溶解性膠粉改性瀝青混合料疲勞性能

黃衛(wèi)東，鄭 茂，2，黃 明

（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都610000；3.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

Terminal Blend（TB）膠粉改性瀝青是近年在美國(guó)發(fā)展起來(lái)的一種新型改性瀝青，其主要是由30目（0.6 mm）或者更細(xì)的膠粉顆粒改性，讓膠粉在瀝青中發(fā)生脫硫反應(yīng)并可以較快地分解、融合，這些脫硫并存貯穩(wěn)定的橡膠粉改性瀝青在美國(guó)被統(tǒng)稱為T(mén)erminal Blend膠粉改性瀝青.這種膠粉改性瀝青在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有統(tǒng)一的名稱，鑒于該類(lèi)膠粉瀝青在三氯乙烯中的溶解度可以達(dá)到99%以上，因此本文統(tǒng)一將其譯為“溶解性膠粉改性瀝青”，其膠粉摻量通常在外摻5%～25%之間［1-2］.由于對(duì)廢舊橡膠的使用，其與傳統(tǒng)橡膠瀝青一樣具有良好的社會(huì)和環(huán)保效應(yīng)，更為重要的是其具有比傳統(tǒng)橡膠瀝青更為良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性，工程應(yīng)用成本也比苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）嵌段共聚物改性瀝青和傳統(tǒng)橡膠瀝青低.

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的University of California Pavement Research Center（UCPRC）用Heavy Vehicle Simulator（HVS）所做的加速加載試驗(yàn)表明，溶解性膠粉改性瀝青有很好的抗反射裂縫能力［3］.美國(guó)聯(lián)邦公路管理局（FHWA）用Accelerated Loading Facility（ALF）加速加載試驗(yàn)對(duì)溶解性膠粉改性瀝青的抗反射裂縫能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，其結(jié)果見(jiàn)圖1，第5道的Crumb Rubber-Terminal Blend（CR-TB）表現(xiàn)要優(yōu)于SBS等諸多種瀝青混合料.

圖1 ALF對(duì)溶解性膠粉改性瀝青混合料（CR-TB）的評(píng)價(jià)結(jié)果［4］Fig.1 Evaluation results of terminal blend rubberized asphalt concrete（CR-TB）by ALF

溶解性膠粉改性瀝青在美國(guó)已獲得了較為廣泛的應(yīng)用，但除了上述兩次影響較大的加速加載試驗(yàn)，在美國(guó)針對(duì)該瀝青及其混合料的室內(nèi)試驗(yàn)研究還很少，有關(guān)疲勞性能方面的室內(nèi)試驗(yàn)研究更少.美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Tsai Bor-Wen等人在進(jìn)行溶解性膠粉改性瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)［5］時(shí)，采用7.1%的單一瀝青用量；內(nèi)華達(dá)大學(xué)的Elie Y.Hajj等人在進(jìn)行溶解性膠粉改性瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)［6］時(shí)，以控制空隙率的方式成型試件，空隙率標(biāo)準(zhǔn)選定為7%.可見(jiàn)，在美國(guó)有限的針對(duì)溶解性膠粉改性瀝青混合料疲勞性能的室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，瀝青用量、空隙率等關(guān)鍵指標(biāo)的選擇均有局限性，并不能全面反映溶解性膠粉改性瀝青混合料的疲勞性能，且混合料控制指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的選擇合理性也有待商榷.另一方面，在國(guó)內(nèi)，目前幾乎沒(méi)有針對(duì)溶解性膠粉改性瀝青混合料疲勞性能的研究.

本文將對(duì)溶解性膠粉改性瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行全面研究，并在4%的空隙率條件下與SBS瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行對(duì)比.同時(shí)，從成本上看溶解性膠粉改性瀝青較SBS改性瀝青更低，具有一定的復(fù)合改性空間.本文采用SBS改性劑與溶解性膠粉改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性后進(jìn)一步探究其混合料性能，希望能為拓展有關(guān)溶解性膠粉改性瀝青的室內(nèi)性能研究提供參考和依據(jù).

