老化CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料彎曲疲勞特性試驗(yàn)研究

楊侶珍， 張?jiān)蕦?/p>

(1.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410132； 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院； 3.湖南省交通建設(shè)造價(jià)管理站)

中國(guó)近54%的國(guó)土面積屬于季凍區(qū)，這些地區(qū)的氣候特點(diǎn)為夏季持續(xù)高溫多雨，冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，像西北和東北地區(qū)，代表性的“冰城”哈爾濱，路面溫度處于-40 ～70 ℃，跨度可達(dá)110 ℃。這對(duì)瀝青路面的性能提出了很高要求，既要有良好的高溫抗車轍能力、低溫抗裂縫延展能力，還需要一定的抗疲勞性能和抗老化能力。改性瀝青是解決這一問題的有效措施，已在實(shí)際生產(chǎn)過程中有大量應(yīng)用，如SBS、SBR、PE、橡膠粉等，但單一改性劑的綜合性能難以得到保證，復(fù)合改性瀝青技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

橡膠粉(CR)/SBS復(fù)合改性作為目前較為常見且已經(jīng)有實(shí)際應(yīng)用的復(fù)合改性技術(shù)受到越來越多的關(guān)注。CR/SBS復(fù)合改性瀝青的改性機(jī)理、微觀結(jié)構(gòu)、高低溫特性和混合料路用性能均已有較為系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明：其具有良好的高溫、低溫、水穩(wěn)定性能，是一種潛在的能適用于季凍區(qū)的復(fù)合材料，但對(duì)其混合料在抗老化性能和抗疲勞性能方面研究較少，特別是對(duì)不同老化程度復(fù)合改性瀝青混合料的疲勞性能缺乏全面的評(píng)價(jià)。

該文基于響應(yīng)曲面法，通過三大指標(biāo)常規(guī)試驗(yàn)確定CR/SBS復(fù)合改性瀝青的最佳摻量，在此基礎(chǔ)上對(duì)其混合料進(jìn)行短期老化和長(zhǎng)期老化制備得到不同老化程度復(fù)合改性瀝青混合料，測(cè)試不同老化程度下復(fù)合改性瀝青混合料路用性能和疲勞性能，得到其隨老化程度的變化規(guī)律，以全面評(píng)價(jià)CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的耐久性。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)采用的基質(zhì)瀝青為環(huán)烷基原油生產(chǎn)的鎮(zhèn)海AH-70#道路石油瀝青，其25 ℃針入度為75(0.1 mm)，10 ℃延度為31 cm，環(huán)球法測(cè)得的軟化點(diǎn)為58 ℃。SBS采用線形熱塑性丁苯橡膠SBSYH-791H(1301-1)，橡膠粉采用40目廢舊斜交輪胎橡膠粉。

1.2 試驗(yàn)方法

復(fù)合改性瀝青制備：將70#基質(zhì)瀝青在烘箱中加熱至150 ℃，待基質(zhì)瀝青具有一定的流動(dòng)性，加入一定比例的SBS、廢舊橡膠粉、相容劑、穩(wěn)定劑，溫度控制在180 ℃左右，將剪切儀轉(zhuǎn)速增至5 000 r/min，剪切60 min后置于烘箱中發(fā)育30 min，制得復(fù)合改性瀝青。

三大指標(biāo)試驗(yàn)：依據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，采用T0604-2011測(cè)試25 ℃條件下CR/SBS復(fù)合改性瀝青針入度、T0605-2011測(cè)試5 ℃瀝青延度、T0606-2011測(cè)試瀝青軟化點(diǎn)(環(huán)球法)。

老化試驗(yàn)：采用T0734-2000對(duì)熱拌瀝青混合料進(jìn)行短期老化，老化溫度135 ℃，時(shí)長(zhǎng)4 h，短期老化后成型試件進(jìn)行長(zhǎng)期老化，老化溫度85 ℃，時(shí)長(zhǎng)120 h。

