基于單軸壓縮蠕變試驗(yàn)的橡膠瀝青混合料耐久性能研究

田鑫新

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和汽車行業(yè)的迅速增長，一方面廢棄的輪胎對環(huán)境造成越來越大的壓力，不但污染環(huán)境，還會對地下水源造成影響；另一方面，隨著超載現(xiàn)象的日益凸顯，瀝青路面的早期破損愈顯得嚴(yán)重。由于瀝青路面在役過程中要經(jīng)常性的經(jīng)受車輛的施壓，周期性處于應(yīng)力—應(yīng)變迭變之中，隨著時(shí)間增長路面強(qiáng)度會逐漸下降，而當(dāng)所承受的車輛荷載超過一定數(shù)量后，路面就會出現(xiàn)裂紋等早期破壞特征，降低了服務(wù)質(zhì)量。

在輪載作用下，橡膠瀝青路面通常會處于如圖1所示的應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)。在車輪正下方面層底部（B位置處），瀝青路面會受到拉應(yīng)力的作用，而車輪通過B點(diǎn)后，應(yīng)力方向開始變化，量值逐漸減小，并出現(xiàn)剪應(yīng)力。當(dāng)車輪遠(yuǎn)離圖中B點(diǎn)后，該處則主要承受上部傳下來的壓應(yīng)力的作用，其應(yīng)力變化隨車輛荷載作用時(shí)間的曲線變化關(guān)系如圖2所示。而路面A處（接觸點(diǎn)）則相反，車輛靠近時(shí)承受拉應(yīng)力的作用，直接作用時(shí)經(jīng)受壓應(yīng)力作用，車輛通過后又承受拉應(yīng)力的作用。車輛每通過一回就使A、B點(diǎn)經(jīng)受1次應(yīng)力循環(huán)。對于橡膠瀝青路面來說，雖然比傳統(tǒng)的瀝青路面承載能力更強(qiáng)，但是在車輪荷載反復(fù)的水平與垂直力作用下，隨次數(shù)增多也會產(chǎn)生疲勞破壞。因此，對橡膠瀝青路面在重載作用下的耐久性（疲勞壽命）研究是很具有工程意義的。本文采用單軸壓縮蠕變的試驗(yàn)方法，從豎向重復(fù)荷載作用下的方式出發(fā)，探討橡膠瀝青混合料在不同條件下的疲勞破壞規(guī)律。

圖1 車輛作用下橡膠瀝青路面的受力模型圖

圖2 疲勞破壞點(diǎn)的選擇

2 試驗(yàn)介紹

本文選用標(biāo)準(zhǔn)的橡膠瀝青馬歇爾試件（Φ63.5×101mm）來進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)在材料試驗(yàn)機(jī)（UTM-100）上選擇應(yīng)力控制的方式進(jìn)行。為了加快試驗(yàn)速度和出于避免混合料試件受到壓頭沖擊的考慮，本文在室內(nèi)試驗(yàn)中不考慮荷載間歇時(shí)間的影響，試驗(yàn)方式采用單軸蠕變法。

在普通瀝青混合料的單軸壓縮試驗(yàn)評判過程中，都是以馬歇爾試件完全斷裂作為疲勞破壞的標(biāo)準(zhǔn)。但是對于橡膠瀝青混合料的單軸壓縮試驗(yàn)，此種判定依據(jù)顯然并不適用，這是因?yàn)樵谙鹉z瀝青混合料的單軸壓縮疲勞試驗(yàn)中馬歇爾試件在破損后并沒有出現(xiàn)明顯的變形突變。如圖（1～2）所示，通常單軸壓縮疲勞試驗(yàn)有三個(gè)階段：（1）壓密階段；（2）彈性階段；（3）破壞階段。若取圖.2中最右邊的虛線與橫坐標(biāo)交點(diǎn)為破壞點(diǎn)的話，裂縫已經(jīng)貫穿整個(gè)試件，早已破壞，無任何物理意義，因此，本文選取圖2中直線段（彈性變形階段）與破壞階段的交點(diǎn)作為破壞點(diǎn)，這時(shí)馬歇爾試件的微小裂縫剛開始發(fā)展。

本文將試驗(yàn)過程中的壓應(yīng)力設(shè)置為極限應(yīng)力的0.4倍、0.5倍、0.6倍與0.7倍。采用半正矢波加載，其中，波谷值為0.1MPa，波峰值為予加的試驗(yàn)荷載水平，預(yù)壓10s，溫度為15℃，加載頻率統(tǒng)一設(shè)為10Hz（即等同于車速 60～70km/h）。

