李宁 王中原 唐伟 袁守国 詹贺
摘 要：为研究既有沥青路面车辙状况下厂拌热再生路面的动态力学响应，本文通过现场获取不同车辙深度的路面芯样，并室内制备不同RAP掺量的厂拌热再生沥青混合料，通过动态模量试验评价材料的力学性能；
利用3D-Move Analysis有限元软件分析不同结构组合的厂拌热再生沥青路面动力响应。结果表明：动态荷载作用下，再生路面各沥青面层均出现了拉压交互和应力集中的现象，再生路面结构随着车辙发展深度的加深出现拉裂破坏等病害的风险增加，但一定的车辙发展深度有助于提高沥青路面的承载能力。RAP掺量和既有路面车辙发展深度的改变将会使路面结构的模量组合发生变化，再生路面结构力学响应受这两种因素影响较大。为减少再生路面结构的永久变形并提高其耐久性，应充分考虑再生层和既有路面中面层的模量组合，从而改善再生路面结构受力情况。
关键词：高速养护；
热再生路面；
力学响应；
RAP掺量；
车辙深度
中图分类号：U491
文献标志码：A
随着我国“双碳”建设目标的提出，节能减排、绿色低碳已经成为社会发展的必然方向。在作为碳排放重点行业的交通运输领域中，公路建设养护方面占比超84.1%，绿色转型的需求与日俱增［1］。沥青路面厂拌热再生养护技术不仅能够重新利用沥青路面废旧料（RAP-reclaimed asphalt pavement），节约矿料和沥青等不可再生资源，符合低碳的发展要求，而且适用层位广，施工工艺简单，因此应用也越来越广泛［2-3］。
厂拌热再生沥青路面结构组成与材料性质较为复杂，在荷载作用下的力学响应与新建路面或采用铣刨重铺技术养护的路面会存在一定差异，从而影响路面结构的设计［4］。因此，不少学者对厂拌热再生沥青路面的力学响应展开研究。WALDENMAIER等［5］发现热再生沥青混合料用于上面层有助于抵抗路面的永久应变。薛廖卿等［6-7］在测得厂拌热再生沥青混合料的抗压回弹模量后，通过弹性层状体系论证了其应用于大粒径透水性沥青路面的可行性，但该研究仅停留在静定荷载上，与路面实际承载状态有所差别。黄志义等［8］分析了在非均布移动荷载下厂拌热再生沥青路面的动力响应，得出拉压应变交替及应力集中是导致热再生路面容易发生疲劳破坏的原因。
然而，上述研究在分析厂拌热再生沥青路面力学响应时，并未考虑原有路面的实际性能状况，尤其在高温的南方地区，绝大部分高等级沥青路面都存在一定程度的车辙病害［9］。因此，为了分析在既有路面车辙状况下厂拌热再生路面的动力响应，本研究现场钻取不同车辙深度的沥青路面芯样，并室内制备不同RAP掺量的热再生沥青混合料，通过动态模量试验评价材料的力学性能；
利用3D-Move Analysis有限元软件分析厂拌热再生沥青路面的力学响应，评价路面车辙及RAP掺量对路面动力响应的影响。今后在高温车辙地区利用厂拌热再生技术进行养护时，研究结果有望对养护时机的选择及再生混合料的设计提供指导依据。
1 既有路面芯样动态模量试验及分析
1.1 芯样处理与试验
在江苏省某路段（路面结构为4 cmSMA-13+6 cmSUP-20+8 cmSUP-25）不同车辙深度的轮迹带处（3.4 mm，8.3 mm，10.6 mm，14.3 mm和18 mm）分别钻取4个直径100 mm，高度150 mm的沥青层芯样，用于单轴压缩动态模量试验，为厂拌热再生路面动力响应分析提供数据支撑。众多研究表明，在所有层位中，中面层为沥青路面车辙产生的主要层位［10-11］。因此按照LI等［12］的方法，将整体芯样的上、下端分别切除10 mm和20 mm，安装位移传感器于中面层处，如图1所示。试验結果主要表征中面层的动态模量。
参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011，下简称为规范）T0738［13］，利用UTM-25液压伺服机对芯样进行单轴压缩动态模量试验。试验采用应力控制模式施加半正弦荷载，温度顺序为-10、5、20、35和50 ℃，频率顺序为25、10、5、1、0.5、0.1 Hz。
1.2 动态模量主曲线分析
沥青混合料作为一种典型的黏弹性材料，具有明显的时温依赖性。根据时温等效原则［14］，可以将混合料不同温度下的动态模量进行平移至参考温度下，拟合成一条光滑的动态模量主曲线，得到更宽频率和温度范围内的动态模量。本文中以20 ℃为参考温度，选用Sigmoidal数学模型对不同车辙深度芯样的动态模量进行拟合，模型表达式见式（1），拟合结果见图2。
log（E*）=log（Emin）+[log（Emax）－log（Emin）]
1－1e10+logfrab（1）
式中：Emin为拟合的动态模量最小值，MPa；
Emax为拟合的动态模量最大值，MPa；
a，b为描述Sigmodal函数的形状因子；
fr为缩减频率，Hz。
