橡塑瀝青混合料疲勞性能測試及預估模型研究

任瑞波，耿立濤，陳蒙蒙，閆飛龍

（山東建筑大學交通工程學院，山東濟南250101）

橡塑瀝青混合料疲勞性能測試及預估模型研究

任瑞波，耿立濤，陳蒙蒙，閆飛龍

（山東建筑大學交通工程學院，山東濟南250101）

橡塑改性瀝青混合料作為一種新型路用材料，在提高路面性能的同時實現廢料的循環利用，瀝青混合料的疲勞性能與瀝青路面的損壞機理密切相關，開展其疲勞性能的研究具有重要意義。文章基于應變控制模式下的四點彎曲疲勞試驗來研究穩定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞性能，選取SMA-13級配，設計了不同條件下的測試方案，分析了應變水平、空隙率及瀝青含量對混合料疲勞性能的影響，并對所選擇的疲勞預估模型進行了修正。結果表明：穩定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞壽命隨著瀝青含量的增加、空隙率的降低以及應變水平的減小而增加；修正后的疲勞預估方程可以較為精確的預測其疲勞壽命，驗證結果和預測結果的相關性系數達0.915。

橡塑改性瀝青混合料；疲勞性能；預估模型

0 引言

近年來，由于我國道路交通量激增，超載超限現象嚴重，加劇了瀝青路面的破壞，縮短了道路的使用壽命。疲勞破壞是瀝青路面的主要破壞形式之一，其產生時間、破壞程度與道路交通量和車輛荷載大小均有關［1］。疲勞損壞主要同行車荷載的反復作用有關，由于在車輪荷載的反復作用下，路面長期處于應力應變交迭變化狀態，致使路面結構強度逐漸下降，當荷載重復作用超過一定次數后，路面內產生的應力就會超過強度下降后的結構抗力，促使路面出現裂紋，從而產生疲勞斷裂破壞。瀝青混合料疲勞性能研究經歷了半個多世紀的發展，涌現出了許多好的試驗方法和分析方法，并取得了大量的研究成果。近年來，隨著各式各樣的改性瀝青材料在道路行業的應用，也使得瀝青混合料材料的疲勞特性發生了很大的變化。瀝青混合料疲勞特性的研究依舊是路面性能研究工作的重點，是國內外道路學者研究課題所面臨的巨大挑戰。

同時，由于汽車保有量的增加及塑料制品的普遍使用，大量的廢舊橡膠輪胎和廢棄塑料隨之產生，在其處理和再利用方面，國內外眾多學者作了許多有益的嘗試［2-4］。國內外眾多學者將廢橡膠或廢塑料加以回收處理，并摻加到瀝青中用以提高其使用性能，這也為廢舊橡膠和塑料的有效再利用提出了新的方向［5-7］。在前期的研究工作中，結合廢舊橡膠輪胎和廢舊塑料在瀝青改性中的各自性能優勢，采用特定的加工工藝實現了廢舊橡膠與廢舊塑料兩相界面的熔融結合，據此開發了具有優良路用的穩定型橡塑合金改性瀝青，制備的瀝青混合料在路用性能方面也具有優勢［8］。這不僅可以處理大量的廢舊輪胎和塑料并解決其帶來的污染問題，還有效的改善了瀝青材料的使用性能，具有很高的經濟效益和社會價值。

文章目的在于研究穩定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞特性。采用應變控制模式下的四點彎曲疲勞試驗，分析橡塑高分子合金改性瀝青混合料的疲勞性能。并通過疲勞試驗的數據分析，建立了穩定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞性能預估方程，以期為該種瀝青混合料的工程設計及應用提供理論支持。

1 穩定型橡塑改性瀝青混合料設計及疲勞試驗

首先進行穩定型橡塑改性瀝青混合料設計，進而制備試件，以四點彎曲疲勞試驗評價其疲勞性能。選用SMA-13型瀝青混合料作為研究對象，以優質玄武巖作為集料，石灰巖礦粉作為填料，木質素纖維作為纖維穩定劑。根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的試樣制備和試驗方法［9］，所采用的穩定型橡塑合金改性瀝青的技術性能如表1所示，設計級配見表2。

表1 穩定型橡塑合金改性瀝青的技術性能

表2 穩定型橡塑改性瀝青混合料的設計級配

穩定型橡塑改性瀝青的路用性能達到了PG分級中PG76-28的技術要求，滿足了PG分級中76℃以上的高溫要求，具有良好的高溫性能，說明穩定型橡塑改性瀝青在高溫時施加荷載撤離后的變形更容易恢復，有著較好的高溫抗變形性能。同時，穩定型橡塑改性瀝青滿足了PG分級-28℃的低溫要求，說明穩定型橡塑改性瀝青具有良好的低溫抗裂性。

