沖擊荷載下橡膠改性瀝青混凝土的動力學性質

摘 要：采用分離式Hopkinson壓桿（Split Hopkinson Pressure Bar， SHPB）試驗，探討了沖擊荷載下橡膠改性瀝青混凝土的動力學性質.試驗結果與分析顯示：在沖擊荷載作用下，橡膠的加入可以使瀝青混凝土的塑性明顯增強.瀝青混凝土的動力強度與沖擊韌性都是溫度與應變率的函數，材料在常溫25 ℃時的強度與韌性高于在低溫-20 ℃及高溫60 ℃時的值，材料強度與韌性隨應變率的增大而單調提高，橡膠的加入一般可以提高材料強度與韌性，幅度分別最大超過200%與接近200%.橡膠改性瀝青混凝土良好的抗沖擊性能源于混凝土內部的“石料-橡膠顆粒-石料”剛柔相間接觸模式，橡膠摻量存在使材料抗沖擊性能最優的值，對于本文研究所用材料這個摻量約為瀝青質量的20%.

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關鍵詞：瀝青混凝土；橡膠改性；SHPB試驗；動力強度；沖擊韌性

中圖分類號：U416.217 文獻標識碼：A

Dynamic Properties of Crumb Rubber Modified Asphalt

Concrete under Impact Loading

ZENG Meng-lan， HUANG Hai-long， PENG Liang-qing， WU Sheng-hua

(College of Civil Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China)

Abstract:The Split Hopkinson Pressure Bar (Split Hopkinson Pressure Bar， SHPB) test was done to investigate the dynamic properties of crumb rubber modified asphalt concrete under impact loading. Test results and analyses have indicated that the addition of rubber can notably increase the plasticity of asphalt concrete. Both dynamic strength and impact toughness are functions of temperature and strain rate. The strength and toughness have higher values at 25 ℃ than those at -20 ℃ and 60 ℃ while increasing monotonically with the increase of strain rate. The addition of rubber can enhance the strength and toughness of the material by more than 200% and nearly 200%， respectively. The superior performance of rubber modified asphalt concrete under impact loading comes from the \"stone-rubber-stone\"， i.e.， rigid-flexible- rigid， contact made in asphalt concrete. There exists an optimized rubber with respect to the anti-impact performance of the material， which is about 20% by the mass of asphalt binder.

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Key words:asphalt concrete； crumb rubber modification；Split Hopkinson Pressure Bar （SHPB） test； dynamic strength； impact toughness

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瀝青混凝土廣泛應用于道路工程、防水工程和水利工程，其在使用過程中除了承受經常的靜荷載的作用外，還可能承受沖擊、爆炸等動荷載的作用.以道路工程應用為例，瀝青混凝土材料除承受變化緩慢的準靜態荷載外，由于路表的凹凸不平，車速的增大，時常還承受車載行進過程中劇烈的沖擊作用［1-2］.此外，在自然災害、意外事故、恐怖襲擊或戰爭等非常條件下，鋪面則可能受到較設計考慮大得多的荷載的瞬時作用，即沖擊荷載或高應力波的作用.瀝青混凝土在此類高應變率作用下柔性降低脆性增加，其特性受應力波傳播效應、慣性效應等的影響，與靜態、準靜態下的力學參數有很大的差別.

橡膠改性瀝青是將廢舊輪胎原質加工成為橡膠粉粒，按一定比例加入基質瀝青，在180 ℃以上的高溫條件下充分拌合而成的改性瀝青膠結材料.用橡膠瀝青與礦物集料拌和生產的瀝青混凝土具有良好的高溫穩定性、低溫柔韌性、抗老化性、抗疲勞性、抗水損壞性等性能［3-4］.同時，由于橡膠的存在，橡膠改性瀝青混凝土又潛在良好的抵抗沖擊荷載的能力.

以往對瀝青混凝土的研究工作大都在靜態、準靜態條件下進行，對材料在動力荷載作用下的研究相對較少.近年來，一些學者已經開始從不同角度對瀝青混凝土的動力性能進行了探索性研究［5-6］.本文擬通過SHPB試驗，研究沖擊荷載下橡膠改性瀝青混凝土的動力學性質.

