橡塑瀝青混合料疲勞性能測(cè)試及預(yù)估模型研究

任瑞波，耿立濤，陳蒙蒙，閆飛龍

（山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101）

橡塑瀝青混合料疲勞性能測(cè)試及預(yù)估模型研究

任瑞波，耿立濤，陳蒙蒙，閆飛龍

（山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東濟(jì)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(shí)實(shí)現(xiàn)廢料的循環(huán)利用，瀝青混合料的疲勞性能與瀝青路面的損壞機(jī)理密切相關(guān)，開(kāi)展其疲勞性能的研究具有重要意義。文章基于應(yīng)變控制模式下的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)來(lái)研究穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞性能，選取SMA-13級(jí)配，設(shè)計(jì)了不同條件下的測(cè)試方案，分析了應(yīng)變水平、空隙率及瀝青含量對(duì)混合料疲勞性能的影響，并對(duì)所選擇的疲勞預(yù)估模型進(jìn)行了修正。結(jié)果表明：穩(wěn)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(yīng)變水平的減小而增加；修正后的疲勞預(yù)估方程可以較為精確的預(yù)測(cè)其疲勞壽命，驗(yàn)證結(jié)果和預(yù)測(cè)結(jié)果的相關(guān)性系數(shù)達(dá)0.915。

橡塑改性瀝青混合料；疲勞性能；預(yù)估模型

0 引言

近年來(lái)，由于我國(guó)道路交通量激增，超載超限現(xiàn)象嚴(yán)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(chǎn)生時(shí)間、破壞程度與道路交通量和車(chē)輛荷載大小均有關(guān)［1］。疲勞損壞主要同行車(chē)荷載的反復(fù)作用有關(guān)，由于在車(chē)輪荷載的反復(fù)作用下，路面長(zhǎng)期處于應(yīng)力應(yīng)變交迭變化狀態(tài)，致使路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸下降，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)強(qiáng)度下降后的結(jié)構(gòu)抗力，促使路面出現(xiàn)裂紋，從而產(chǎn)生疲勞斷裂破壞。瀝青混合料疲勞性能研究經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了許多好的試驗(yàn)方法和分析方法，并取得了大量的研究成果。近年來(lái)，隨著各式各樣的改性瀝青材料在道路行業(yè)的應(yīng)用，也使得瀝青混合料材料的疲勞特性發(fā)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(diǎn)，是國(guó)內(nèi)外道路學(xué)者研究課題所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

同時(shí)，由于汽車(chē)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(chǎn)生，在其處理和再利用方面，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者作了許多有益的嘗試［2-4］。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)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(jié)合廢舊橡膠輪胎和廢舊塑料在瀝青改性中的各自性能優(yōu)勢(shì)，采用特定的加工工藝實(shí)現(xiàn)了廢舊橡膠與廢舊塑料兩相界面的熔融結(jié)合，據(jù)此開(kāi)發(fā)了具有優(yōu)良路用的穩(wěn)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(yōu)勢(shì)［8］。這不僅可以處理大量的廢舊輪胎和塑料并解決其帶來(lái)的污染問(wèn)題，還有效的改善了瀝青材料的使用性能，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。

文章目的在于研究穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞特性。采用應(yīng)變控制模式下的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，分析橡塑高分子合金改性瀝青混合料的疲勞性能。并通過(guò)疲勞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，建立了穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞性能預(yù)估方程，以期為該種瀝青混合料的工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供理論支持。

1 穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料設(shè)計(jì)及疲勞試驗(yàn)

首先進(jìn)行穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料設(shè)計(jì)，進(jìn)而制備試件，以四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)其疲勞性能。選用SMA-13型瀝青混合料作為研究對(duì)象，以優(yōu)質(zhì)玄武巖作為集料，石灰?guī)r礦粉作為填料，木質(zhì)素纖維作為纖維穩(wěn)定劑。根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的試樣制備和試驗(yàn)方法［9］，所采用的穩(wěn)定型橡塑合金改性瀝青的技術(shù)性能如表1所示，設(shè)計(jì)級(jí)配見(jiàn)表2。

表1 穩(wěn)定型橡塑合金改性瀝青的技術(shù)性能

表2 穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配

穩(wěn)定型橡塑改性瀝青的路用性能達(dá)到了PG分級(jí)中PG76-28的技術(shù)要求，滿足了PG分級(jí)中76℃以上的高溫要求，具有良好的高溫性能，說(shuō)明穩(wěn)定型橡塑改性瀝青在高溫時(shí)施加荷載撤離后的變形更容易恢復(fù)，有著較好的高溫抗變形性能。同時(shí)，穩(wěn)定型橡塑改性瀝青滿足了PG分級(jí)-28℃的低溫要求，說(shuō)明穩(wěn)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(yīng)變水平能直接反映試件發(fā)生彎曲變形的程度，也可以在一定程度上代表實(shí)際路面所能夠承受的車(chē)輛荷載作用大小程度［10］。相關(guān)研究結(jié)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(diǎn)彎曲梁疲勞試驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式進(jìn)行，測(cè)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(shù)作為混合料的疲勞壽命。進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，以應(yīng)變水平、瀝青含量及空隙率3個(gè)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行分析，每個(gè)試驗(yàn)選擇3個(gè)測(cè)試水平，試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