通常在相同的應(yīng)力水平條件下，橡膠瀝青混合料的疲勞壽命對數(shù)值呈現(xiàn)出正態(tài)分布的狀態(tài)，其疲勞壽命和應(yīng)力水平在雙對數(shù)坐標(biāo)軸上呈線性關(guān)系，具體的雙對數(shù)疲勞方程為：

式中：Nf——疲勞壽命；

σt——應(yīng)力水平（MPa）；

k、n——位置參數(shù)。

3 廢胎膠粉摻量對混合料疲勞性能的影響

試驗(yàn)中選用廢舊輪胎橡膠粉的摻量分別為：0%、15%、20%，然后和SK90#基質(zhì)瀝青通過一定工藝制備橡膠瀝青，以試驗(yàn)級配和最佳瀝青用量成型馬歇爾試件，在UTM-100測試機(jī)上進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 廢胎膠粉摻量對混合料疲勞性能的影響

圖3 橡膠瀝青混合料疲勞性能隨廢胎膠粉摻量的變化

由表1及圖3可知，當(dāng)廢胎膠粉摻量不同時(shí)，參數(shù)k值的大小為：k20%＞k15%＞k0%。并且通過圖示還可以看出，當(dāng)廢胎膠粉摻量由0增加到15%時(shí)，k值增加了約28%，而由15%增加到20%時(shí)，k值提高了67%，增加顯著。縱觀廢胎膠粉從0～20%增加時(shí)，k值增大，位置升高，表明橡膠瀝青混合料的疲勞壽命在逐漸增加。相對應(yīng)的，在廢胎膠粉從0～20%增加時(shí)，n值也在變大，n值變大表明疲勞壽命對應(yīng)力變化隨膠粉摻量的增加而變得愈加敏感。

由Nf、k、n的變化可知，廢胎膠粉的摻量對混合料疲勞性能有較大的影響。當(dāng)摻量在0～20%范圍內(nèi)增加時(shí)，膠結(jié)料的黏度也在逐漸提高，抗疲勞能力也在增強(qiáng)。但是試驗(yàn)研究表明，一旦廢胎膠粉的摻量超過20%時(shí)，混合料的抗疲勞性能出現(xiàn)拐點(diǎn)開始下降，這是因?yàn)楫?dāng)膠粉過多時(shí)造成膠粉—瀝青體系中的自由瀝青減少，影響集料和膠結(jié)料的黏附性，從而影響了其抗疲勞能力，因此，從耐久性的角度出發(fā)，橡膠瀝青膠結(jié)料中的廢胎膠粉并非越多越好，宜控制在一個(gè)合理的范圍之內(nèi)。

4 橡膠瀝青含量對混合料疲勞性能的影響

試驗(yàn)中，參考選用的廢舊輪胎橡膠粉摻量為20%，按瀝青含量6.4%、6.7%成型試件并進(jìn)行單軸壓縮疲勞試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 不同油石比下疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖4 油石比對疲勞特性的影響

從表2及圖4可以看出，位置參數(shù)k隨瀝青含量的增加而變大，表明在橡膠瀝青混合料中提高瀝青含量能夠提高其抗疲勞性能；n也隨瀝青含量的增加而變大，表明疲勞壽命對應(yīng)力變化隨瀝青含量的增加而變得更加敏感。這主要是由于隨著油石比增加，混合料內(nèi)部的空隙率變小，微裂縫也變少，微裂縫的擴(kuò)張也就更加困難，于是其抗疲勞性能得到了一定程度的提升。

通過上面的不同瀝青含量單軸壓縮試驗(yàn)和結(jié)果分析可知，增瀝青含量有益于提高橡膠瀝青混合料的抗疲勞特性。從提高疲勞壽命的角度出發(fā)，在橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，瀝青含量在滿足高溫穩(wěn)定性要求的前提下，盡量采用較大的橡膠瀝青含量。

5 結(jié)論

本文通過研究單軸蠕變試驗(yàn)下不同影響因素對橡膠瀝青混合料疲勞性能的影響，主要得出如下結(jié)論：

1）廢胎膠粉摻量在0～20%之間的范圍內(nèi)時(shí)，增加膠粉摻量，其疲勞方程中的Nf、k、n值均提高，也就是說橡膠瀝青混合料的抗疲勞性能得到提高；而當(dāng)摻量超過20%時(shí)，疲勞壽命出現(xiàn)拐點(diǎn)開始下降，說明膠粉的摻量并非越多越好，應(yīng)該控制在合理的范圍之中，才能確保橡膠瀝青混合料處在最優(yōu)的工作性能當(dāng)中。

2）在優(yōu)選的6.4%～6.7%的瀝青含量范圍內(nèi)，隨瀝青含量增加，橡膠瀝青混合料的疲勞性能也相應(yīng)的增加，同上述（1）一樣疲勞壽命對應(yīng)力變化的敏感程度隨瀝青含量增加而增加。