1 試驗材料與試樣制作

1.1 橡膠改性瀝青制備

橡膠改性瀝青混凝土試件制作的第一步是橡膠改性瀝青的制備.瀝青的橡膠改性已經是一項成熟的技術，本文的研究采用目前普遍使用的McDonald濕法制作工藝.基質瀝青為常用70號A級道路石油瀝青，參考橡膠瀝青相關文獻與規范［7-8］，橡膠粉采用細度為40目的斜交輪胎粉碎物，采用3個摻量，分別為瀝青質量的15%，20%，25%，制備工藝參數和指標見表1.

1.2 橡膠改性瀝青混凝土配合比設計

本文的研究采用了兩種瀝青混凝土，一種是作為比較基礎的普通瀝青混凝土AC-13，另一種是不同摻量橡膠改性瀝青混凝土RAC-13，分別采用未改性70號A級道路石油基質瀝青與不同摻量的橡膠改性瀝青.瀝青混凝土集料為玄武巖，級配滿足現行《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）［9］要求.根據JTG F40規范，混凝土配合比設計采用馬歇爾方法，普通瀝青混凝土AC-13最佳瀝青用量為5.0%，不同摻量橡膠改性瀝青混凝土RAC-13最佳

1.3 橡膠改性瀝青混凝土試件制作

為滿足沖擊試驗要求，橡膠改性瀝青混凝土試件制作采用靜壓成型方法，試件尺寸為Φ70 mm×35 mm.

2 SHPB試驗

分離式Hopkinson壓桿（Split Hopkinson Pressure Bar， SHPB）可以用來測定材料在一定應變率范圍的動態應力-應變行為，已經被證明是研究材料在沖擊荷載作用下行為的有效手段［10-12］.本文研究試驗采用Φ74mm變截面SHPB裝置，由壓桿系統、數據測量采集系統和數據處理系統組成.其中壓桿系統由子彈（撞擊桿）、入射桿、透射桿和阻尼器（吸收桿）等組成，圖1為試驗裝置示意.

試驗時，子彈在高壓氣體的推動下以一定速度撞擊入射桿，在入射桿中產生入射波，入射波到達試件時分成兩部分，一是向前傳遞透射波，二是逆向回彈反射波，同時應變片將分別測出入射桿與透射桿的應力應變值，并將信號輸出至示波器中，通過數據處理系統得出試件的應力應變曲線.

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圖1 SHPB試驗裝置示意

Fig.1 Schematic illustration of SHPB test device

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對于普通瀝青混凝土AC-13與不同摻量橡膠改性瀝青混凝土RAC-13，考慮溫度對路面使用性能的影響，試驗選取了路面使用環境典型的3個溫度，即冬季-20 ℃、常溫25 ℃、夏季60 ℃.各溫度下采用3個應變率，分別為25/s，60/s和110/s.對于每種材料，不同溫度與應變率組合，至少進行3個平行試驗，取平均值作為結果進行分析.

3 試驗結果與分析

3.1 試件行為

沖擊荷載作用下，瀝青混凝土試件的行為可以分為4種模式，分別為表觀完好、不同程度塊裂、完全碎裂及不同程度壓縮，如圖2所示.表2為所用瀝青混凝土試件在不同溫度、不同由表2可見，溫度對瀝青混凝土的破壞模式有一定影響.在低溫-20 ℃下，試件易發生脆性的不同程度塊裂或完全碎裂；在高溫60 ℃下，試件呈現不同程度的塑性壓縮；常溫25 ℃時的情況介于兩者之間.

應變率對瀝青混凝土的破壞模式也有一定影響.在25/s低應變率下，所用瀝青混凝土試件在各個溫度下均能保持表觀完好；在110/s高應變率下，-20 ℃時所有瀝青混凝土試件均發生了完全碎裂，25 ℃時大多試件發生塊裂或碎裂，60 ℃時則大多試件呈現顯著塑性壓縮.