表3 穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)方案

混合料的最大相對(duì)理論密度統(tǒng)一采用JTGE20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的計(jì)算法獲得［9］。文章通過(guò)控制裝料質(zhì)量和壓實(shí)次數(shù)來(lái)控制空隙率，空隙率指標(biāo)統(tǒng)一以實(shí)測(cè)的試件毛體積相對(duì)密度和計(jì)算法最大相對(duì)理論密度的計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)。

2 不同影響條件下的疲勞壽命測(cè)試分析

不同瀝青含量、混合料空隙率及應(yīng)變水平條件下，穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料疲勞壽命的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)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(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料疲勞壽命隨著應(yīng)變水平的增加而降低。應(yīng)變水平從600με增加到800με時(shí)，穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞壽命下降幅度很大；應(yīng)變水平從800με增加到1000με時(shí)，穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞壽命下降相對(duì)緩慢。

在應(yīng)變水平恒定，空隙率相同時(shí)，隨著瀝青含量的增加，穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料疲勞壽命增加。在應(yīng)變水平為600με，空隙率為5.0%時(shí)，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(yīng)變水平相同的情況下，穩(wěn)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(zhǎng)。

Tayebali等依據(jù)常規(guī)熱拌瀝青混合料控制應(yīng)變疲勞試驗(yàn)結(jié)果的分析認(rèn)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(duì)比Bazin、Tayebali等的研究成果可知，穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞壽命與常規(guī)熱拌瀝青混合料的變化規(guī)律相似［11，14］。因此，準(zhǔn)確控制壓實(shí)（空隙率）對(duì)于保證穩(wěn)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(yù)估模型的確定與參數(shù)修正

室內(nèi)疲勞壽命預(yù)估模型的形式?jīng)Q定了整個(gè)瀝青路面疲勞預(yù)估模型的基本形式。室內(nèi)疲勞壽命預(yù)估模型形式的確定，不僅要考慮模型的精度，同時(shí)還應(yīng)綜合考慮模型的實(shí)用性和靈活性。孫杰提出了瀝青混合料疲勞壽命預(yù)估模型，由式（1）表示為［15］

式中：Nf為破壞時(shí)載荷重復(fù)作用次數(shù)；ε為施加的應(yīng)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(yīng)變水平及瀝青混合料體積參數(shù)對(duì)混合料疲勞性能的影響，其中瀝青混合料的體積參數(shù)以瀝青飽和度VFA表征，由于VFA指標(biāo)與瀝青混合料的空隙率具有相關(guān)性，因此預(yù)估模型整體在變量的選擇上具有合理性。

利用該預(yù)估模型對(duì)表4中的穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行了疲勞壽命預(yù)測(cè)，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，預(yù)測(cè)結(jié)果如圖1所示。

圖1 穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料疲勞壽命預(yù)估與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

由圖1可以看出，對(duì)穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料而言，該模型的預(yù)估精度不足。分析原因認(rèn)為，該預(yù)測(cè)模型中涉及瀝青混合料性能各項(xiàng)因素的參數(shù)均建立在常規(guī)瀝青混合料材料測(cè)試的基礎(chǔ)上，而對(duì)于穩(wěn)定型橡塑改性瀝青這種新型的瀝青膠結(jié)料，預(yù)估模型中性能參數(shù)尚需調(diào)整。

文章通過(guò)對(duì)取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，將該疲勞預(yù)估模型中與橡塑改性瀝青混合料性能相關(guān)的系數(shù)進(jìn)行修正，即疲勞模型中應(yīng)變、初始勁度模量以及瀝青飽和度的指數(shù)位置的3個(gè)系數(shù)進(jìn)行修正，疲勞模型由式（2）表示為

式中：a、b、c為需要進(jìn)行修正的方程參數(shù)。

將疲勞壽命測(cè)試結(jié)果隨機(jī)分成2個(gè)部分，第一部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用非線性回歸分析的方法確定3個(gè)擬合參數(shù)，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(yù)測(cè)結(jié)果及預(yù)測(cè)精度。利用第二部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)式（3）中的預(yù)估模型進(jìn)行驗(yàn)證，預(yù)測(cè)結(jié)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(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值間的吻合程度較高，驗(yàn)證了修正的疲勞模型對(duì)于橡塑改性瀝青混合料疲勞壽命有著較高的預(yù)測(cè)精度，修正后的疲勞模型的驗(yàn)證結(jié)果和預(yù)測(cè)結(jié)果的R2達(dá)0.915。

圖2 修正后的疲勞模型的預(yù)測(cè)結(jié)果圖

圖3 修正后的疲勞模型的驗(yàn)證結(jié)果圖

4 結(jié)論

通過(guò)上述研究可知：

（1）應(yīng)變水平、空隙率和瀝青含量均對(duì)穩(wěn)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(guī)律為疲勞壽命隨著應(yīng)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(yīng)變水平為600με，空隙率為5.0%時(shí)，瀝青含量增加0.4%，其疲勞壽命上升約88%。

（2）基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，修正了現(xiàn)有預(yù)估模型，獲得了可以較為精確預(yù)測(cè)穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料的疲勞壽命的預(yù)估模型，修正后的疲勞模型的驗(yàn)證結(jié)果和預(yù)測(cè)結(jié)果的R2達(dá)0.915。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］ 耿立濤，楊新龍，任瑞波，等.穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量預(yù)估［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2013，16（4）：720-724.