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 瀝青和改性劑

本次研究中采用埃索70號(hào)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性劑改性，研究中所用改性瀝青種類(lèi)及其改性方案見(jiàn)表1.其中，溶解性膠粉改性瀝青的制備過(guò)程中，一般是通過(guò)高溫、氧化、活化或剪切等化學(xué)或物理手段，使膠粉充分脫硫降解.本文所用溶解性膠粉改性瀝青是經(jīng)過(guò)高溫高壓制備的，考慮到在試驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)比較困難，故統(tǒng)一采用廠拌成品瀝青，其產(chǎn)地為安徽.SBS改性瀝青的室內(nèi)加工過(guò)程如下：加入內(nèi)摻4.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SBS改性劑以及0.15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的穩(wěn)定劑，在180℃下用高速剪切機(jī)以6 000～7 000r·min-1的轉(zhuǎn)速剪切、研磨、擠壓30min后，再攪拌90 min，最后在160℃左右的恒溫烘箱孕育30min.TB加SBS復(fù)合改性瀝青室內(nèi)制備過(guò)程為：向TB中加入內(nèi)摻3%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SBS改性劑以及0.15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的穩(wěn)定劑，在150℃下強(qiáng)力攪拌1.5h.各改性瀝青的基本指標(biāo)見(jiàn)表2［7］.

表1 改性瀝青的改性方案Tab.1 Modified ways of modified asphalts

1.2 集料和級(jí)配

1.2.1 集料

本文整個(gè)混合料設(shè)計(jì)研究過(guò)程采用江蘇溧陽(yáng)產(chǎn)玄武巖，浙江安吉產(chǎn)石灰?guī)r，填料為浙江安吉產(chǎn)石灰石礦粉.集料各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求.

1.2.2 級(jí)配

試驗(yàn)所采用級(jí)配類(lèi)型為密級(jí)配瀝青混凝土混合料AC13，各尺寸篩孔通過(guò)率均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）［8］所提供級(jí)配范圍，見(jiàn)表3.

表2 改性瀝青的指標(biāo)測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results for modified asphalts

表3 試驗(yàn)所用級(jí)配Tab.3 The gradation used in tests

1.3 混合料初步設(shè)計(jì)

以4%作為設(shè)計(jì)空隙率，在表3提供的級(jí)配下，試驗(yàn)確定三種瀝青混合料的最佳瀝青用量.試驗(yàn)選用0.5%作為間隔，在3.5%，4.0%，4.5%，5.0%和5.5%五個(gè)瀝青用量下進(jìn)行馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn).混合料密度及空隙率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，其中毛體積相對(duì)密度采用馬歇爾試件表干法測(cè)得，最大理論相對(duì)密度通過(guò)計(jì)算法測(cè)得［7］.

表4 混合料空隙率結(jié)果Tab.4 Voidage results of mixtures

1.4 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)指標(biāo)

1.4.1 試驗(yàn)方法

本文所有試驗(yàn)均采用Beam Fatigue Apparatus（BFA）試驗(yàn)機(jī)，該機(jī)是澳大利亞Industrial Process Control（IPC）Global公司生產(chǎn)的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，使用Universal Testing Machines（UTM）軟件系統(tǒng)操作.

1.4.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

50%初始勁度模量降低疲勞壽命（Nf50）為Strategic Highway Research Program （SHRP）-A303中推薦的疲勞試驗(yàn)的判斷方法.許多試驗(yàn)證實(shí)了疲勞破壞發(fā)生在40%的初始模量降低處，據(jù)此，SHRP-A303中推薦50%的初始勁度模量減少作為疲勞試驗(yàn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)即疲勞壽命Nf50法，形成了American Association of State Highway and Transportation Officials（AASHTO）TP-8標(biāo)準(zhǔn).

歸一化勁度次數(shù)積疲勞壽命（NfNM）是美國(guó)American Society for Testing Material（ASTM）D7460中的方法，最先由Rowe和Bouldin［7］的研究提出.ASTM D7460中，疲勞破壞點(diǎn)定義為歸一化勁度次數(shù)積在荷載次數(shù)圖中的峰值，初始勁度模量取第50次的勁度模量.對(duì)歸一化勁度次數(shù)積的獲取如下：

歸一化勁度次數(shù)積（normolized modulus cycles，JNM）為

式中：JNM為歸一化勁度次數(shù)積；Ni為加載次數(shù)；Si為第i次加載時(shí)的勁度模量；S0為初始勁度模量，取第50次加載時(shí)的勁度模量；N0為初始次數(shù)，取50次.