相比普通瀝青混凝土，橡膠改性瀝青混凝土的柔韌性明顯增強，較少發生脆性塊裂或碎裂.相比15%和25%的摻量，20%橡膠的改性瀝青混凝土較少脆性塊裂、碎裂或塑性壓縮.

3.2 應力應變關系

應力應變關系是沖擊試驗基本結果.圖3~圖5為所用瀝青混凝土在不同溫度、不同應變率條件下的應力應變關系.

3.3 動力強度

動力強度是指材料在經受外界沖擊荷載時抵抗破壞的能力，本文以瀝青混凝土試件所能達到的最大應力值作為動力強度.所用瀝青混凝土在不同溫度，不同應變率條件下的動力強度值列于表3~表5.

由表3~表5可見，溫度對瀝青混凝土的動力強度有顯著影響.一般地，材料在常溫25 ℃條件下的強度最高，在低溫-20 ℃條件下的強度次之，高溫60 ℃條件下的強度最低.

瀝青混凝土的動力強度隨應變率的增大而提高，提高的程度與溫度有關.在低溫-20 ℃條件下，瀝青混凝土的動力強度隨應變率的增大提高最多；在常溫25 ℃條件下，材料強度隨應變率增大而提高的幅度次之；在高溫60 ℃條件下，材料強度隨應變率增大而提高的幅度最小.

橡膠的加入一般可以使瀝青混凝土的動力強度有所提高，提高的程度與溫度和應變率有關.相比普通瀝青混凝土，3種橡膠瀝青混凝土的強度平均值在應變率為25/s，60/s和110/s時的變化為：在低溫-20 ℃條件下，分別遞增增加35.8%，26.2%和73.9%；在常溫25 ℃條件下，分別遞減增加47.7%，25.2%和-1.6%，出現負值；在高溫60 ℃條件下，分別遞減增加226.7%，21.7%和-3.0%，也出現負值.在15%~25%范圍內，橡膠摻量對橡膠改性瀝青混凝土的動力強度影響不大，中間值20%略優.

3.4 沖擊韌性

沖擊韌性常用于反映金屬材料對外來沖擊負荷的抵抗能力，并以沖擊載荷下試樣被折斷而消耗的沖擊功為衡量指標.本文的研究定義試件最大應力時應力應變曲線所圍面積，作為衡量瀝青混凝土抗沖擊能力的韌性指標.表3~表5還給出了所用瀝青混凝土在不同溫度、不同應變率條件下的最大應力對應的應變及韌性值.

由表3~表5可見，與動力強度類似，溫度對瀝青混凝土的沖擊韌性有顯著影響.一般地，材料在常溫25 ℃條件下的韌性最高，在低溫-20 ℃條件下的韌性次之，高溫60 ℃條件下的韌性最低.

瀝青混凝土的沖擊韌性隨應變率的增大而提高，提高的程度與溫度有關.在低溫-20 ℃條件下，瀝青混凝土的沖擊韌性隨應變率的增大提高最多；在常溫25 ℃條件下，材料韌性隨應變率增大而提高的幅度次之；在高溫60 ℃條件下，材料韌性隨應變率增大而提高的幅度最小.

橡膠的加入一般可以使瀝青混凝土的沖擊韌性有所提高，提高的程度與溫度和應變率有關.相比普通瀝青混凝土，3種橡膠瀝青混凝土的韌性平均值在應變率為25/s，60/s，110/s時的變化為：在低溫-20 ℃條件下，分別遞增增加56.7%， 49.6%和6.3%；在常溫25 ℃條件下，分別遞減增加40.8%， 24.0%和19.6%；在高溫60 ℃條件下，分別遞減增加191.4%， 28.1%和 -2.0%，出現負值.在15%~25%范圍內，橡膠摻量對橡膠改性瀝青混凝土的沖擊韌性影響不大，中間值20%略優. 4 討 論

4.1 橡膠增強機理

通過對比兩種瀝青混凝土的動力強度和沖擊韌性可以發現，在瀝青中摻入適當的橡膠能較好地改善瀝青混凝土抗沖擊性能.這種改善與橡膠改善瀝青混凝土的內部結構緊密相關，類似于有學者提出的彈性瀝青混凝土，橡膠的摻入使瀝青混凝土具有了一定的彈性［13］.

