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利用声发射（AE）研究再生沥青路面（RAP）量对沥青混合料低温开裂性能的影响
摘要：近年来，沥青摊铺成本的显着增加和对可持续基础设施的认识不断提高，在热混合沥青（HMA）的生产中增加了对再生沥青路面（RAP）的使用。 RAP的使用降低了HMA的总体成本，并带来了显着的环境效益。但是，经验表明，向HMA中添加RAP会对路面的低温断裂特性产生负面影响。这项研究的目的是确定RAP量对沥青混合料低温裂解性能的影响。研究了RAP材料的不同百分比，范围从0％到50％。使用新开发的声发射（AE）测量技术确定混合物的脆化温度（TEMB）。在这项研究中，使用了ASTM D7313-07b中标准化的圆盘状紧密拉伸[DC（T）]试验来表征混合物的断裂能。在各种沥青混合料上进行了DC（T）断裂试验，即：两种没有RAP的对照混合物和含有10％，20％，30％，40％和50％RAP的混合物。对照和RAP混合物均使用PG 64-22和PG 58-28作为原始粘合剂生产，使测试的混合物总数达到十二种。除了DC（T）断裂测试外，还对包含20％和40％RAP的HMA标本进行了间接拉伸测试（IDT，AASHTO T-322），该测试广泛用于预测沥青混合物的低温性能。
AE测试结果清楚地表明了混合物中RAP材料的存在对TEMB的影响。观察到，与对照混合物相比，含有RAP的混合物具有更高（更暖）的TEMB值。 DC（T）断裂试验结果表明，含有超过10％RAP的沥青混合料的断裂能显着降低。出乎意料的是，对于用PG 64-22原始粘合剂生产的混合物，最初观察到的断裂能略有增加，因为RAP含量从10％变为30％，然后随着RAP量的增加，断裂能略有下降。从30％到50％。加入RAP后，沥青混合料的粘弹性特性发生了显着变化。通常，观察到松弛行为的减少和刚度的增加。这项研究证明了在向沥青混合料中添加RAP之前进行断裂测试的好处，并证明了基于AE的测试程序用于筛选在低温下易破裂的混合料。
介绍
再生沥青路面（RAP）是热拌沥青（HMA）中最常用的副产品，也是美国回收利用最多的材料。路面材料的回收已被证明是修复旧路面的一种经济可行的方法。利用RAP材料的经济利益可以通过腾出资金进行更多的高速公路建设，修复，养护或维护，极大地推动高速公路行业的发展。近年来，出于对环境和可持续性的关注，也出现了更强的鼓励回收的动机。公众越来越意识到需要通过循环利用来保护自然资源。通过减少新沥青混合料（1）生产所需的原始材料量，RAP的使用可以实现可持续发展并节省成本。
尽管有这些好处，但混合物中过量的RAP会对路面性能产生不利影响。肖等。 （2）报告说，加入15％RAP会显着提高混合物的刚度。近年来，随着沥青价格的不断上涨，人们对使用更高含量的RAP产生了极大的兴趣。目前，美国各地的RAP利用率差异很大，但估计沥青混合物中RAP的平均含量约为15％（3）。
一般认为，用RAP材料建造的路面比原始混合物更容易开裂，这通常归因于试图将风化，时效硬化的材料与原始材料结合而产生的硬化和脆化效果。仔细的RAP混合物设计将通过考虑老化的粘结剂刚度，原始粘结剂刚度以及最终共混物中存在的这两种粘结剂组分的比例来实现适当的粘结剂刚度。广泛的研究已针对表征含有RAP的路面的低温特性（1）。
当前的研究探讨了RAP量对沥青混合料低温断裂性能的影响。在五个RAP水平和两个原始粘合剂来源的背景下，进行了带有RAP的HMA的低温断裂性能研究。使用PG 64-22和PG 58-28原始粘合剂研究了10％，20％，30％，40％和50％的RAP水平。进行了盘状致密拉伸[DC（T）]断裂试验，以确定混合物的断裂能。除DC（T）试验外，还对包含20％和40％RAP的HMA样品进行了Superpave间接拉伸试验（IDT），该试验被广泛用于预测沥青混合物的低温性能。
