溶解性胶粉改性沥青混合料疲劳性能

黄卫东，郑 茂，2，黄 明

（1.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804；2.四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，四川 成都610000；3.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092）

Terminal Blend（TB）胶粉改性沥青是近年在美国发展起来的一种新型改性沥青，其主要是由30目（0.6 mm）或者更细的胶粉颗粒改性，让胶粉在沥青中发生脱硫反应并可以较快地分解、融合，这些脱硫并存贮稳定的橡胶粉改性沥青在美国被统称为Terminal Blend胶粉改性沥青.这种胶粉改性沥青在国内还没有统一的名称，鉴于该类胶粉沥青在三氯乙烯中的溶解度可以达到99%以上，因此本文统一将其译为“溶解性胶粉改性沥青”，其胶粉掺量通常在外掺5%～25%之间［1-2］.由于对废旧橡胶的使用，其与传统橡胶沥青一样具有良好的社会和环保效应，更为重要的是其具有比传统橡胶沥青更为良好的储存稳定性，工程应用成本也比苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）嵌段共聚物改性沥青和传统橡胶沥青低.

美国加州大学伯克利分校的University of California Pavement Research Center（UCPRC）用Heavy Vehicle Simulator（HVS）所做的加速加载试验表明，溶解性胶粉改性沥青有很好的抗反射裂缝能力［3］.美国联邦公路管理局（FHWA）用Accelerated Loading Facility（ALF）加速加载试验对溶解性胶粉改性沥青的抗反射裂缝能力进行了评价，其结果见图1，第5道的Crumb Rubber-Terminal Blend（CR-TB）表现要优于SBS等诸多种沥青混合料.

图1 ALF对溶解性胶粉改性沥青混合料（CR-TB）的评价结果［4］Fig.1 Evaluation results of terminal blend rubberized asphalt concrete（CR-TB）by ALF

溶解性胶粉改性沥青在美国已获得了较为广泛的应用，但除了上述两次影响较大的加速加载试验，在美国针对该沥青及其混合料的室内试验研究还很少，有关疲劳性能方面的室内试验研究更少.美国加州大学伯克利分校的Tsai Bor-Wen等人在进行溶解性胶粉改性沥青混合料的疲劳试验［5］时，采用7.1%的单一沥青用量；内华达大学的Elie Y.Hajj等人在进行溶解性胶粉改性沥青混合料的疲劳试验［6］时，以控制空隙率的方式成型试件，空隙率标准选定为7%.可见，在美国有限的针对溶解性胶粉改性沥青混合料疲劳性能的室内试验时，沥青用量、空隙率等关键指标的选择均有局限性，并不能全面反映溶解性胶粉改性沥青混合料的疲劳性能，且混合料控制指标标准的选择合理性也有待商榷.另一方面，在国内，目前几乎没有针对溶解性胶粉改性沥青混合料疲劳性能的研究.

本文将对溶解性胶粉改性沥青混合料的疲劳性能进行全面研究，并在4%的空隙率条件下与SBS沥青混合料的疲劳性能进行对比.同时，从成本上看溶解性胶粉改性沥青较SBS改性沥青更低，具有一定的复合改性空间.本文采用SBS改性剂与溶解性胶粉改性沥青进行复合改性后进一步探究其混合料性能，希望能为拓展有关溶解性胶粉改性沥青的室内性能研究提供参考和依据.

1 试验材料和试验方法

1.1 沥青和改性剂

本次研究中采用埃索70号基质沥青进行改性剂改性，研究中所用改性沥青种类及其改性方案见表1.其中，溶解性胶粉改性沥青的制备过程中，一般是通过高温、氧化、活化或剪切等化学或物理手段，使胶粉充分脱硫降解.本文所用溶解性胶粉改性沥青是经过高温高压制备的，考虑到在试验室实现比较困难，故统一采用厂拌成品沥青，其产地为安徽.SBS改性沥青的室内加工过程如下：加入内掺4.5%质量分数的SBS改性剂以及0.15%质量分数的稳定剂，在180℃下用高速剪切机以6 000～7 000r·min-1的转速剪切、研磨、挤压30min后，再搅拌90 min，最后在160℃左右的恒温烘箱孕育30min.TB加SBS复合改性沥青室内制备过程为：向TB中加入内掺3%质量分数的SBS改性剂以及0.15%质量分数的稳定剂，在150℃下强力搅拌1.5h.各改性沥青的基本指标见表2［7］.