由图2可以看出：在试验的中等频率范围内（0.1～10 Hz），随车辙深度的增加，芯样的动态模量先增加后降低，说明一定程度的车辙有助于提高沥青路面的承载能力。这可能是由于在车辙发展的初期阶段，沥青混合料在交通荷载的作用下被压实，致使空隙率降低，动态模量增大［12］。随着交通荷载的继续增加，混合料难以被进一步压实，但内部集料发生破碎，混合料骨架已经破坏，动态模量降低。在低频范围内，芯样的动态模量差别较大，但主曲线的斜率基本相等，低频对应高温，说明不同车辙路面抵抗高温应变的能力不同，但对应力的敏感程度相差不大。在高频范围内，路面芯样趋向于完全弹性体，车辙深度对芯样的动态模量基本无影响。
2 厂拌热再生混合料动态模量试验及分析
2.1 再生混合料试件制备
RAP料取自江苏某路段上面层SMA-13沥青混合料，取样时路面已服役11年，经预处理分为0～5、5～10、10～15 mm三档。按照规范T0722和T0725分别测定各档RAP料的油石比和集料级配，结果见表1。新沥青采用PG76-22型SBS改性沥青，性能指标如表2所示。新集料为玄武岩，矿粉为石灰岩。
设计的厂拌热再生沥青混合料类型为SMA-13，RAP掺量为0、30%和50%（RAP料比例为10～15 mm∶5～10 mm∶0～5 mm=3∶5∶2），混合料的合成级配如图3所示，根据马歇尔设计方法确定最佳油石比为5.8%。采用旋转压实仪成型直径150 mm，高170 mm的圆柱体试件，经钻芯切割后试件直径为100 mm、高度为150 mm。每种掺量制备4个试件，动态模量的试验方法及参数如前所述。
2.2 动态模量试验结果及分析
同样以20 ℃为参考温度，选用式（1）的Sigmoidal模型构建不同RAP掺量的厂拌热再生沥青混合料动态模量主曲线，结果如图4所示。在图右侧的中高频率范围内，随着RAP掺量的增多， 再生混合料的动态模量逐渐增大；
而在图左侧的中低频率范围内，RAP掺量为0和30%时，混合料的动态模量主曲线基本重合，但明显处于50%RAP掺量的再生混合料的下方，这是RAP能改善沥青混合料的高温抗车辙性能的原因。
3 厂拌热再生沥青路面动态力学响应分析
3.1 计算模型建立
采用3D-Move Analysis软件对厂拌热再生沥青路面进行动态力学响应分析。上面层设计为不同RAP掺量的厂拌热再生沥青混合料SMA-13，中面层设计为不同车辙发展深度的SUP-20。路面结构各层位参数如表3所示，动态模量数据来源于第1部分芯样动态模量试验和第2部分再生混合料动态模量试验结果。
建立的再生沥青路面有限层模型如图5所示，该模型将每个路面层视为连续统一体，并使用傅立叶变换技术处理复杂的表面载荷，如多个载荷和不均匀的轮胎—路面接触应力分布。该模型具有的基本假定：路基为弹性半空间体，路面各层为平面无限大的弹性层。
在现有模型情况下，参照文献［15］中提及车辆荷载接触形式。采用双轮胎串联轴重荷载，用4个正方形接触区域表示，单个轮胎面积为0.2 m×0.2 m，双轮之间的间距为0.37 m，前后轴距为1.22 m，如图6所示。采用两轴四轮荷载，半轴荷载为90 kN，单轮的平均轴重为22.5 kN。考虑到路面的不平整现象，假定接触压力在接触面积上是不均匀的。考虑车辆动荷载加载模式，通过控制作用时间来实现控制行车速度的效果，行车速度假定为20 km/h。
3.2 动态力学响应分析
在再生路面有限层模型的中心轴线上分别选取上面层层底、中面层层底、下面层层底、基层层底和土基顶面为计算点位。研究在移动荷载作用下各计算点位纵、横、竖向应变的时程变化，分析RAP掺量和车辙深度变化对路面结构力学响应的影响。
3.2.1 车辙发展深度对路面结构力学响应的影响
以30%RAP掺量厂拌热再生上面层为例，分析不同车辙深度中面层的路面结构的应变时程变化，如图7～9所示。从图7竖向时程变化图可以看出，中上面层承受拉压交互的竖向应变，其中中面层的拉压交互作用最强，在车辙发展深度为10.6 mm时达到最大值，同时也有应力集中现象的出现。中面层模量较高时，上面层和中面层产生的竖向应变均较大，增加了路面结构的竖向变形量。当沥青面层弯沉值超过极限要求时，易产生面层的断裂破坏。中面层不断压密导致上面层在相同荷载作用下承受较大压应变，易产生上面层的拉裂破坏［16］。中面层竖向压应变随着车辙深度的增加，先增大后减小，在车辙发展深度为10.6 mm时竖向应变最大。车辙发展过程会导致中面层不断压密，动态模量增加，承受竖向拉应变增加。当车辙发展深度大于10.6 mm时，中面层过于压密，部分破坏混合料骨架结构，抗车辙能力下降。
从图8纵向时程變化图可以看出，中、上面层均出现较为严重的拉压交互现象，且拉、压应变绝对值基本相同。其纵向应变随着车辙深度的增加呈现出先增加后降低现象，纵向最大压应变出现在10.6 mm车辙深度条件下的中面层，最大拉应变出现在10.6 mm车辙深度条件下的上面层（沥青再生层）。中面层在路面结构中主要起到抗剪切变形的作用，模量越高，抗剪切变形能力越强。当中面层材料的动态模量较高时，上面层采用模量较大的再生料时易产生较大的拉压交互现象，这时对沥青面层的疲劳性能有较高要求。