一种新开发的基于声发射的测试方法被用来评估混合物的低温行为。声发射（AE）现象是指由固体介质中的局部应力（应变能）的突然释放引起的瞬态弹性机械波的产生。当材料受到机械或热应力到由于微破裂而发生非弹性变形的程度时，它会发出这些瞬态弹性机械波。裂纹扩展过程中的AE能量来自裂纹周围的应力场，该应力场随裂纹的传播而瞬间松弛。声能的散发是由于裂纹尖端的瞬时不稳定性和突然运动以恢复平衡所致。发射的AE弹性波从光源向外传播，可以使用安装在样品表面的灵敏压电传感器进行检测。 AE用于评估沥青材料的历史可以追溯到几十年前。 Khosla和Goetz（4）使用AE技术在低温下检测间接拉伸（IDT）标本中的裂纹萌生和扩展。 Hesp等（5）使用AE测量在低温（-20℃至-32℃）下检测受约束试样中的裂纹萌生和扩展。他们得出的结论是，与未经改性的混合物相比，经SBS改性的混合物产生的AE活性较低。 Apeagyei等（6）和Behnia等（7）利用AE测量的脆化温度来评估AE技术在沥青胶结料低温表征中的适用性。
在本研究中，AE方法用于确定沥青混合料的脆化温度。在这种测试方法中，通过将沥青混合物样品置于环境温度至-50oC的温度范围内进行冷却，从而引起热应力。随着样品冷却，材料的断裂行为逐渐从韧性转变为脆性，从而使裂纹易于传播。试样中逐渐升高的热应力导致形成热裂纹，并伴随着以瞬态弹性机械波形式释放的弹性能。混合物的所谓“包埋”温度定义为大多数声发射活动开始的温度。假设该温度是基本的材料性能，表明从韧性和准脆性断裂行为状态到高度脆性状态的相变，在高温和交通负荷下宏观裂纹很容易传播。
实验程序
这项研究的主要目的是研究RAP量对沥青路面低温性能的影响。为了实现这一目标，在先前的研究中，从位于伊利诺伊州西部的72号州际公路（I-72）获得的RAP材料被选择（1）。不完整的记录可用于评估与该RAP材料相关的原始设计和材料，因此进行了法医测试。根据AASHTO T319测试程序，对RAP样品进行沥青粘合剂的提取和回收，以确定RAP粘合剂的含量，并评估提取的RAP粘合剂的流变性。根据Superpave指定程序（AASHTO T315-03）的建议，使用动态剪切流变仪[DSR]对回收的粘结剂进行测试，以确定复数模量，以测试短期老化（RTFO老化）沥青粘结剂。根据64°C下的DSR测试结果，对于提供的RAP样品，RAP粘合剂的复数模量，相角和车辙参数如下：G * = 94.03 kPa，delta;= 66.60°，G * / sin（delta;） = 102.49 kPa。另外，从提取测试结果中，RAP粘合剂含量被确定为3.91％。 RAP粘结剂提取产生干净的骨料样品，该样品用于使用AASHTO T27-88程序（8）确定RAP骨料的等级。图1（a）和1（b）分别显示了粘合剂萃取之前的RAP材料和粘合剂萃取中的清洁骨料副产物或残留物。还进行了筛分分析以确定RAP的聚集等级。
图1：（a）RAP材料； （b）提取的RAP总量
沥青混合料的标称最大集料尺寸为19 mm，目标沥青含量为5.9％，RAP量占混合料总重量的0％至50％，构成了本研究实验设计的基础。 使用标准桶混合程序在155℃下进行混合。 表1中列出了有关RAP和原始成分数量的详细信息。使用命名系统显示了本研究中的各种混合物，该系统显示了原始沥青结合料的等级以及RAP的数量。 例如，“ 64-20％”表示用PG 64-22原始粘合剂制造的沥青混合物，由占混合物总重量的20％RAP组成。
表1. RAP混合物的混合物设计
为了评估RAP混合物的低温断裂特性，根据ASTM D7313-07在-12°C下对所有混合物进行了盘状致密拉伸[DC（T）]测试（9）。通过裂纹口处的开口位移来控制DC（T）测试的加载速率。恒定的裂口张开位移（CMOD）速率为1 mm / min。 DC（T）标本示意性地显示在图2（a）中。通过计算Load-CMOD曲线下的归一化面积来确定样品的断裂能。进行归一化以获得获得单位断裂面积所需的断裂能。
