SBS與橡膠粉改性瀝青混合料疲勞性能對比研究

陶睿征，劉國正

（長沙市公路橋梁建設有限責任公司，湖南長沙 410007）

SBS與橡膠粉改性瀝青混合料疲勞性能對比研究

陶睿征，劉國正

（長沙市公路橋梁建設有限責任公司，湖南長沙 410007）

在采用MTS萬能材料試驗系統控制加載的四點彎曲疲勞試驗的基礎上，對橡膠改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料兩者的疲勞性能進行對比研究，結果表明，在相同應力比下，橡膠瀝青混合料的疲勞性能優于SBS改性瀝青混合料；在驗證疲勞數據服從雙參數Weibull分布的基礎上，得到了兩種混合料在失效概率為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5時的疲勞方程。

公路；橡膠瀝青混合料；SBS改性瀝青混合料；疲勞性能

通過一定的生產工藝將廢舊輪胎加工成橡膠粉摻入瀝青中形成一種新的改性瀝青即橡膠改性瀝青運用到交通建設中，不僅能減少 “黑色”環境污染，達到廢棄物的循環利用，還能提高瀝青路面的抗疲勞性能、高低溫性能及耐久性能等，因而橡膠瀝青在交通建設中備受關注。

國內外許多學者對橡膠瀝青在道路建設中的應用，尤其是橡膠瀝青的生產工藝及應用技術等研究頗多，如張永利為了把橡膠瀝青用于薄抗滑磨耗層，對其混合料進行了低溫抗裂能力及抗疲勞性能試驗研究，試驗結果表明AR-GM10混合料具有良好的低溫抗裂能力和較長的疲勞壽命。而對于橡膠粉對瀝青混合料疲勞性能的改善研究相對較少。該文主要通過對比試驗對橡膠瀝青混合料的疲勞性能進行研究。

1　原材料

1.1瀝青

改性瀝青選用殼牌SBS改性瀝青；橡膠瀝青以殼牌A級70號瀝青為基質瀝青，內摻20%橡膠粉；橡膠粉細度為40目，由子午橡膠輪胎加工磨細而成。為了減少試驗誤差，確保試驗結果的準確性，試驗所用橡膠瀝青采用小型攪拌機當場拌和使用。瀝青性能指標檢測結果見表1、表2，制成的橡膠瀝青的基本性能檢測結果見表3，橡膠瀝青的各項指標均符合設計要求。

1.2集料

采用的粗集料分兩檔：1#料粒徑為10～15 mm；2#料粒徑為5～10mm。細集料也分兩檔：3#料粒徑為3～5mm；4#料粒徑為0～3mm。粗、細集料分別為常用的玄武巖與石灰巖，礦粉為石灰巖礦粉。經檢測，集料各項技術指標均滿足現行規范的要求。

表1　基質瀝青性能檢測結果

表2　SBS改性瀝青性能檢測結果

表3　橡膠瀝青性能檢測結果

1.3級配及油石比的確定

根據工程實際經驗，參考現行規范中的級配范疇，確定兩種混合料的礦料級配（見表4）。采用馬歇爾設計方法，得到AR-AC-13與SBS-AC-13兩種混合料的油石比分別為8.0%、5.4%。

表4　混合料的級配

2　試驗過程及方案

（1）成型試件。根據上述混合料級配和油石比，首先采用車轍試驗儀成型尺寸為300mm×300 mm×80mm車轍板試件，再利用切割機切割成尺寸為300mm×60mm×80mm的小梁。

（2）試件保溫。將試件放入15℃環境箱中保溫4h，使試件內部溫度均勻且達到15℃。

（3）試驗。對MTS材料試驗機中涉及的參數予以設定，并安放好試件。先進行強度試驗，得到小梁試件的破壞荷載，然后選擇0.2、0.3、0.4、0.54個應力比，根據破壞荷載計算不同應力比對應的試驗荷載值進行試驗，每個應力比進行5個平行試驗，得到AR-AC-13和SBS-AC-13混合料的疲勞壽命，并進行對比研究。

進行四點彎曲試驗，加載波形為正弦波，頻率為10Hz，正弦波之間未插入間歇時間以節省時間。

3　試驗結果與分析

3.1疲勞試驗結果

AR-AC-13和SBS-AC-13混合料在應力比為0.2、0.3、0.4、0.5時的疲勞壽命試驗結果見表5。從表5可知：AR-AC-13混合料在不同應力比下的疲勞壽命都高于SBS-AC-13混合料。

