HDP橡膠瀝青混合料的疲勞性能

高彥芝，徐洲峰

HDP橡膠瀝青混合料的疲勞性能

高彥芝，徐洲峰

(四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與市政工程系，四川德陽(yáng) 618000)

針對(duì)瀝青路面的疲勞破壞問(wèn)題，提出在道路基層和面層之間設(shè)置AC-10應(yīng)力吸收層，并采用HDP橡膠瀝青拌和AC-10瀝青混合料，以馬歇爾設(shè)計(jì)法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，測(cè)試馬歇爾試件的各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，確定HDP最佳摻量和混合料的最佳配合比。通過(guò)四點(diǎn)加載試驗(yàn)分析得出，用HDP橡膠瀝青制備的AC-10瀝青混合料具有良好的抗疲勞性能，可以有效防止路面因疲勞引起的開(kāi)裂，從而提高路面的安全性與耐久性，延長(zhǎng)道路的使用壽命。

HDP;橡膠瀝青混合料;應(yīng)力吸收;疲勞性能

0 引言

隨著中國(guó)公路交通量的迅速增長(zhǎng)以及車輛軸重的不斷增大，路面的破壞形式趨于多樣化，很多道路早期就發(fā)生較嚴(yán)重的病害，大大縮短了使用壽命。疲勞開(kāi)裂是目前瀝青路面主要的破壞形式之一，產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂的原因是由于車輪荷載的反復(fù)移動(dòng)作用，使得路面長(zhǎng)期處于應(yīng)力應(yīng)變重復(fù)循環(huán)狀態(tài)。應(yīng)力應(yīng)變特性主要取決于路面材料的種類，而瀝青路面的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，當(dāng)荷載重復(fù)作用超過(guò)一定次數(shù)后，路面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力就會(huì)超過(guò)結(jié)構(gòu)抗力，使路面出現(xiàn)裂縫，產(chǎn)生疲勞斷裂破壞［1］。為了解決瀝青路面疲勞開(kāi)裂的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，提出多種預(yù)防措施，其中最重要的手段之一就是設(shè)置應(yīng)力吸收層［2］。

橡膠瀝青混合料的研究發(fā)展也經(jīng)歷了從應(yīng)力吸收層的運(yùn)用技術(shù)、應(yīng)力吸收中間層的運(yùn)用技術(shù)，再到開(kāi)級(jí)配橡膠瀝青混合料、連續(xù)級(jí)配的密實(shí)性橡膠瀝青混合料和斷級(jí)配橡膠瀝青混合料的過(guò)程［3］。橡膠具有黏彈性，因此可以提高瀝青的柔韌性，其改性原理是:通過(guò)橡膠的吸收反應(yīng)和橡膠粉顆粒的填充作用來(lái)提高瀝青的性能;另一方面，由于環(huán)氧樹(shù)脂可以有效提高瀝青的內(nèi)聚力，因此提出了高耐久性鋪裝(HDP)橡膠瀝青的研制。HDP添加劑由主劑與硬化劑組成，有研究表明兩者在一定溫度下均勻混合會(huì)發(fā)生自催化反應(yīng)，其產(chǎn)物具有與環(huán)氧樹(shù)脂體系相似的性質(zhì)［4-5］。本文通過(guò)HDP橡膠瀝青的使用來(lái)改善瀝青路面的高溫穩(wěn)定性以及低溫抗裂性，提高路面的抗疲勞性能，從而延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。