表1 改性沥青的改性方案Tab.1 Modified ways of modified asphalts

1.2 集料和级配

1.2.1 集料

本文整个混合料设计研究过程采用江苏溧阳产玄武岩，浙江安吉产石灰岩，填料为浙江安吉产石灰石矿粉.集料各项指标均能满足规范要求.

1.2.2 级配

试验所采用级配类型为密级配沥青混凝土混合料AC13，各尺寸筛孔通过率均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）［8］所提供级配范围，见表3.

表2 改性沥青的指标测试结果Tab.2 Test results for modified asphalts

表3 试验所用级配Tab.3 The gradation used in tests

1.3 混合料初步设计

以4%作为设计空隙率，在表3提供的级配下，试验确定三种沥青混合料的最佳沥青用量.试验选用0.5%作为间隔，在3.5%，4.0%，4.5%，5.0%和5.5%五个沥青用量下进行马歇尔击实试验.混合料密度及空隙率测试结果见表4，其中毛体积相对密度采用马歇尔试件表干法测得，最大理论相对密度通过计算法测得［7］.

表4 混合料空隙率结果Tab.4 Voidage results of mixtures

1.4 试验方法和试验指标

1.4.1 试验方法

本文所有试验均采用Beam Fatigue Apparatus（BFA）试验机，该机是澳大利亚Industrial Process Control（IPC）Global公司生产的四点弯曲疲劳试验机，使用Universal Testing Machines（UTM）软件系统操作.

1.4.2 试验评价指标

50%初始劲度模量降低疲劳寿命（Nf50）为Strategic Highway Research Program （SHRP）-A303中推荐的疲劳试验的判断方法.许多试验证实了疲劳破坏发生在40%的初始模量降低处，据此，SHRP-A303中推荐50%的初始劲度模量减少作为疲劳试验的判断标准即疲劳寿命Nf50法，形成了American Association of State Highway and Transportation Officials（AASHTO）TP-8标准.

归一化劲度次数积疲劳寿命（NfNM）是美国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，疲劳破坏点定义为归一化劲度次数积在荷载次数图中的峰值，初始劲度模量取第50次的劲度模量.对归一化劲度次数积的获取如下：

归一化劲度次数积（normolized modulus cycles，JNM）为

式中：JNM为归一化劲度次数积；Ni为加载次数；Si为第i次加载时的劲度模量；S0为初始劲度模量，取第50次加载时的劲度模量；N0为初始次数，取50次.

当JNM达到最大值时的N即为材料的疲劳破坏次数.虽然公式中提出了初始劲度模量选取第50次的劲度模量，但针对每一次试验这是一个定值，JNM的最大值出现与S0无关，故此时的N与S0的取值无关.

2 TB-AC13混合料疲劳性能研究

2.1 TB-AC13疲劳试验数据

为全面性地进行TB沥青混合料的疲劳性能研究，本文选取沥青用量、空隙率和应变量作为疲劳试验的变量指标，在该三种变量的变化条件下测定疲劳寿命［9］.沥青用量选用4.0%，5.5%和7.0%，应变量选用1 000×10-6，1 250×10-6和1 500×10-6，空隙率的变化通过调整轮碾次数实现.

疲劳试验的结束条件设定为达到初始模量的10%时截止，同时记录Nf50和NfNM疲劳次数.

同一条件下安排多次平行试验，去除误差大于20%和意外破坏试件，保证最终获取误差最小的两个数据进行分析比较，根据既定全面试验，记录整个试验过程的混合料疲劳破坏次数，试验数据见表5.将Nf50与NfNM汇总于同坐标系中，计算其各自的变异系数.结果如图2所示.