路用性能試驗(yàn)：采用T0719-2011進(jìn)行車轍試驗(yàn)，以動(dòng)穩(wěn)定度檢驗(yàn)混合料高溫穩(wěn)定性，T0715-2011進(jìn)行彎曲試驗(yàn)測(cè)量低溫破壞應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)低溫性能，T0709-2011、T0729-2011進(jìn)行馬歇爾及浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性。

疲勞性能試驗(yàn)：兩點(diǎn)彎曲試件采用輪碾壓實(shí)儀成型，取瀝青混合料長(zhǎng)方體板正中部分切割成上底25 mm×25 mm、下底25 mm×56 mm、高250 mm的梯形懸臂梁；半圓彎曲試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的大直徑圓柱體試件(直徑150 mm、高度180 mm)切割而成，首先將圓柱體試件兩端上下對(duì)稱各切除15 mm，然后進(jìn)行三等分十字切割成6個(gè)直徑為150 mm、厚度為50 mm的半圓試件；四點(diǎn)彎曲試件由輪碾成型的瀝青混合料板塊切割而成，其長(zhǎng)度為380 mm、厚度50 mm、寬度63.5 mm。

采用T0739-2011進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞壽命試驗(yàn)，兩點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)采用歐洲EN 12697-24《Bituminous Mixtures - Test Methods for Hot Mix Asphalt》標(biāo)準(zhǔn)，半圓彎曲試驗(yàn)參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。兩點(diǎn)彎曲、半圓彎曲和四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)條件保持一致，試驗(yàn)溫度均為15 ℃，采用正弦波加載模式，加載頻率10 Hz。疲勞試驗(yàn)采用應(yīng)力控制，選用0.2、0.4、0.5、0.6、0.8共5個(gè)應(yīng)力比，每個(gè)試件進(jìn)行5次平行試驗(yàn)。

2 CR/SBS復(fù)合改性瀝青最佳瀝青摻量及混合料路用性能

2.1 基于響應(yīng)曲面法的最佳CR/SBS摻量確定

根據(jù)已有研究，SBS(2%、2.5%、3%、3.5%、4%)，橡膠粉(10%、15%、20%、25%、30%)均采用5種摻量作為備選摻量(內(nèi)摻)，其中相容劑摻量為1.5%、穩(wěn)定劑摻量為0.6%。根據(jù)響應(yīng)曲面法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上對(duì)原材料進(jìn)行高速剪切制備得到不同摻量CR/SBS復(fù)合改性瀝青，然后對(duì)其進(jìn)行三大指標(biāo)常規(guī)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

依據(jù)此試驗(yàn)結(jié)果，利用Expert-Design程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，以達(dá)到尋找研究范圍內(nèi)最佳摻量的目的。

(1) 軟化點(diǎn)

軟化點(diǎn)Expert-Design分析結(jié)果分別見圖1、2及表2。

圖1 軟化點(diǎn)對(duì)SBS、橡膠粉摻量響應(yīng)曲面圖

軟化點(diǎn)預(yù)測(cè)方程：

S=75.55+7.81A+10.59B-1.12AB-0.29A2+2.28B2-0.26A2B-1.68AB2-1.17A3-1.67B3

R2=0.995

式中：S為軟化點(diǎn)；A為橡膠粉摻量；B為SBS摻量。

圖2 軟化點(diǎn)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值分布

表2 軟化點(diǎn)數(shù)值分析

(2) 針入度

針入度Expert-Design分析結(jié)果分別見圖3、4及表3。

圖3 針入度對(duì)SBS、橡膠粉摻量響應(yīng)曲面圖

圖4 針入度實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值分布

表3 針入度數(shù)值分析

針入度預(yù)測(cè)方程：

P=62.18-3.97A-9.79B-0.22AB+2.05A2-3.65B2

R2=0.984

式中：P為針入度；A為橡膠粉摻量；B為SBS摻量。

(3) 延度

延度Expert-Design分析結(jié)果分別見圖5、6及表4。

圖5 延度對(duì)SBS、橡膠粉摻量響應(yīng)曲面圖

圖6 延度實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值分布

表4 延度數(shù)值分析

延度預(yù)測(cè)方程：

D=35.45-5.74A+13.61B

R2=0.981

式中：D為延度；A為橡膠粉摻量；B為SBS摻量。

依據(jù)JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中表4.6.2聚合物改性瀝青技術(shù)要求，按照適用于西北和東北地區(qū)的I-C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合響應(yīng)曲面法確定CR/SBS最佳摻量，見表5，取整得CR摻量為15%，SBS摻量為3%。