1 HDP橡膠瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)

1．1 HDP 橡膠瀝青

橡膠瀝青采用的膠粉一般有2種:一種是只采用廢棄輪胎橡膠，其主要化學(xué)成分是天然橡膠、合成橡膠以及碳黑、氧化鐵、氧化硅等添加劑;另一種是在采用廢棄的輪胎橡膠的同時(shí)又摻加了天然橡膠［6］。橡膠粉與基質(zhì)瀝青充分反應(yīng)后，可以提高膠結(jié)料的黏聚力及溫度穩(wěn)定性，并且在保證低溫性能滿足要求的情況下，提高瀝青路面的抗變形能力和抗疲勞開(kāi)裂性能［7］。HDP橡膠瀝青是在橡膠瀝青的基礎(chǔ)上進(jìn)行改性，摻入一定量的HDP，HDP中的環(huán)氧基與橡膠粉中硫醇基發(fā)生反應(yīng)，生成一種高分子橡塑三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，兼有HDP環(huán)氧和橡膠兩者各自的優(yōu)點(diǎn)［8］。本研究擬定橡膠粉的摻量為基質(zhì)瀝青用量的15%，HDP摻量為基質(zhì)瀝青用量的20%，HDP中主劑與硬化劑的比例為61∶39。HDP橡膠瀝青制備工藝見(jiàn)圖1。

圖1 HDP橡膠瀝青生產(chǎn)工藝

1．2 集料

本試驗(yàn)選用石灰?guī)r集料，分別為5～10 mm的碎石和0～5 mm的石屑，填充料為礦粉。碎石、石屑、礦粉的摻配比例為28∶67∶5，按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)進(jìn)行篩分試驗(yàn)，合成級(jí)配滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求，見(jiàn)表1。

表1 AC-10集料合成級(jí)配 %

1．3 混合料的技術(shù)參數(shù)

由于疲勞試驗(yàn)采用的小梁試件為板塊，板塊試件從開(kāi)始裝模到放在成型機(jī)碾壓輪下面就需要10～15 min，這個(gè)過(guò)程中溫度會(huì)有10℃左右的損失［9］。因此，板塊試件的拌和溫度要比碾壓溫度高出10℃～15℃，確定HDP橡膠瀝青混合料的拌和溫度為175℃，并且保證混合料從裝模到放在車轍成型機(jī)上的時(shí)間在 15 min 以內(nèi)［10］。

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的方法測(cè)定HDP橡膠瀝青混合料AC-10試件的理論最大相對(duì)密度、毛體積相對(duì)密度、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度以及馬歇爾穩(wěn)定度、流值，結(jié)果如表2所示。

2 疲勞試驗(yàn)

2．1 試驗(yàn)方法

瀝青混合料疲勞試驗(yàn)方法很多，目前較多采用周期短、費(fèi)用少的室內(nèi)小型疲勞試驗(yàn)方法［11］。其中彎曲試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果和基本技術(shù)可直接用于設(shè)計(jì)，同時(shí)還可以按要求選擇不同的加載方式，因此被廣泛使用。本次試驗(yàn)選取四點(diǎn)加載小梁彎曲疲勞試驗(yàn)來(lái)研究HDP橡膠粉瀝青混合料的耐疲勞性能。加載方式如圖2所示。

結(jié)構(gòu)層達(dá)到臨界疲勞狀態(tài)所承受的荷載重復(fù)次數(shù)稱為疲勞壽命。某一路面結(jié)構(gòu)層疲勞壽命的大小除了與路面環(huán)境因素有關(guān)外，還取決于所受到的重復(fù)應(yīng)變或應(yīng)力的大小［12］。瀝青路面的疲勞壽命可以按照不同的荷載條件來(lái)測(cè)定，荷載條件保持不變即為試件承受簡(jiǎn)單荷載，荷載條件改變即為承受復(fù)合荷載［13］。相同的瀝青混合料，承受簡(jiǎn)單荷載或復(fù)合荷載對(duì)于試件所表現(xiàn)的疲勞反應(yīng)是有差異的［14］。控制應(yīng)變加載模式適用于瀝青混合料厚度較薄(＜5 cm)的情況;作為應(yīng)力吸收層，AC-10橡膠瀝青混合料的設(shè)計(jì)厚度一般小于5 cm。控制應(yīng)力加載模式由于試驗(yàn)條件的限制較難實(shí)現(xiàn)，因此本文采用控制應(yīng)變加載模式來(lái)進(jìn)行四點(diǎn)加載彎曲試驗(yàn)。

表2 HDP瀝青混合料各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)