當(dāng)JNM達(dá)到最大值時(shí)的N即為材料的疲勞破壞次數(shù).雖然公式中提出了初始勁度模量選取第50次的勁度模量，但針對(duì)每一次試驗(yàn)這是一個(gè)定值，JNM的最大值出現(xiàn)與S0無(wú)關(guān)，故此時(shí)的N與S0的取值無(wú)關(guān).

2 TB-AC13混合料疲勞性能研究

2.1 TB-AC13疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為全面性地進(jìn)行TB瀝青混合料的疲勞性能研究，本文選取瀝青用量、空隙率和應(yīng)變量作為疲勞試驗(yàn)的變量指標(biāo)，在該三種變量的變化條件下測(cè)定疲勞壽命［9］.瀝青用量選用4.0%，5.5%和7.0%，應(yīng)變量選用1 000×10-6，1 250×10-6和1 500×10-6，空隙率的變化通過(guò)調(diào)整輪碾次數(shù)實(shí)現(xiàn).

疲勞試驗(yàn)的結(jié)束條件設(shè)定為達(dá)到初始模量的10%時(shí)截止，同時(shí)記錄Nf50和NfNM疲勞次數(shù).

同一條件下安排多次平行試驗(yàn)，去除誤差大于20%和意外破壞試件，保證最終獲取誤差最小的兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，根據(jù)既定全面試驗(yàn)，記錄整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的混合料疲勞破壞次數(shù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5.將Nf50與NfNM匯總于同坐標(biāo)系中，計(jì)算其各自的變異系數(shù).結(jié)果如圖2所示.

圖2 溶解性膠粉改性瀝青混合料的Nf50與NfNM變異系數(shù)比較Fig.2 Comparison between coefficient variation（CV）of Nf50and NfNMof terminal blend rubberized asphalt mixture

對(duì)比Nf50與NfNM可以發(fā)現(xiàn)：

（1）對(duì)比NfNM與Nf50之間的差距，平均為7.308倍.Nf50法是以50%的初始勁度模量減少作為疲勞試驗(yàn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，而NfNM法是以10%的初始勁度模量減少作為疲勞試驗(yàn)的結(jié)束條件，一般的瀝青混合料在此條件下均能達(dá)到JNM峰值.因此，對(duì)比NfNM與Nf50之間的差距，平均為7.308倍；

（2）由于改性劑的存在，改性瀝青有著比基質(zhì)瀝青更好的韌性與彈性，在發(fā)生50%的初始勁度模量減少時(shí)，混合料通常遠(yuǎn)未發(fā)生疲勞破壞.同時(shí)，改性瀝青混合料初始勁度模量較大，基于BFA測(cè)試儀本身對(duì)初始模量的檢測(cè)具有不穩(wěn)定性，越大的勁度模量越難以準(zhǔn)確測(cè)定，因此第50次的勁度模量值變化較大，這是導(dǎo)致改性瀝青混合料Nf50數(shù)據(jù)離散性較大的原因.另一方面，由圖2可見(jiàn)，與初始勁度模量無(wú)關(guān)的NfNM變異系數(shù)較小，相對(duì)穩(wěn)定，可信度更高.

綜上所述，NfNM法測(cè)得的疲勞次數(shù)更能客觀反映TB改性瀝青混合料的疲勞性能.

2.2 回歸分析

將試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)1stOpt編程擬合得到各個(gè)參數(shù)，結(jié)果如下：

式中：Nf為疲勞壽命，次；ε為應(yīng)變，×10-6；WAC為瀝青含量，%；Va為空隙率，%.

回歸公式的相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.936，可見(jiàn)TBAC13混合料疲勞壽命與應(yīng)變量、瀝青用量以及空隙率有不錯(cuò)的相關(guān)性.從擬合方程角度分析，應(yīng)變量越小，瀝青用量越大，空隙率越小則疲勞壽命越長(zhǎng).