［3］ 李德超，武賢慧.PE改性瀝青性能研究［J］.石油瀝青，2003，17（3）：39-43.

［4］ Mortazavi S.B.，Rasoulzadeh Y.，Yousefi A.A.，et al.. Properties of modified bitumen obtained from vacuum Bottom by adding recycled waste polymers and natural bitumen［J］.Iranian Polymer Journal，2010，19（3）：197-205.

［5］ 黃衛(wèi)東，王偉，黃巖，等.橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素試驗(yàn)［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，38（7）：1023-1028.

［6］ Geng L.T.，Wang X.Y.，Ren R.B.，et al..Performance evaluation of densemixtureswith stabilised rubbermodified asphalt［J］.Road Materials and Pavement Design，2014，15（4）：953-965.

［7］ 張遠(yuǎn)喜，周麗玲，袁維娜.新型補(bǔ)強(qiáng)劑Le補(bǔ)強(qiáng)丁腈橡膠膠料的結(jié)構(gòu)與性能［J］.橡膠工業(yè)，2012，59（2）：101-106.

［8］ 任瑞波，耿立濤，徐強(qiáng)，等.穩(wěn)定型橡塑改性瀝青混合料的路用性能研究［J］.公路，2015（7）：11-15.

［9］ JTG E20—2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［10］虞將苗.瀝青混合料疲勞性能研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2005.

［11］Bazin P.，Saunier J.B..Deformability Fatigue and Healing Properties of Asphalt Mixes［C］.Proceedings，2nd International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements. Michigan：University of Michigan，1967.

［12］周超.橡膠瀝青混合料疲勞壽命關(guān)鍵影響因素分析［J］.中外公路，2015，35（1）：310-314.

［13］黃衛(wèi)東，高川，李昆.橡膠瀝青混合料疲勞性能影響因素研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，37（12）：1608-1614.

［14］Tayebalia A.，DeaconJ.A.，CoplantzJ.S.，et al..Modeling fatigue response of asphalt-aggregate mixtures［J］.Journal of AAPT，1993（62）：385-421.

［15］孫杰.基于應(yīng)力控制模式下的瀝青混合料疲勞開(kāi)裂預(yù)估模型的研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2010.

（校慶約稿）

山東建筑大學(xué)道路與鐵道工程學(xué)科——任瑞波教授

任瑞波教授現(xiàn)任山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院院長(zhǎng)?，F(xiàn)為山東建筑大學(xué)道路與鐵道工程學(xué)科首席崗教授，享受?chē)?guó)務(wù)院政府特殊津貼專(zhuān)家，碩士生導(dǎo)師、兼職博導(dǎo)，山東省高校十大師德標(biāo)兵、山東省先進(jìn)教育工作者、道路與鐵道工程學(xué)科帶頭人、中組部第六批博士團(tuán)成員。

任瑞波教授2001年博士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲工學(xué)學(xué)位，2003年哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士后。現(xiàn)兼職：山東省城市建設(shè)管理協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)、中國(guó)市政工程協(xié)會(huì)常務(wù)理事、山東土木建筑學(xué)會(huì)理事、高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)和干旱荒漠區(qū)公路工程技術(shù)全國(guó)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)學(xué)術(shù)帶頭人。多年從事道路瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料研究，在高等級(jí)公路瀝青路面結(jié)構(gòu)計(jì)算方法、水與動(dòng)荷載耦合作用下瀝青路面損壞機(jī)理分析、穩(wěn)定型廢舊橡塑改性瀝青機(jī)理等基礎(chǔ)理論研究方面取得顯著成果，并在穩(wěn)定型橡膠瀝青改性技術(shù)、高粘瀝青改性技術(shù)、高模量瀝青混合料應(yīng)用技術(shù)、骨架密實(shí)型半剛性基層材料應(yīng)用技術(shù)、溫拌瀝青混合料應(yīng)用技術(shù)等工程應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域取得多項(xiàng)創(chuàng)新成果。研究成果成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)16個(gè)省近100項(xiàng)工程中，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

任瑞波教授組織成功申報(bào)了我校交通運(yùn)輸工程一級(jí)學(xué)科碩士點(diǎn)以及交通運(yùn)輸工程領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)位授予權(quán)，創(chuàng)辦了我校交通工程學(xué)院。

主持和參與完成國(guó)家、省部級(jí)科研項(xiàng)目30余項(xiàng)，獲中國(guó)公路學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)特等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)4項(xiàng)；主編教材和著作5部；發(fā)表學(xué)術(shù)論文90余篇，期中：SCI、EI收錄50余篇。已培養(yǎng)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51278288）

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