橡膠瀝青是將一定比例和細度的膠粉通過高速剪切機分散至基質瀝青中，維持一定的反應溫度與時間，通過不間斷的攪拌，使膠粉與瀝青發生溶脹反應.在這個過程中，橡膠顆粒周圍形成一層瀝青質含量很高的凝膠膜層，增大橡膠瀝青粘度的同時又保持了橡膠固體顆粒的核心.這種顆粒廣泛均勻的分散于基質瀝青中，從而使橡膠瀝青成為一種不同于其他改性瀝青的固-液兩相混合物.

橡膠顆粒是一種輕質，體積小，高彈性的固體高分子有機物，它具有很強的柔韌性與變形恢復能力.瀝青混凝土中的粗集料是一種具有高強度、大剛度的材料，將固-液兩相的橡膠瀝青加入集料中拌制成瀝青混凝土時，橡膠顆粒會廣泛均勻地填充于瀝青混凝土膠漿中，與之一道形成一層高彈性緩沖層，裹覆于較大的粗顆粒間，從而使混凝土的內部結構由原來的“石料-石料”剛性接觸模式轉變成“石料-橡膠顆粒-石料”的剛柔相間接觸模式［14］.當混凝土承受外來的沖擊荷載時，橡膠顆粒會表現出自身固有的柔韌性和高彈性，通過發生較快的彈性恢復，層層緩沖與消散沖擊荷載對混凝土結構造成的內部應力作用，從而使混凝土的柔韌性得到極大地改善，其整體的變形能力也會有較大程度的改善與提高.在實際路面的使用過程中，可以增強瀝青混凝土抵抗來自外界沖擊荷載的能力，減少材料因為遭遇沖擊荷載所造成的破壞.

4.2 最優橡膠摻量

當橡膠摻量較少時，橡膠改性瀝青粘度較小、粘結力偏低，瀝青混凝土容易在礦物集料與瀝青結合料界面被拉裂產生破壞，使材料抵抗沖擊荷載的能力偏低.當橡膠摻量較多時，雖然橡膠改性瀝青粘度較大、粘結力較高，但過多的固相橡膠顆粒造成作為混合物的結合料松散，同樣使材料抵抗沖擊荷載的能力偏低.因此，存在一個最優橡膠摻量，在此摻量時，橡膠改性瀝青混凝土抵抗沖擊荷載的能力最強.對于本文研究使用的材料，這個摻量大約為20%.

5 結 語

實驗室試驗結果與對試驗結果的分析顯示：

1）在沖擊荷載作用下，瀝青混凝土的行為可以為完好、塊裂、碎裂及壓縮等4種模式，隨著溫度升高、應變率降低，材料逐漸由脆性破壞變成塑性壓縮，橡膠的加入可以使瀝青混凝土的塑性明顯增強.

2）瀝青混凝土的動力強度是溫度與應變率的函數，材料在常溫25 ℃時的強度高于在低溫-20 ℃及高溫60 ℃時的值，材料強度隨應變率的增大而單調提高，橡膠的加入一般可以提高材料強度，幅度最大超過200%.

3）類似地，瀝青混凝土的沖擊韌性也是溫度與應變率的函數，材料在常溫25 ℃時的韌性高于在低溫-20 ℃及高溫60 ℃時的值，材料韌性隨應變率的增大而單調提高，橡膠的加入一般可以提高材料韌性，幅度最大接近200%.

4）橡膠改性瀝青混凝土良好的抗沖擊性能源于混凝土內部的“石料-橡膠顆粒-石料”剛柔相間接觸模式，緩沖與消散外力導致的內部應力；橡膠摻量存在使瀝青混凝土抗沖擊荷載性能達到最優的值，對于本文研究的材料，這個摻量約為瀝青質量的20%.

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