此外，使用间接拉伸（IDT）蠕变测试进一步研究了这些混合物的低温性能。对含有20％和40％RAP的混合物进行IDT测试。根据AASHTO T322测试程序，使用三个测试重复进行测试（10）。通过施加静载荷1000秒钟，在0，-10和-20°C下进行了蠕变测试。使用在样品中心测得的水平和垂直变形确定蠕变柔度。应仔细选择施加的载荷，以使在蠕变测试期间，载荷引起的水平应变和垂直应变保持在线性粘弹性范围内。在开始蠕变测试后30秒钟测量诱导应变，并与允许的下限和上限进行比较，以确保在线性材料响应范围内进行测量。通过时间-温度叠加生成蠕变柔量主曲线。使用显示拟合函数的方程（1）将幂律模型拟合到主曲线。
D(t)D0 D1tm (1)
使用最小二乘拟合程序确定参数D0，D1和m。 幂律的m值与粘弹性材料的蠕变变形率和应力松弛率有关。 图2（b）示意性地说明了用于IDT测试的样品。
图2：（a）盘状紧凑张力[DC（T）]试样（b）间接拉伸试验（IDT）试样（c）AE试验装置（d）AE混合物试验试样
AE测试是在50毫米厚的半圆形150毫米直径的压实样品上进行的。选择半圆形几何形状以利用为IDT和DC（T）测试制造的样品。图2（d）显示了AE标本的几何形状和建议的尺寸。将准备好的样品放在金属板上的冷却室内。在这种设置中，金属板充当散热器，周围是干冰作为冷却剂（图2（c））。在将样品从环境温度冷却至-50℃的同时，监测沥青混合物样品的声发射活性。沥青胶泥和混合物中的骨料之间的不同热膨胀系数在胶泥内逐渐产生更高的热应力，最终导致热微裂纹的形成。在材料的微裂纹过程中，会产生瞬态弹性应力波（AE），该弹性应力波从AE源向外传播，并且可以使用安装在样品表面上的灵敏压电传感器进行检测。在本研究中，使用标称频率范围为50 kHz至1.5 MHz的宽带AE传感器（Digital Wave，型号B1025），并使用高真空油脂将其耦合到样品表面。使用宽带前置放大器将AE传感器的信号前置放大20 dB。然后，将信号进一步放大21 dB（总计41 dB），并使用20 kHz高通双极滤波器和断裂波检测器（FWD）信号调理单元对信号进行滤波。使用采样频率为2 MHz的16位模数转换器（ICS 645B-8）将AE信号数字化。然后将数字数据存储起来，以使用Digital Wave软件（WaveExplorerTM V7.2.6）进行后续处理。图3中提供了AE系统设置的示意图。使用位于样品顶部（6）的K型热电偶监控和记录测试温度。
图3. AE系统设置的示意图
声发射测量结果通常包含大量不需要的噪声，例如包括电子噪声在内的无关数据。为了使噪声量最小，在计算了AE事件的能量后，将能量低于100V2-mu;s的AE事件活动滤除。此外，在启动AE测试之前对AE压电传感器进行温度调节可显着降低噪声（11）。为了研究由于热负荷引起的沥青混凝土中微裂缝的声发射响应，将AE事件计数和相应的AE能量与温度作图，如图4所示，这是本研究的典型结果。图4显示，在每个AE测试的开始阶段，都有一个未记录声发射活动的区域。该区域被称为“预开裂区域”。在此预开裂区域中，热诱导应力逐渐在样品内部累积，直到材料开始破裂。一旦热应力超过材料强度，样品中就会发生微裂纹。可以通过相应的AE活性（即一簇高能机械应力波）来检测这种微裂纹。如图4所示，与具有第一峰值能量水平的事件相对应的温度已被称为脆化温度或TEMB。
图4. AE事件计数和AE事件能量与温度的典型关系图
结果与讨论
使用DC（T）断裂试验确定了含有RAP的混合物以及对照（原始）混合物的断裂能。图5（a）和5（b）分别总结了含有PG 58-28和PG 64-22作为原始粘合剂的混合物所获得的结果。对于使用PG 58-28作为原始粘合剂的混合物，添加RAP会降低材料的断裂能；反之，当RAP量超过10％时，断裂能会大大降低。例如，从10％的RAP到20％的RAP，观察到断裂能下降了59％。如果RA
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