3 相同設(shè)計(jì)空隙率下TB-AC13與SBS-AC13混合料疲勞性能對(duì)比

SBS改性瀝青在我國(guó)應(yīng)用最為成熟和廣泛，TB膠粉改性瀝青具有良好的應(yīng)用前景，本文選用SBS改性瀝青混合料與其混合料進(jìn)行疲勞性能的對(duì)比.

在混合料的疲勞性能試驗(yàn)對(duì)比中需要特別說(shuō)明：其一，空隙率是瀝青混合料設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)，在疲勞性能的測(cè)試中應(yīng)予以著重考慮.本文特以4%作為AC13的設(shè)計(jì)空隙率，并在此條件下進(jìn)行混合料的疲勞性能對(duì)比.控制混合料4%空隙率的方法是混合料在最佳油石比下進(jìn)行試碾壓以確定碾壓次數(shù)，試碾壓是一個(gè)重復(fù)且難以控制的過(guò)程，每種瀝青混合料的碾壓次數(shù)并不完全相同.疲勞試驗(yàn)小梁均按試碾壓確定的碾壓次數(shù)成型后切割制作，空隙率控制在目標(biāo)空隙率左右，誤差在±5%以內(nèi)，滿足此條件的小梁試件參與試驗(yàn).其二，瀝青是一種黏彈性材料，它會(huì)隨著往復(fù)應(yīng)力的加載而發(fā)生形變，自愈合無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生［10］，本文在進(jìn)行混合料的疲勞性能對(duì)比時(shí)將考慮自愈合的影響.根據(jù)先期關(guān)于自愈合的研究［11］，本文設(shè)定的自愈合條件為，將已進(jìn)行過(guò)一次疲勞測(cè)試并達(dá)到了NfNM的改性瀝青混合料小梁在50℃環(huán)境下保溫4h，然后靜置于15℃室溫下24 h，再進(jìn)行應(yīng)變量為1 000×10-6的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn).

表5 TB-AC13小梁疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 Data of the beam fatigue tests of TB-AC13

3.1 TB-AC13與SBS-AC13疲勞數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)均在1 000×10-6的應(yīng)變量下進(jìn)行，同一條件下安排多次平行試驗(yàn)，記錄NfNM，去除誤差大于20%和意外破壞試件，保證最終獲取誤差最小的兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較.記未考慮自愈合的疲勞壽命為Nf1，記完成自愈合條件處理的小梁疲勞壽命為Nf2，兩者相加記為Nf，試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總結(jié)果見(jiàn)表6.

由表6可見(jiàn)，在4%的空隙率下，無(wú)論是否考慮自愈合的影響，TB-AC13的疲勞壽命均較SBSAC13要低.未考慮自愈合時(shí)，SBS-AC13的疲勞壽命是TB-AC13的1.7倍，考慮自愈合后，SBS-AC13的疲勞壽命是TB-AC13的1.5倍.

表6 TB-AC13與SBS-AC13疲勞性能結(jié)果Tab.6 Results of fatigure performance between TB-AC13and SBS-AC13

3.2 TB-AC13與SBS-AC13自愈合能力比較

將表6中的Nf2與Nf1相除作百分率處理后作為各瀝青混合料的自愈合能力評(píng)價(jià)指標(biāo)，TB-AC13的自愈合評(píng)價(jià)指標(biāo)為71%，SBS-AC13的自愈合評(píng)價(jià)指標(biāo)為46%.在相同設(shè)計(jì)空隙率下，TB-AC13的自愈合能力優(yōu)于SBS-AC13.由于膠粉的存在，使得TB-AC13的自愈合能力優(yōu)于SBS-AC13.瀝青混合料的自愈合能力強(qiáng)，可在其長(zhǎng)期使用過(guò)程中增強(qiáng)其疲勞壽命.

4 TB加SBS復(fù)合改性瀝青的研究

由此前關(guān)于TB-AC13與SBS-AC13的疲勞性能研究可知，TB-AC13的疲勞性能表現(xiàn)不如SBSAC13，但其具有優(yōu)異的自愈合能力，同時(shí)從成本上看TB膠粉改性瀝青較SBS改性瀝青更低，具有一定的復(fù)合改性空間.本文采用SBS改性劑與TB膠粉改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性后進(jìn)一步探究其混合料性能.

