橡塑沥青混合料疲劳性能测试及预估模型研究

任瑞波，耿立涛，陈蒙蒙，闫飞龙

（山东建筑大学交通工程学院，山东济南250101）

橡塑沥青混合料疲劳性能测试及预估模型研究

任瑞波，耿立涛，陈蒙蒙，闫飞龙

（山东建筑大学交通工程学院，山东济南250101）

橡塑改性沥青混合料作为一种新型路用材料，在提高路面性能的同时实现废料的循环利用，沥青混合料的疲劳性能与沥青路面的损坏机理密切相关，开展其疲劳性能的研究具有重要意义。文章基于应变控制模式下的四点弯曲疲劳试验来研究稳定型橡塑改性沥青混合料的疲劳性能，选取SMA-13级配，设计了不同条件下的测试方案，分析了应变水平、空隙率及沥青含量对混合料疲劳性能的影响，并对所选择的疲劳预估模型进行了修正。结果表明：稳定型橡塑改性沥青混合料的疲劳寿命随着沥青含量的增加、空隙率的降低以及应变水平的减小而增加；修正后的疲劳预估方程可以较为精确的预测其疲劳寿命，验证结果和预测结果的相关性系数达0.915。

橡塑改性沥青混合料；疲劳性能；预估模型

0 引言

近年来，由于我国道路交通量激增，超载超限现象严重，加剧了沥青路面的破坏，缩短了道路的使用寿命。疲劳破坏是沥青路面的主要破坏形式之一，其产生时间、破坏程度与道路交通量和车辆荷载大小均有关［1］。疲劳损坏主要同行车荷载的反复作用有关，由于在车轮荷载的反复作用下，路面长期处于应力应变交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降，当荷载重复作用超过一定次数后，路面内产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力，促使路面出现裂纹，从而产生疲劳断裂破坏。沥青混合料疲劳性能研究经历了半个多世纪的发展，涌现出了许多好的试验方法和分析方法，并取得了大量的研究成果。近年来，随着各式各样的改性沥青材料在道路行业的应用，也使得沥青混合料材料的疲劳特性发生了很大的变化。沥青混合料疲劳特性的研究依旧是路面性能研究工作的重点，是国内外道路学者研究课题所面临的巨大挑战。

同时，由于汽车保有量的增加及塑料制品的普遍使用，大量的废旧橡胶轮胎和废弃塑料随之产生，在其处理和再利用方面，国内外众多学者作了许多有益的尝试［2-4］。国内外众多学者将废橡胶或废塑料加以回收处理，并掺加到沥青中用以提高其使用性能，这也为废旧橡胶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，结合废旧橡胶轮胎和废旧塑料在沥青改性中的各自性能优势，采用特定的加工工艺实现了废旧橡胶与废旧塑料两相界面的熔融结合，据此开发了具有优良路用的稳定型橡塑合金改性沥青，制备的沥青混合料在路用性能方面也具有优势［8］。这不仅可以处理大量的废旧轮胎和塑料并解决其带来的污染问题，还有效的改善了沥青材料的使用性能，具有很高的经济效益和社会价值。

文章目的在于研究稳定型橡塑改性沥青混合料的疲劳特性。采用应变控制模式下的四点弯曲疲劳试验，分析橡塑高分子合金改性沥青混合料的疲劳性能。并通过疲劳试验的数据分析，建立了稳定型橡塑改性沥青混合料的疲劳性能预估方程，以期为该种沥青混合料的工程设计及应用提供理论支持。

1 稳定型橡塑改性沥青混合料设计及疲劳试验

首先进行稳定型橡塑改性沥青混合料设计，进而制备试件，以四点弯曲疲劳试验评价其疲劳性能。选用SMA-13型沥青混合料作为研究对象，以优质玄武岩作为集料，石灰岩矿粉作为填料，木质素纤维作为纤维稳定剂。根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的试样制备和试验方法［9］，所采用的稳定型橡塑合金改性沥青的技术性能如表1所示，设计级配见表2。