有研究表明，瀝青混合料承受的應變水平能直接反映試件發生彎曲變形的程度，也可以在一定程度上代表實際路面所能夠承受的車輛荷載作用大小程度［10］。相關研究結果表明，混合料的疲勞壽命隨著空隙率的降低而增加，瀝青含量是影響瀝青混合料疲勞壽命的重要因素［11-13］。

因此，文章的四點彎曲梁疲勞試驗采用應變控制模式進行，測試溫度選為20℃，施加偏正弦波形荷載，荷載頻率取為10 Hz，以勁度模量降低至初始值50%的加載次數作為混合料的疲勞壽命。進行疲勞試驗時，以應變水平、瀝青含量及空隙率3個試驗參數進行分析，每個試驗選擇3個測試水平，試驗方案見表3。

表3 穩定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞試驗方案

混合料的最大相對理論密度統一采用JTGE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》規定的計算法獲得［9］。文章通過控制裝料質量和壓實次數來控制空隙率，空隙率指標統一以實測的試件毛體積相對密度和計算法最大相對理論密度的計算結果為準。

2 不同影響條件下的疲勞壽命測試分析

不同瀝青含量、混合料空隙率及應變水平條件下，穩定型橡塑改性瀝青混合料疲勞壽命的測試結果見表4。

表4 穩定型橡塑改性瀝青混合料疲勞試驗結果

從表4可以看出，在瀝青含量相同，空隙率相同的情況下，穩定型橡塑改性瀝青混合料疲勞壽命隨著應變水平的增加而降低。應變水平從600με增加到800με時，穩定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞壽命下降幅度很大；應變水平從800με增加到1000με時，穩定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞壽命下降相對緩慢。

在應變水平恒定，空隙率相同時，隨著瀝青含量的增加，穩定型橡塑改性瀝青混合料疲勞壽命增加。在應變水平為600με，空隙率為5.0%時，瀝青含量增加0.4%，其疲勞壽命上升約88%。因此，瀝青含量是影響瀝青混合料疲勞壽命的重要因素。

在瀝青含量和應變水平相同的情況下，穩定型橡塑改性瀝青混合料疲勞壽命隨著空隙率的降低而顯著的增長。

Tayebali等依據常規熱拌瀝青混合料控制應變疲勞試驗結果的分析認為，疲勞壽命隨瀝青飽和度的增大或空隙率的減小而增加［14］。對比Bazin、Tayebali等的研究成果可知，穩定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞壽命與常規熱拌瀝青混合料的變化規律相似［11，14］。因此，準確控制壓實（空隙率）對于保證穩定型橡塑瀝青混合料路面的疲勞性能十分重要。

3 疲勞壽命預估模型的確定與參數修正

室內疲勞壽命預估模型的形式決定了整個瀝青路面疲勞預估模型的基本形式。室內疲勞壽命預估模型形式的確定，不僅要考慮模型的精度，同時還應綜合考慮模型的實用性和靈活性。孫杰提出了瀝青混合料疲勞壽命預估模型，由式（1）表示為［15］

式中：Nf為破壞時載荷重復作用次數；ε為施加的應變值；S0為混合料的初始勁度模量，MPa；VFA為瀝青飽和度，%。

該模型綜合考慮了瀝青混合料初始勁度模量、應變水平及瀝青混合料體積參數對混合料疲勞性能的影響，其中瀝青混合料的體積參數以瀝青飽和度VFA表征，由于VFA指標與瀝青混合料的空隙率具有相關性，因此預估模型整體在變量的選擇上具有合理性。

利用該預估模型對表4中的穩定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞壽命數據進行了疲勞壽命預測，并與實測數據進行對比，預測結果如圖1所示。

圖1 穩定型橡塑改性瀝青混合料疲勞壽命預估與實測結果對比圖

由圖1可以看出，對穩定型橡塑改性瀝青混合料而言，該模型的預估精度不足。分析原因認為，該預測模型中涉及瀝青混合料性能各項因素的參數均建立在常規瀝青混合料材料測試的基礎上，而對于穩定型橡塑改性瀝青這種新型的瀝青膠結料，預估模型中性能參數尚需調整。

文章通過對取得的試驗數據進行回歸分析，將該疲勞預估模型中與橡塑改性瀝青混合料性能相關的系數進行修正，即疲勞模型中應變、初始勁度模量以及瀝青飽和度的指數位置的3個系數進行修正，疲勞模型由式（2）表示為