4.1 TB加SBS-AC13與SBS-AC13疲勞性能比較

采用4.0%作為AC-13的設(shè)計(jì)空隙率，在此條件下進(jìn)行TB加SBS瀝青混合料的疲勞性能檢測(cè)，試驗(yàn)均在1 000×10-6的應(yīng)變量下進(jìn)行，同一條件下安排多次平行試驗(yàn)，去除誤差大于20%和意外破壞試件，保證最終獲取誤差最小的兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，并與SBS-AC13疲勞數(shù)據(jù)相比較，結(jié)果見(jiàn)表7.

表7 TB加SBS-AC13與SBS-AC13疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Test results of fatigue performance between TB＋SBS-AC13and SBS-AC13

由表7可見(jiàn)，在4%的空隙率下，無(wú)論是否考慮自愈合的影響，TB加SBS-AC13的疲勞壽命均較SBS-AC13要高.未考慮自愈合時(shí)，TB加SBS-AC13的疲勞壽命是SBS-AC13的2倍，考慮自愈合后，TB加SBS-AC13的疲勞壽命是SBS-AC13的2.1倍.

將表7中的Nf2與Nf1相除做百分率處理后作為兩種瀝青混合料的自愈合能力評(píng)價(jià)指標(biāo)，SBSAC13的自愈合評(píng)價(jià)指標(biāo)為46%，TB加SBS-AC13的自愈合評(píng)價(jià)指標(biāo)為49%，TB加SBS復(fù)合改性瀝青-AC13的自愈合能力略高于SBS-AC13.

4.2 TB加SBS-AC13與SBS-AC13高溫性能驗(yàn)證

為更全面地探究和檢驗(yàn)TB加SBS-AC13瀝青混合料的性能，以4.0%作為設(shè)計(jì)空隙率，對(duì)TB加SBS-AC13與SBS-AC13成型車(chē)轍試件，完成60℃下的車(chē)轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示.TB加SBSAC13的高溫性能明顯優(yōu)于SBS-AC13.

表8 TB加SBS-AC13與SBS-AC13的動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Test results of dynamic stability of TB＋SBSAC13and SBS-AC13

5 結(jié)論

涉及溶解性膠粉改性瀝青的室內(nèi)研究目前在國(guó)內(nèi)外還較少，本文通過(guò)對(duì)TB-AC13的疲勞性能研究，并與SBS-AC13疲勞性能對(duì)比，進(jìn)一步對(duì)TB加SBS復(fù)合改性瀝青混合料性能進(jìn)行探究，期望能在兼顧經(jīng)濟(jì)性的情況下，對(duì)拓展有關(guān)TB改性瀝青混合料性能的室內(nèi)研究提供參考和依據(jù)，相關(guān)結(jié)論如下：

（1）NfNM比Nf50更適合用于評(píng)價(jià)溶解性膠粉改性瀝青混合料的疲勞壽命.

（2）溶解性膠粉改性瀝青AC13混合料疲勞壽命與應(yīng)變量、瀝青用量以及空隙率有較好的相關(guān)性，從擬合方程角度分析，應(yīng)變量越小，瀝青用量越大，空隙率越小則疲勞壽命越長(zhǎng)；經(jīng)過(guò)回歸計(jì)算，給出了溶解性膠粉改性瀝青面層混合料的疲勞行為方程.

（3）在4%的設(shè)計(jì)空隙率下，未考慮自愈合時(shí)，SBS-AC13的疲勞壽命是TB-AC13的1.7倍，考慮自愈合后，SBS-AC13的疲勞壽命是TB-AC13的1.5倍.但TB-AC13的自愈合能力遠(yuǎn)高于SBSAC13.

（4）在考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下，采用3%的SBS對(duì)TB膠粉改性瀝青進(jìn)行復(fù)合改性后，在4%的設(shè)計(jì)空隙率下，無(wú)論是否考慮自愈合對(duì)疲勞性能的補(bǔ)償，TB加SBS-AC13的疲勞壽命均達(dá)到SBS-AC13疲勞壽命的2倍，且高溫性能亦遠(yuǎn)優(yōu)于SBS改性瀝青混合料.

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