表1 稳定型橡塑合金改性沥青的技术性能

表2 稳定型橡塑改性沥青混合料的设计级配

稳定型橡塑改性沥青的路用性能达到了PG分级中PG76-28的技术要求，满足了PG分级中76℃以上的高温要求，具有良好的高温性能，说明稳定型橡塑改性沥青在高温时施加荷载撤离后的变形更容易恢复，有着较好的高温抗变形性能。同时，稳定型橡塑改性沥青满足了PG分级-28℃的低温要求，说明稳定型橡塑改性沥青具有良好的低温抗裂性。

有研究表明，沥青混合料承受的应变水平能直接反映试件发生弯曲变形的程度，也可以在一定程度上代表实际路面所能够承受的车辆荷载作用大小程度［10］。相关研究结果表明，混合料的疲劳寿命随着空隙率的降低而增加，沥青含量是影响沥青混合料疲劳寿命的重要因素［11-13］。

因此，文章的四点弯曲梁疲劳试验采用应变控制模式进行，测试温度选为20℃，施加偏正弦波形荷载，荷载频率取为10 Hz，以劲度模量降低至初始值50%的加载次数作为混合料的疲劳寿命。进行疲劳试验时，以应变水平、沥青含量及空隙率3个试验参数进行分析，每个试验选择3个测试水平，试验方案见表3。

表3 稳定型橡塑改性沥青混合料的疲劳试验方案

混合料的最大相对理论密度统一采用JTGE20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定的计算法获得［9］。文章通过控制装料质量和压实次数来控制空隙率，空隙率指标统一以实测的试件毛体积相对密度和计算法最大相对理论密度的计算结果为准。

2 不同影响条件下的疲劳寿命测试分析

不同沥青含量、混合料空隙率及应变水平条件下，稳定型橡塑改性沥青混合料疲劳寿命的测试结果见表4。

表4 稳定型橡塑改性沥青混合料疲劳试验结果

从表4可以看出，在沥青含量相同，空隙率相同的情况下，稳定型橡塑改性沥青混合料疲劳寿命随着应变水平的增加而降低。应变水平从600με增加到800με时，稳定型橡塑改性沥青混合料的疲劳寿命下降幅度很大；应变水平从800με增加到1000με时，稳定型橡塑改性沥青混合料的疲劳寿命下降相对缓慢。

在应变水平恒定，空隙率相同时，随着沥青含量的增加，稳定型橡塑改性沥青混合料疲劳寿命增加。在应变水平为600με，空隙率为5.0%时，沥青含量增加0.4%，其疲劳寿命上升约88%。因此，沥青含量是影响沥青混合料疲劳寿命的重要因素。

在沥青含量和应变水平相同的情况下，稳定型橡塑改性沥青混合料疲劳寿命随着空隙率的降低而显著的增长。

Tayebali等依据常规热拌沥青混合料控制应变疲劳试验结果的分析认为，疲劳寿命随沥青饱和度的增大或空隙率的减小而增加［14］。对比Bazin、Tayebali等的研究成果可知，稳定型橡塑改性沥青混合料的疲劳寿命与常规热拌沥青混合料的变化规律相似［11，14］。因此，准确控制压实（空隙率）对于保证稳定型橡塑沥青混合料路面的疲劳性能十分重要。

3 疲劳寿命预估模型的确定与参数修正

室内疲劳寿命预估模型的形式决定了整个沥青路面疲劳预估模型的基本形式。室内疲劳寿命预估模型形式的确定，不仅要考虑模型的精度，同时还应综合考虑模型的实用性和灵活性。孙杰提出了沥青混合料疲劳寿命预估模型，由式（1）表示为［15］

式中：Nf为破坏时载荷重复作用次数；ε为施加的应变值；S0为混合料的初始劲度模量，MPa；VFA为沥青饱和度，%。

该模型综合考虑了沥青混合料初始劲度模量、应变水平及沥青混合料体积参数对混合料疲劳性能的影响，其中沥青混合料的体积参数以沥青饱和度VFA表征，由于VFA指标与沥青混合料的空隙率具有相关性，因此预估模型整体在变量的选择上具有合理性。

利用该预估模型对表4中的稳定型橡塑改性沥青混合料的疲劳寿命数据进行了疲劳寿命预测，并与实测数据进行对比，预测结果如图1所示。

图1 稳定型橡塑改性沥青混合料疲劳寿命预估与实测结果对比图

由图1可以看出，对稳定型橡塑改性沥青混合料而言，该模型的预估精度不足。分析原因认为，该预测模型中涉及沥青混合料性能各项因素的参数均建立在常规沥青混合料材料测试的基础上，而对于稳定型橡塑改性沥青这种新型的沥青胶结料，预估模型中性能参数尚需调整。