图2 溶解性胶粉改性沥青混合料的Nf50与NfNM变异系数比较Fig.2 Comparison between coefficient variation（CV）of Nf50and NfNMof terminal blend rubberized asphalt mixture

对比Nf50与NfNM可以发现：

（1）对比NfNM与Nf50之间的差距，平均为7.308倍.Nf50法是以50%的初始劲度模量减少作为疲劳试验的判断标准，而NfNM法是以10%的初始劲度模量减少作为疲劳试验的结束条件，一般的沥青混合料在此条件下均能达到JNM峰值.因此，对比NfNM与Nf50之间的差距，平均为7.308倍；

（2）由于改性剂的存在，改性沥青有着比基质沥青更好的韧性与弹性，在发生50%的初始劲度模量减少时，混合料通常远未发生疲劳破坏.同时，改性沥青混合料初始劲度模量较大，基于BFA测试仪本身对初始模量的检测具有不稳定性，越大的劲度模量越难以准确测定，因此第50次的劲度模量值变化较大，这是导致改性沥青混合料Nf50数据离散性较大的原因.另一方面，由图2可见，与初始劲度模量无关的NfNM变异系数较小，相对稳定，可信度更高.

综上所述，NfNM法测得的疲劳次数更能客观反映TB改性沥青混合料的疲劳性能.

2.2 回归分析

将试验结果经过1stOpt编程拟合得到各个参数，结果如下：

式中：Nf为疲劳寿命，次；ε为应变，×10-6；WAC为沥青含量，%；Va为空隙率，%.

回归公式的相关系数R2达到0.936，可见TBAC13混合料疲劳寿命与应变量、沥青用量以及空隙率有不错的相关性.从拟合方程角度分析，应变量越小，沥青用量越大，空隙率越小则疲劳寿命越长.

3 相同设计空隙率下TB-AC13与SBS-AC13混合料疲劳性能对比

SBS改性沥青在我国应用最为成熟和广泛，TB胶粉改性沥青具有良好的应用前景，本文选用SBS改性沥青混合料与其混合料进行疲劳性能的对比.

在混合料的疲劳性能试验对比中需要特别说明：其一，空隙率是沥青混合料设计中的关键点，在疲劳性能的测试中应予以着重考虑.本文特以4%作为AC13的设计空隙率，并在此条件下进行混合料的疲劳性能对比.控制混合料4%空隙率的方法是混合料在最佳油石比下进行试碾压以确定碾压次数，试碾压是一个重复且难以控制的过程，每种沥青混合料的碾压次数并不完全相同.疲劳试验小梁均按试碾压确定的碾压次数成型后切割制作，空隙率控制在目标空隙率左右，误差在±5%以内，满足此条件的小梁试件参与试验.其二，沥青是一种黏弹性材料，它会随着往复应力的加载而发生形变，自愈合无时无刻不在发生［10］，本文在进行混合料的疲劳性能对比时将考虑自愈合的影响.根据先期关于自愈合的研究［11］，本文设定的自愈合条件为，将已进行过一次疲劳测试并达到了NfNM的改性沥青混合料小梁在50℃环境下保温4h，然后静置于15℃室温下24 h，再进行应变量为1 000×10-6的四点弯曲疲劳试验.

表5 TB-AC13小梁疲劳试验数据Tab.5 Data of the beam fatigue tests of TB-AC13

3.1 TB-AC13与SBS-AC13疲劳数据分析

试验均在1 000×10-6的应变量下进行，同一条件下安排多次平行试验，记录NfNM，去除误差大于20%和意外破坏试件，保证最终获取误差最小的两个数据进行分析比较.记未考虑自愈合的疲劳寿命为Nf1，记完成自愈合条件处理的小梁疲劳寿命为Nf2，两者相加记为Nf，试验数据汇总结果见表6.

由表6可见，在4%的空隙率下，无论是否考虑自愈合的影响，TB-AC13的疲劳寿命均较SBSAC13要低.未考虑自愈合时，SBS-AC13的疲劳寿命是TB-AC13的1.7倍，考虑自愈合后，SBS-AC13的疲劳寿命是TB-AC13的1.5倍.