表5 最佳摻量

2.2 CR/SBS復(fù)合改性瀝青路用性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證CR/SBS復(fù)合改性瀝青最佳摻量的合理性并揭示其路用性能隨老化程度的變化規(guī)律，選用AC-13細(xì)粒式CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料，成型馬歇爾試件(180 ℃)確定最佳油石比(6.9%)和設(shè)計(jì)空隙率(4.0%)，對(duì)CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料進(jìn)行短期老化和長(zhǎng)期老化試驗(yàn)得到不同老化程度復(fù)合改性瀝青混合料，并測(cè)試其路用性能。

對(duì)不同老化程度復(fù)合改性瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾、浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融循環(huán)前后的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6～9。

表6 車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

表7 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果(-10 ℃)

表8 浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

表9 凍融劈裂殘留強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)果(-10 ℃)

綜合不同老化程度CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果，可以得出：在最佳CR/SBS摻量條件下，CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料高溫、低溫性能滿足夏炎熱-冬嚴(yán)寒地區(qū)的技術(shù)要求，水穩(wěn)定性滿足濕潤(rùn)區(qū)使用要求，且經(jīng)過短期老化和長(zhǎng)期老化后，其路用性能仍能符合檢驗(yàn)技術(shù)要求，CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料表現(xiàn)出良好的抗老化能力。為了充分評(píng)價(jià)CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的耐久性，開展不同彎曲模式疲勞試驗(yàn)，進(jìn)一步研究其疲勞特性。

3 老化CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料疲勞特性

目前常用的瀝青混合料疲勞測(cè)試方法有單軸壓縮、間接拉伸、直接拉伸、兩點(diǎn)彎曲、三點(diǎn)彎曲、四點(diǎn)彎曲、半圓彎曲等，不同的測(cè)試方法得到的試驗(yàn)結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，很難得出唯一的結(jié)論。研究表明：瀝青路面的疲勞破壞多以彎拉破壞為主，故選取兩點(diǎn)彎曲、半圓彎曲、四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)以綜合評(píng)價(jià)CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料疲勞性能，不同老化程度彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果見表10。

由表10可知：① 3種疲勞模式下的疲勞壽命有一定的差距，其中四點(diǎn)彎曲的疲勞壽命最大，半圓彎曲次之，兩點(diǎn)彎曲最小；② 從變異系數(shù)來看，半圓彎曲疲勞壽命離散性最小，變異系數(shù)全部控制在15%以內(nèi)，兩點(diǎn)彎曲變異系數(shù)高達(dá)29.68%，四點(diǎn)彎曲高達(dá)25.74%。

究其原因，這與試件的制作方式和應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)，兩點(diǎn)彎曲試件采用等腰梯形梁，最大應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在距試件底部1/3處，試件尺寸很難達(dá)到精度要求，從而造成理論開裂位置和實(shí)際開裂位置出現(xiàn)偏差；四點(diǎn)彎曲采用長(zhǎng)方體梁，試件尺寸較易精確控制，且兩個(gè)加載點(diǎn)之間的梁受力狀態(tài)保持一致，但對(duì)于非均質(zhì)的瀝青混合料來說，理論開裂位置為一區(qū)域，這無(wú)疑增大了缺陷出現(xiàn)的概率，從而造成離散性偏大；半圓彎曲為圓柱體試件切割一分為二得到，一方面保證了兩個(gè)半圓試件的一致性；另一方面試件受力模式唯一，最大應(yīng)力點(diǎn)始終為底部跨中位置，更能真實(shí)反映材料的疲勞抗力。

表10 不同老化程度彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果(15 ℃)

3.1 兩點(diǎn)彎曲疲勞

圖7 不同老化程度兩點(diǎn)彎曲疲勞方程(雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖)