从图9横向时程变化图可以看出，中上面层主要承受横向拉应变，最大拉应变出现在车辙深度为18 mm条件下的上面层。上面层承受的横向拉应变随着车辙深度的增加而升高，主要原因是随着车辙深度的增加，中面层不断压密，中面层分担的横向应变减少，导致上面层承受更大的横向拉应变。中面层承受的横向拉应变随着车辙深度的增加先升高后降低，在车辙深度为10.6 mm时达到最大值。由于各层主要承受拉应变，因此主要出现拉裂破坏。
3.2.2 RAP掺量对路面结构力学响应的影响
以10.6 mm车辙深度中面层为例，分析不同RAP掺量上面层路面结构的应变时程变化，如图10～12所示。从图10竖向时程变化图可以看出，在路面结构响应分析过程中，中上面层主要承受竖向压应变，在车辆荷载驶离计算点位时出现少量竖向拉应变。中面层时程响应结果在小范围内出现轻微变化，上面层出现较大幅度的变化。上面层力学响应结果在RAP掺量为30%和0时基本一致，在RAP掺量为50%时应变值突增，达到了150 με，易产生上面层的拉裂破坏。同时中面层在50%RAP掺量时出现最大竖向应变。随着RAP掺量的增加，再生沥青混合料上面层模量不断增加，承受竖向应变的能力增加，但随着再生沥青上面层和车辙深度中面层模量差值的不断加大，沥青面层承受荷载的能力不均，易出现应力集中现象，导致再生沥青面层抗车辙能力下降。
从图11纵向时程变化图可以看出，中、上面层在移动荷载作用下均出现较为严重的拉压交互现象。随着RAP掺量的增加，再生沥青混合料路面结构纵向应变不断增加，在50%RAP掺量时达到最大值。在移动荷载作用下，再生路面结构拉压交互现象严重，上面层RAP掺量的提高不利于再生路面抗开裂性能，也对路面结构中面层抗剪切变形能力有较高要求。再生上面层和既有路面中面层的合理组合可有效提供可靠的模量组合来抵制病害的发生。
从图12横向时程变化图可以看出，随着RAP掺量的增加，再生路面上面层所受横向应变不断减少，中面层横向应变规律与RAP掺量变化相反，在50%RAP掺量时中面层横向应变达到最大值。再生上面层所能承受的横向应变减小，中面层分担的横向应变相应增加。在相同荷载作用下，随着上面层RAP掺量的增加，出现拉裂破坏的风险增加，主要原因是再生沥青上面层承受最大应变不断降低。
3.2.3 车辙深度与RAP掺量的耦合影响
分析RAP掺量和车辙深度两个因素耦合对厂拌热再生路面结构抗车辙变形能力的影响。不同RAP掺量再生路面上、中、下面层沥青混合料竖向压应力随车辙深度变化趋势如图13所示。
沥青层竖向压应力反映沥青混合料的永久变形量，竖向压应力越大，沥青混合料出现车辙变形的风险越大。由图13可以看出，车辙深度小于10.6 mm时，RAP掺量的增加可有效降低各沥青层竖向压应力，面层永久变形量下降，RAP掺量的增加有助于控制沥青材料的车辙变形。随着车辙发展深度的增加，各沥青层受力波动性较大，面层抗车辙变形能力下降，在车辙深度18 mm时达到最大值。在上面层为50%RAP掺量情况下，随车辙深度的竖向压应力有较大波动，导致面层抗车辙变形能力不稳定。
就抗车辙变形性能方面出发，在车辙发展深度小于10 mm时，因其路面结构稳定，可正常使用。车辙发展深度大约在10～15 mm时，车辙变形以中面层变形为主，再生面层在上面层RAP掺量不大于30%时表现稳定，中面层可继续使用。车辙发展深度大于15 mm时，整体路面结构动态力学响应紊乱，中面层已无法满足行车使用要求。RAP材料掺量在不大于30%时表现稳定，大于30%掺量时因整体路面结构波动性较大，路面养护进行大掺量再生时需更加全面分析处理。
4 结论
针对厂拌热再生沥青路面结构的动态力学响应分析，本研究通过动态模量试验评价不同车辙深度的沥青路面芯样和不同RAP掺量的热再生沥青混合料的力学性能；
以此为数据依据，利用3D-Move有限元软件分析不同组合的厂拌热再生沥青路面的力学响应。得到如下主要结论：
1）一定程度的车辙有助于提高沥青路面的承载能力，不同车辙发展深度沥青路面抵抗高温变形的能力不同。车辙深度大于10 mm时，混合料内部集料发生挤压破碎，部分破坏混合料骨架，既有路面结构抗车辙能力逐渐下降。
2）RAP掺量的提高有利于增强再生沥青混合料的抗车辙变形能力，同时RAP掺量的增加也会导致再生路面结构出现拉裂破坏的风险增加。RAP掺量不大于30%时，再生路面结构力学响应较为稳定，大掺量再生养护时路面结构力学响应波动较大，大掺量再生养护选用时应多方面考量。
3）在移动荷载作用下，50%RAP掺量上面层和车辙深度在10.6 mm时路面结构承受最大应变，对再生路面结构层的抗开裂性能要求较高。在路面养护施工过程中，应注意RAP掺量与车辙深度的合理组合，以利于改善路面结构受力。
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（责任编辑：曾 晶）
Mechanical Response Analysis of Plant-Mixed Hot Recycling Asphalt
Pavement Considering Rutting Condition of Existing Pavement
