCR—最小蠕变率

TS—总应变量

T—温度

S—应力

由上式可知，冷拌沥青混凝土蠕变性能对温度更为敏感，20℃时力学性能最佳，其适宜的服役温度介于30℃和40℃之间。

6、结束语

现阶段受限于材料力学性能，冷拌沥青混凝土还未能大规模应用，仅限于一些规模较小的路面修补工程和附近缺乏热拌沥青混凝土拌合站的低等级道路项目。但是，相对传统热拌沥青混凝土，冷拌沥青混凝土作为一种清洁、低能耗和低成本的新技术，随着我国建设节能环保型社会进程和相关研究工作的深入，相信其力学性能将逐步得到改善，应用范围将拓展到新建项目和旧路改造维修项目等多个领域，冷拌沥青混凝土必将作为今后主要的路面材料而得到推广！

参考文献:

[1] Atakan Aksoy & Erol Iskender, (2008), ‘Creep in Conventional and Modified Asphalt Mixtures’, Transport 161 Issue TR4

[2] Richard Taylor, Gordon Airey, (2008), ‘Polymer Modified Bitumen’, Asphalt Professional

[3] Sri Sunarjono, Ir., M.T, (2008), ‘The Influence of Foamed Bitumen Characteristics on Cold-mix Asphalt Properties’, PhD Thesis, The University of Nottingham

[4] Jitareekul, P, (2009), ‘An Investigation into Cold In-Place Recycling of Asphalt Pavements’, PhD Thesis, The University of Nottingham