表5　不同應力比下混合料的疲勞壽命

3.2雙參數Weibull分布理論

從表5來看，AR-AC-13和SBS-AC-13混合料的疲勞壽命數據均存在較大離散性。由于瀝青混合料材料本身具有不均勻性的特點，盡管在混合料試件制作和試驗基本程序等方面均盡量減少誤差，其混合料之間的疲勞壽命還是會不可避免地存在較大差距。若利用簡單的平均數值法求得混合料疲勞方程，其安全概率僅50%左右，不能滿足工程項目安全要求。因此，采用數理統計的方法對混合料的疲勞壽命數據進行分析。

概率密度分布函數Weibull可用來分析與疲勞壽命有關的各種試驗數據，它分為概率密度函數fn（）與累積分布函數Pfn（）兩種，表達式分別為：

式中：n為隨機變量N的特征值；α為形狀參數或在應力σ下的Weibull斜率；n0為位置參數或應力σ下的最小壽命；u為尺度參數。

為了讓分析既簡單又安全，設最小壽命n0為零，則Pfn（）的表達式為：

通過式（4）來驗證兩種混合料的疲勞試驗數據能否滿足雙參數Weibull分布。

3.3基于雙參數Weibull分布理論的疲勞壽命分析

先對每個應力比下各瀝青混合料試件的疲勞壽命數值按照從小到大的順序排列，然后按式（4）進行計算。失效概率Pfn（）用下式計算：

雙參數Weibull分布公式中存在2個未知系數，可通過這2個未知系數來擬合失效概率與疲勞壽命之間的相互對應關系，方法有圖表法、矩法等，這里采用圖表法。對式（3）進行調整，得：

式中：i為試件在該組的序號，i=1，2，3，…；k為該組試件的總數。

不同應力比下lnln［1/（1-Pf（n））］與ln（n）間的擬合曲線見圖1、圖2。從中可見AR-AC-13混合料與SBS-AC-13混合料的疲勞壽命-失效概率曲線的相關系數R2均大于0.9，說明兩種混合料的疲勞壽命都滿足雙參數Weibull分布。

圖1　AR-AC-13瀝青混合料疲勞壽命-失效概率曲線

圖2　SBS-AC-13瀝青混合料疲勞壽命-失效概率曲線

相關研究結果表明，在雙對數坐標上應力比和疲勞壽命之間的關系為線性關系，其表達式為：

對兩種混合料的疲勞試驗數據進行雙參數Weibull分布驗證后，即可分析其失效概率與疲勞壽命之間的相關關系。重新整理式（3），得：

根據式（7）計算失效概率分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5時兩種混合料在不同應力比下的疲勞壽命，然后根據式（6）回歸分析兩種混合料在不同失效概率下的相關疲勞方程系數，得到回歸系數K、n及相關系數R2（見表6）。

表6　兩種瀝青混合料在不同失效概率下的疲勞方程系數

從表6來看，疲勞方程的相關系數都非常高，且均大于0.95，表明構建的回歸模型即式（6）滿足要求，利用該模型可得出不同失效概率下的疲勞方程。AR-AC-13在Pf（n）=0.1和Pf（n）=0.5時的疲勞方程分別為：

N=35.454S-4.957

N=43.025S-5.539

同理，可得出其他失效概率下的疲勞方程。

式（6）中的回歸系數K與n可反映混合料材料本身的疲勞性能，其中：K值代表疲勞曲線的線位高低，可用來比較不同材料疲勞性能的好壞，即K值與曲線線位呈正相關，K越大則線位越高，混合料的疲勞性能越好；n值代表雙對數疲勞曲線的斜率，即n值與曲線效率呈正相關，隨著n值的增加，混合料的疲勞壽命隨應力比的變化而變化的幅度增大。從表6來看，AR-AC-13混合料的K值大于SBS改性瀝青混合料，說明橡膠瀝青混合料的疲勞性能好于SBS改性瀝青混合料；n值兩者差距不大，說明兩者疲勞壽命的敏感程度相當。

4　結論

（1）橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命均存在較大的離散性。隨著應力比的增加，疲勞壽命都明顯降低，在同一應力比下，橡膠瀝青混合料的疲勞壽命高于SBS改性瀝青混合料。

（2）與SBS改性瀝青混合料相比，橡膠瀝青混合料的疲勞性能更好，而對應力比變化的敏感程度兩者相當。

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U416.217

A

1671-2668（2016）04-0086-03

2016-03-09