表11 不同老化程度兩點(diǎn)彎曲疲勞方程擬合參數(shù)

從圖7、表11可以看出：疲勞壽命和應(yīng)力比有較好的線性相關(guān)關(guān)系。隨著老化程度的加劇，兩點(diǎn)彎曲疲勞壽命逐漸減小，短期老化后的疲勞壽命與未老化相差較小，這說明CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料在施工拌和攤鋪過程中的疲勞損傷較少；不同應(yīng)力比條件下，長(zhǎng)期老化后的兩點(diǎn)彎曲疲勞壽命為未老化的29%～68%，同時(shí)其疲勞壽命對(duì)應(yīng)力大小也越發(fā)敏感，說明老化作用對(duì)復(fù)合改性瀝青混合料產(chǎn)生了不利影響，這是因?yàn)闉r青在老化過程中變硬變脆，黏性成分減少，故在路面設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮老化帶來的疲勞損傷。但在應(yīng)力比為0.2的條件下，其兩點(diǎn)彎曲疲勞壽命仍有未老化的68%，也就是說在沒有超載嚴(yán)重的情況下，服役多年后的CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料仍具有較好的抗疲勞性能。

3.2 半圓彎曲疲勞

在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中對(duì)半圓彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖8及表12所示。

圖8 不同老化程度半圓彎曲疲勞方程(雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖)

表12 不同老化程度半圓彎曲疲勞方程擬合參數(shù)

從圖8、表12可以看出：半圓彎曲疲勞壽命和應(yīng)力比有很好的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.97。老化將導(dǎo)致CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料半圓彎曲疲勞壽命對(duì)應(yīng)力越發(fā)敏感。隨著老化程度的加劇，半圓彎曲疲勞壽命逐漸減小，短期老化后的疲勞壽命與未老化相差較小，長(zhǎng)期老化后疲勞壽命顯著減??；不同應(yīng)力比條件下，短期老化后的半圓彎曲疲勞壽命為未老化的59%～80%，長(zhǎng)期老化后的半圓彎曲疲勞壽命為未老化的21%～69%，但在應(yīng)力比為0.2時(shí)，短期和長(zhǎng)期老化之后半圓彎曲疲勞壽命仍有未老化時(shí)的79%和69%，同樣說明低應(yīng)力比條件下CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料具有一定的抗老化和疲勞性能。

3.3 四點(diǎn)彎曲疲勞

在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中對(duì)四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖9及表13所示。

圖9 不同老化程度四點(diǎn)彎曲疲勞方程(雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖)

表13 不同老化程度四點(diǎn)彎曲疲勞方程擬合參數(shù)

從圖9、表13可以看出：四點(diǎn)彎曲疲勞壽命和應(yīng)力比有較好的線性相關(guān)關(guān)系。隨著老化程度的加劇，四點(diǎn)彎曲疲勞壽命逐漸減小，其疲勞壽命對(duì)應(yīng)力大小也越發(fā)敏感，短期老化后的疲勞壽命與未老化相差較小，這與兩點(diǎn)彎曲和半圓彎曲得出的結(jié)論一致；但在不同應(yīng)力比條件下，短期老化后的四點(diǎn)彎曲疲勞壽命均為未老化的72%左右；相對(duì)未老化，長(zhǎng)期老化后的疲勞壽命隨應(yīng)力比的增大而折減得更為明顯，最低可折減到原來的20%。由此可見，如有超載，對(duì)老化后的CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料產(chǎn)生的疲勞損傷是極其不利的。

3.4 彎曲疲勞特性比較

對(duì)不同彎曲模式和不同老化程度的CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料疲勞方程進(jìn)行匯總分析(圖10、11)，并分析其疲勞方程擬合參數(shù)的變化規(guī)律，以期深入評(píng)價(jià)CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的抗老化和抗彎曲疲勞特性。

圖10 不同老化程度彎曲疲勞方程對(duì)比(雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖)

圖10、11表明：對(duì)于CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料，同種老化程度，不同彎曲模式的疲勞方程差異明顯，同種彎曲模式，不同老化程度的疲勞方程不盡相同。