式中：a、b、c為需要進行修正的方程參數。

將疲勞壽命測試結果隨機分成2個部分，第一部分試驗數據采用非線性回歸分析的方法確定3個擬合參數，修正后的疲勞模型由式（3）表示為

圖2給出了修正后疲勞模型中的預測結果及預測精度。利用第二部分試驗數據對式（3）中的預估模型進行驗證，預測結果如圖3所示。由圖3可以看出，修正后的疲勞模型的疲勞壽命預測值與試驗實測值間的吻合程度較高，驗證了修正的疲勞模型對于橡塑改性瀝青混合料疲勞壽命有著較高的預測精度，修正后的疲勞模型的驗證結果和預測結果的R2達0.915。

圖2 修正后的疲勞模型的預測結果圖

圖3 修正后的疲勞模型的驗證結果圖

4 結論

通過上述研究可知：

（1）應變水平、空隙率和瀝青含量均對穩定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞壽命具有顯著影響，其影響規律為疲勞壽命隨著應變水平的增加而降低，隨著瀝青含量的增加而增加，隨著空隙率的增加而降低。在應變水平為600με，空隙率為5.0%時，瀝青含量增加0.4%，其疲勞壽命上升約88%。

（2）基于實測數據，修正了現有預估模型，獲得了可以較為精確預測穩定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞壽命的預估模型，修正后的疲勞模型的驗證結果和預測結果的R2達0.915。

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（校慶約稿）

山東建筑大學道路與鐵道工程學科——任瑞波教授

任瑞波教授現任山東建筑大學交通工程學院院長?，F為山東建筑大學道路與鐵道工程學科首席崗教授，享受國務院政府特殊津貼專家，碩士生導師、兼職博導，山東省高校十大師德標兵、山東省先進教育工作者、道路與鐵道工程學科帶頭人、中組部第六批博士團成員。

任瑞波教授2001年博士畢業于哈爾濱工業大學獲工學學位，2003年哈爾濱工業大學博士后?，F兼職：山東省城市建設管理協會理事長、中國市政工程協會常務理事、山東土木建筑學會理事、高速公路養護技術和干旱荒漠區公路工程技術全國交通行業重點實驗室學術委員會學術帶頭人。多年從事道路瀝青路面結構與材料研究，在高等級公路瀝青路面結構計算方法、水與動荷載耦合作用下瀝青路面損壞機理分析、穩定型廢舊橡塑改性瀝青機理等基礎理論研究方面取得顯著成果，并在穩定型橡膠瀝青改性技術、高粘瀝青改性技術、高模量瀝青混合料應用技術、骨架密實型半剛性基層材料應用技術、溫拌瀝青混合料應用技術等工程應用技術領域取得多項創新成果。研究成果成功應用于國內16個省近100項工程中，經濟和社會效益顯著。

任瑞波教授組織成功申報了我校交通運輸工程一級學科碩士點以及交通運輸工程領域專業學位授予權，創辦了我校交通工程學院。

主持和參與完成國家、省部級科研項目30余項，獲中國公路學會科學技術特等獎1項、省部級科技進步二等獎2項、三等獎4項；主編教材和著作5部；發表學術論文90余篇，期中：SCI、EI收錄50余篇。已培養博士研究生1名、碩士研究生36名。

Fatigue performance research of stabilized rubber and plastic modified asphaltm ixture

Ren Ruibo，Geng Litao，Chen Mengmeng，et al．

（School of Transportation Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）

The rubber and plasticmodified asphaltmixture as a new type of roadmaterial，in the view of improving the performance of pavement and achieving the recycling waste，the fatigue performance of asphaltmixture and the asphalt surface damagemechanism are closely related，to study the fatigue performance is of great significance.Based on strain mode stable four-point bending fatigue test research of fatigue properties of the stabilized rubber and plasticmodified asphaltmixture，by selecting the SMA-13 grading，the testmethod was designed under different conditions，then the influence of strain level，air voids and asphalt content on the fatigue life of themixtures was analyzed.Based on the fatigue test results，amodification was performed on a predicting equation.The results show that the fatigue life of the stabilized rubber and plasticmodified asphaltmixture increaseswith the increase of asphalt content and the decrease of air voids and strain level and that themodified equation gives a good result on predicting the fatigue life of stabilized rubber and plastic modified asphaltmixture.

stabilized rubber and plastic modified asphaltmixture；fatigue performance；predicting equation

U414

A

1673-7644（2016）06-0583-05

2016-10-8

國家自然科學基金項目（51278288）

任瑞波（1968-），男，教授，博士，主要從事道路路面結構與材料等方面研究.E-mail：rrbgq@sdjzu.edu.cn