圖2 疲勞試驗(yàn)加載

由于加載頻率對(duì)疲勞試驗(yàn)的結(jié)果會(huì)有一些影響，當(dāng)加載頻率為10 Hz(加載時(shí)間為0.016 s)時(shí)，相當(dāng)于60～70 km·h－1左右的車速;根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01—2014)規(guī)定，高速公路的行車速度在60～120 km·h－1范圍內(nèi)。因此，選擇10 Hz的加載頻率是合適的［15］。

由于室內(nèi)試驗(yàn)與實(shí)際道路上的情況有較大差別，考慮加載時(shí)間間歇、裂縫發(fā)展和荷載橫向分布等影響，本次試驗(yàn)均將試件壽命控制在一千次至一百萬(wàn)次之間［16-17］。

溫度、濕度等外部環(huán)境對(duì)材料的疲勞特性也會(huì)有很大的影響。關(guān)于濕度對(duì)路面壽命影響的研究很少，本試驗(yàn)過(guò)程不考慮。溫度改變會(huì)影響混合料的勁度，進(jìn)而改變應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，因此試驗(yàn)時(shí)應(yīng)控制好環(huán)境溫度。本次小梁彎曲疲勞試驗(yàn)的溫度為20℃。

2．2 成型試件

試件制作過(guò)程不同于傳統(tǒng)的馬歇爾試件，整個(gè)制作過(guò)程包括混合料的拌和、碾壓和試件切割成型3個(gè)步驟［18］。四點(diǎn)彎曲疲勞試件采用試板的尺寸為400 mm×300 mm×75 mm;輪碾機(jī)碾壓成型后，用切割機(jī)將試板切割成400 mm×50 mm×50 mm小梁試件［19］。

2．3 疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

以不同的瀝青含量分別進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，每組4個(gè)平行試件，加載頻率為10 Hz，試驗(yàn)溫度為20℃，應(yīng)變水平為400με，HDP橡膠瀝青混合料AC-10的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果及疲勞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 HDP橡膠瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

從表3可知:隨著瀝青含量的增加，疲勞壽命呈增大的趨勢(shì)，AC-10瀝青混合料最佳瀝青用量在7.0% ～7．5%之間，表明HDP橡膠瀝青應(yīng)力吸收層具有較好的抗疲勞特性，可以延長(zhǎng)道路的使用壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)HDP橡膠瀝青比普通橡膠瀝青具有更好的溫度穩(wěn)定性及耐老化性。因此按照一定配比制備的HDP橡膠瀝青混合料的各項(xiàng)馬歇爾指標(biāo)均能符合規(guī)范要求。

(2)HDP橡膠瀝青混合料具有良好的抗疲勞性能，對(duì)于減少瀝青路面的反射裂縫起到有效的作用，可以延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。

(3)AC-10瀝青混合料作為應(yīng)力吸收層，其抗疲勞壽命隨著瀝青用量的增加而增加，但存在一個(gè)最大壽命。

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Fatigue Properties of HDP Rubberized Asphalt Mixture

GAO Yan-zhi，XU Zhou-feng
(Department of Transportation and Municipal Engineering，Sichuan College of Architectural Technology，Deyang 618000，Sichuan，China)

Aimed at the fatigue failure of asphalt pavement，it was proposed to set an AC-10 stress absorbing layer between the base course and the surface course．The HDPrubberized asphalt was used to prepare the AC-10 mixture，and the mix design was conducted with Marshall mix design method．The technical indicators of the Marshall specimen were tested so as to determine the optimum amount of HDP and the optimum mix design．The four-point loading test shows that the AC-10 asphalt mixture prepared with HDP rubberized asphalt has good fatigue resistance and can effectively prevent the cracking caused by fatigue．As a result，the safety and durability of the road are improved and the service life is extended．

HDP;rubberized asphalt mixture;stress absorbing;fatigue property

U414．01

B

1000-033X(2017)10-0054-04

2017-03-02

高彥芝(1988-)，女，山東濟(jì)寧人，碩士，講師，研究方向?yàn)榻煌ㄅc市政工程。

［責(zé)任編輯:杜敏浩］