整體來看，無(wú)論何種老化程度，四點(diǎn)彎曲的疲勞曲線線位最高，半圓彎曲次之，兩點(diǎn)彎曲最低，線位越高，說明耐久性更好，但顯然，對(duì)于同樣一種材料，其耐久性應(yīng)是唯一的，這就涉及到耐久性評(píng)價(jià)方式的選取，從疲勞試驗(yàn)的離散性和擬合方程的相關(guān)性來說，半圓彎曲是一個(gè)好的選擇。從CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料對(duì)應(yīng)力的敏感性，也即參數(shù)n值來看，兩點(diǎn)彎曲最大，四點(diǎn)彎曲次之，半圓彎曲的n值總體為最小，n值越小說明對(duì)應(yīng)力越發(fā)不敏感，這也反映出半圓彎曲的一定優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠淇梢韵糠秩藶橐蛩匾鸬脑囼?yàn)加載條件誤差。因此，半圓彎曲試驗(yàn)用來評(píng)價(jià)老化CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的彎曲疲勞特性更具合理性和適用性。

圖11 不同老化程度彎曲疲勞方程擬合參數(shù)對(duì)比

圖12為不同彎曲模式疲勞方程擬合參數(shù)對(duì)老化的敏感性分析，即以未老化時(shí)的疲勞參數(shù)作為分母(基準(zhǔn)為1)，短期老化和長(zhǎng)期老化的疲勞方程參數(shù)作為分子，兩者相比描述k、n參數(shù)隨老化程度加劇的相對(duì)變化。各點(diǎn)之間用水平階梯中心線連接，從而更為直觀地描述參數(shù)對(duì)老化的敏感性。

從圖12可以看出：k的相對(duì)變化在水平線1以上，n的相對(duì)變化在水平線1以下。對(duì)于k，水平線位越高，說明對(duì)老化越敏感；對(duì)于n，水平線位越低，說明對(duì)老化更敏感?？梢灾庇^地得出，半圓彎曲疲勞方程參數(shù)對(duì)老化最為敏感，四點(diǎn)彎曲次之，對(duì)老化最不敏感的為兩點(diǎn)彎曲。因此，不同彎曲模式中，評(píng)價(jià)CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的抗老化性能，半圓彎曲同樣是一個(gè)較好的選擇。

圖12 彎曲疲勞方程參數(shù)老化敏感性分析

4 結(jié)論

(1) 針入度、軟化點(diǎn)、延度試驗(yàn)結(jié)果表明：在摻量研究范圍內(nèi)，當(dāng)CR/SBS復(fù)合改性瀝青中橡膠粉摻量為15%、SBS摻量為3%時(shí)，制備得到的改性瀝青效果最優(yōu)，能完全滿足季凍區(qū)技術(shù)要求。

(2) 最佳CR/SBS摻量條件下，CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能符合夏炎熱-冬嚴(yán)寒地區(qū)技術(shù)要求，且經(jīng)過短期老化甚至長(zhǎng)期老化后，其高溫、低溫、水穩(wěn)定性仍滿足使用需求，表現(xiàn)出良好的抗老化性能。

(3) 兩點(diǎn)彎曲、半圓彎曲、四點(diǎn)彎曲3種模式下，CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料疲勞壽命大小關(guān)系為：四點(diǎn)彎曲>半圓彎曲>兩點(diǎn)彎曲，其中以半圓彎曲的離散性最小，擬合度最高。

(4) 3種彎曲模式均表明：相比未老化，經(jīng)過短期和長(zhǎng)期老化后的CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料疲勞壽命遞減，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮老化帶來的壽命折減，低應(yīng)力比條件下，老化對(duì)其影響較小，應(yīng)力比為0.2時(shí)，疲勞壽命可保持未老化時(shí)的69%。

(5) CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料3種彎曲疲勞方程參數(shù)對(duì)老化敏感程度大小依次為：半圓彎曲>四點(diǎn)彎曲>兩點(diǎn)彎曲，綜合結(jié)論(3)，建議以半圓彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)CR/SBS復(fù)合改性瀝青混合料疲勞特性。