LI Ning1， WANG Zhongyuan*1， TANG Wei1， YUAN Shouguo2， ZHAN He1
（1.College of Civil and Transportation Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China; 2.Jiangsu Xiandai Road and Bridge Company Limited， Nanjing 210016， China）
Abstract：
In order to study the dynamic mechanical response of hot recycled asphalt pavement under rutting conditions， the author obtains the pavement core samples with different rutting depths in the field， prepares the plant-mixed hot recycling asphalt mixture with different RAP contents in the laboratory， and evaluates the mechanical properties of the material through the dynamic modulus test. The dynamic response of hot recycled asphalt pavement with different structure combinations is analyzed by 3D-Move Analysis finite element software. Under the dynamic loading， each asphalt surface layer of the regenerated pavement shows the phenomenon of tension-compression interaction and stress concentration， and the risk of the regenerated pavement structure developing such diseases as tensile cracking damage increases with the deepening of the rutting development depth， but a certain rutting development depth helps to improve the bearing capacity of the asphalt pavement. Changes in the RAP admixture and the depth of rut development of the existing pavement will cause changes in the modulus combination of the pavement structure， and the mechanical response of the recycled pavement structure is strongly influenced by two factors. To reduce the permanent deformation of the recycled pavement structure and improve its durability， the modulus combination of the recycled layer and the existing pavement medium surface layer should be fully considered， to improve the force situation of the recycled pavement structure.
Key words：
highway maintenance; hot recycled pavement; mechanical response; RAP dosage; rutting depth
收稿日期：2022-05-10
基金項目：中央高校基本科研业务费教师项目（B210202050）；
江苏现代路桥有限公司科技项目（2021JKY18）；
江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX21_0496）
作者简介：李 宁（1983—），男，副教授，博士，研究方向：绿色环保型路面养护技术研究，E-mail：lining24@hhu.edu.cn.
通讯作者：王中原，E-mail：1105988713@ qq.com.