文章通过对取得的试验数据进行回归分析，将该疲劳预估模型中与橡塑改性沥青混合料性能相关的系数进行修正，即疲劳模型中应变、初始劲度模量以及沥青饱和度的指数位置的3个系数进行修正，疲劳模型由式（2）表示为

式中：a、b、c为需要进行修正的方程参数。

将疲劳寿命测试结果随机分成2个部分，第一部分试验数据采用非线性回归分析的方法确定3个拟合参数，修正后的疲劳模型由式（3）表示为

图2给出了修正后疲劳模型中的预测结果及预测精度。利用第二部分试验数据对式（3）中的预估模型进行验证，预测结果如图3所示。由图3可以看出，修正后的疲劳模型的疲劳寿命预测值与试验实测值间的吻合程度较高，验证了修正的疲劳模型对于橡塑改性沥青混合料疲劳寿命有着较高的预测精度，修正后的疲劳模型的验证结果和预测结果的R2达0.915。

图2 修正后的疲劳模型的预测结果图

图3 修正后的疲劳模型的验证结果图

4 结论

通过上述研究可知：

（1）应变水平、空隙率和沥青含量均对稳定型橡塑改性沥青混合料的疲劳寿命具有显著影响，其影响规律为疲劳寿命随着应变水平的增加而降低，随着沥青含量的增加而增加，随着空隙率的增加而降低。在应变水平为600με，空隙率为5.0%时，沥青含量增加0.4%，其疲劳寿命上升约88%。

（2）基于实测数据，修正了现有预估模型，获得了可以较为精确预测稳定型橡塑改性沥青混合料的疲劳寿命的预估模型，修正后的疲劳模型的验证结果和预测结果的R2达0.915。

参考文献：

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［10］虞将苗.沥青混合料疲劳性能研究［D］.广州：华南理工大学，2005.

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［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］孙杰.基于应力控制模式下的沥青混合料疲劳开裂预估模型的研究［D］.广州：华南理工大学，2010.

（校庆约稿）

山东建筑大学道路与铁道工程学科——任瑞波教授

任瑞波教授现任山东建筑大学交通工程学院院长。现为山东建筑大学道路与铁道工程学科首席岗教授，享受国务院政府特殊津贴专家，硕士生导师、兼职博导，山东省高校十大师德标兵、山东省先进教育工作者、道路与铁道工程学科带头人、中组部第六批博士团成员。

任瑞波教授2001年博士毕业于哈尔滨工业大学获工学学位，2003年哈尔滨工业大学博士后。现兼职：山东省城市建设管理协会理事长、中国市政工程协会常务理事、山东土木建筑学会理事、高速公路养护技术和干旱荒漠区公路工程技术全国交通行业重点实验室学术委员会学术带头人。多年从事道路沥青路面结构与材料研究，在高等级公路沥青路面结构计算方法、水与动荷载耦合作用下沥青路面损坏机理分析、稳定型废旧橡塑改性沥青机理等基础理论研究方面取得显著成果，并在稳定型橡胶沥青改性技术、高粘沥青改性技术、高模量沥青混合料应用技术、骨架密实型半刚性基层材料应用技术、温拌沥青混合料应用技术等工程应用技术领域取得多项创新成果。研究成果成功应用于国内16个省近100项工程中，经济和社会效益显著。

任瑞波教授组织成功申报了我校交通运输工程一级学科硕士点以及交通运输工程领域专业学位授予权，创办了我校交通工程学院。

主持和参与完成国家、省部级科研项目30余项，获中国公路学会科学技术特等奖1项、省部级科技进步二等奖2项、三等奖4项；主编教材和著作5部；发表学术论文90余篇，期中：SCI、EI收录50余篇。已培养博士研究生1名、硕士研究生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

国家自然科学基金项目（51278288）

任瑞波（1968-），男，教授，博士，主要从事道路路面结构与材料等方面研究.E-mail：rrbgq@sdjzu.edu.cn