表6 TB-AC13与SBS-AC13疲劳性能结果Tab.6 Results of fatigure performance between TB-AC13and SBS-AC13

3.2 TB-AC13与SBS-AC13自愈合能力比较

将表6中的Nf2与Nf1相除作百分率处理后作为各沥青混合料的自愈合能力评价指标，TB-AC13的自愈合评价指标为71%，SBS-AC13的自愈合评价指标为46%.在相同设计空隙率下，TB-AC13的自愈合能力优于SBS-AC13.由于胶粉的存在，使得TB-AC13的自愈合能力优于SBS-AC13.沥青混合料的自愈合能力强，可在其长期使用过程中增强其疲劳寿命.

4 TB加SBS复合改性沥青的研究

由此前关于TB-AC13与SBS-AC13的疲劳性能研究可知，TB-AC13的疲劳性能表现不如SBSAC13，但其具有优异的自愈合能力，同时从成本上看TB胶粉改性沥青较SBS改性沥青更低，具有一定的复合改性空间.本文采用SBS改性剂与TB胶粉改性沥青进行复合改性后进一步探究其混合料性能.

4.1 TB加SBS-AC13与SBS-AC13疲劳性能比较

采用4.0%作为AC-13的设计空隙率，在此条件下进行TB加SBS沥青混合料的疲劳性能检测，试验均在1 000×10-6的应变量下进行，同一条件下安排多次平行试验，去除误差大于20%和意外破坏试件，保证最终获取误差最小的两个数据进行分析比较，并与SBS-AC13疲劳数据相比较，结果见表7.

表7 TB加SBS-AC13与SBS-AC13疲劳性能试验结果Tab.7 Test results of fatigue performance between TB＋SBS-AC13and SBS-AC13

由表7可见，在4%的空隙率下，无论是否考虑自愈合的影响，TB加SBS-AC13的疲劳寿命均较SBS-AC13要高.未考虑自愈合时，TB加SBS-AC13的疲劳寿命是SBS-AC13的2倍，考虑自愈合后，TB加SBS-AC13的疲劳寿命是SBS-AC13的2.1倍.

将表7中的Nf2与Nf1相除做百分率处理后作为两种沥青混合料的自愈合能力评价指标，SBSAC13的自愈合评价指标为46%，TB加SBS-AC13的自愈合评价指标为49%，TB加SBS复合改性沥青-AC13的自愈合能力略高于SBS-AC13.

4.2 TB加SBS-AC13与SBS-AC13高温性能验证

为更全面地探究和检验TB加SBS-AC13沥青混合料的性能，以4.0%作为设计空隙率，对TB加SBS-AC13与SBS-AC13成型车辙试件，完成60℃下的车辙试验，试验结果如表8所示.TB加SBSAC13的高温性能明显优于SBS-AC13.

表8 TB加SBS-AC13与SBS-AC13的动稳定度试验结果Tab.8 Test results of dynamic stability of TB＋SBSAC13and SBS-AC13

5 结论

涉及溶解性胶粉改性沥青的室内研究目前在国内外还较少，本文通过对TB-AC13的疲劳性能研究，并与SBS-AC13疲劳性能对比，进一步对TB加SBS复合改性沥青混合料性能进行探究，期望能在兼顾经济性的情况下，对拓展有关TB改性沥青混合料性能的室内研究提供参考和依据，相关结论如下：

（1）NfNM比Nf50更适合用于评价溶解性胶粉改性沥青混合料的疲劳寿命.

（2）溶解性胶粉改性沥青AC13混合料疲劳寿命与应变量、沥青用量以及空隙率有较好的相关性，从拟合方程角度分析，应变量越小，沥青用量越大，空隙率越小则疲劳寿命越长；经过回归计算，给出了溶解性胶粉改性沥青面层混合料的疲劳行为方程.

（3）在4%的设计空隙率下，未考虑自愈合时，SBS-AC13的疲劳寿命是TB-AC13的1.7倍，考虑自愈合后，SBS-AC13的疲劳寿命是TB-AC13的1.5倍.但TB-AC13的自愈合能力远高于SBSAC13.

（4）在考虑经济性的前提下，采用3%的SBS对TB胶粉改性沥青进行复合改性后，在4%的设计空隙率下，无论是否考虑自愈合对疲劳性能的补偿，TB加SBS-AC13的疲劳寿命均达到SBS-AC13疲劳寿命的2倍，且高温性能亦远优于SBS改性沥青混合料.

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