橡胶沥青应力吸收层疲劳性能研究.doc

橡胶沥青应力吸收层疲劳性能研究赵永祯1，马焱2，李文清2，王鹏3(1. 河北省石家庄市交通运输局，石家庄 050000; 2. 邢台路桥建设总公司，邢台 054000；3. 同济大学道路与交通工程教育部重点实验室)摘要：随着半刚性基层沥青路面在我国的普遍应用，路面反射裂缝已经成为沥青路面损害的重大难题，目前行之有效的解决手段是在路面结构中加铺应力吸收层来延缓反射裂缝。作为应力吸收层的混合料，要在疲劳性能、高温性能及层间抗剪强度三方面较为平衡；橡胶沥青混合料的高温性能和抗剪强度在工程实践中已经得到普遍认可，故针对橡胶沥青应力吸收层的疲劳性能展开研究，分析确定影响其疲劳寿命的关键因素，为提高橡胶沥青混合料疲劳寿命提供参考，使其可以广泛应用。 关键词：橡胶沥青，应力吸收层，疲劳特性中图分类号：U416.2 文献标识码：AStudy on the fatigue performance of stress absorbing interlayer made by rubber asphalt mixtureABSTRACT: With widely using of semi-grade base-course in Chinese road, reflective crack has become a big problem in asphalt pavement. At present, a effective solve method is using stress absorbing interlayer to anti-crack.Stress absorbing interlayer will be good on the condition that the asphalt mixture gets the balance of fatigue performance, high-temp performance and interface shearing strength. Asphalt rubber mixture has excellent high-temp perfomance and enough anti-shear strength, so we will focus on the fatigue life and try to find the key factor which has obvious effect on it. These will give the wise referrence about how to enhance the fatigure life of asphalt rubber mixture to make it has widely use as stress absorbing interlayer.Key Words: asphalt rubber mixture, stress absorbing interlayer, fatigue performance1.研究背景及意义目前我国半刚性材料占到各等级公路路面基层材料用量的 95%以上，在已建成的高速公路中90%以上采用的是半刚性基层沥青路面。在今后的国道主干线建设中，半刚性基层沥青混凝土路面仍将是主要的结构形式1。我国半刚性基层路面有诸多优点，比如承载力和抗变形能力强、抗冻性良好、成本较低等2；不过，半刚性基层最大的问题就是容易因为干缩或温缩而产生反射裂缝，最后产生严重的路面破坏37。此外我国还有大量的刚性路面，统计数据1表明我国2004-2008年有铺面道路情况，水泥混凝土路面在有铺面路面中的比例在60%-70%。随着社会经济的发展和人民对基础设施的要求的相应提高，沥青路面的平整度好、振动小、噪音低、行车舒适和养护维修方便等优点愈为人们所看重，进行沥青面层加铺后，反射裂缝也是主要病害。自20世纪60年代以来，国内外道路工程界对防治沥青加铺层反射裂缝的研究一直十分活跃。通过对路面结构的力学分析认为，通过在沥青加铺层与旧水泥混凝土路面之间加入模量较低柔韧的薄沥青混合料应力吸收层(stress absorbing membrane interlayer，SAMI)可以显著改善沥青层内的力学状况，从而有效延缓反射裂缝的产生，延长沥青加铺层的使用寿命，许多工程实践也证明应力吸收层对防治反射裂缝有明显效果。 因为橡胶沥青具有优异的低温柔性和低温抗裂性能，以及较强的高温稳定性、抗老化性能、抗疲劳性能和抗水损坏性能，利用橡胶沥青制备应力吸收层是一种可行且有效的解决手段。 通过室内试验，模拟设置应力吸收层的路面结构在行车荷载作用下裂缝发展情况，并提出对应的评价标准，可以为应力吸收层的选择使用提供理论指导，便于应力吸收层的进一步使用。同时，橡胶沥青应力吸收层，可以使用废旧轮胎胶粉，有效利用了废旧资源，减少了轮胎存储和处理过程中的污染，同时又可以减少对沥青和沥青改性剂的使用，符合资源节约和环境友好的政策。2.疲劳试验的方法和选择美国SHRP 研究成果显示，对于较厚路面，采用应力控制模式更符合路面实际情况；对于较薄路面，采用应变控制模式更符合路面实际情况(J. C. Petersen, 1994)。 对路面弹性层状体系的分析表明, 面层厚度大于12.6cm 时, 由于基层刚度相对比较小, 荷载重复作用使面层应变增长较快, 以致最后迅速增大而出现路面破裂, 这一过程比较符合应力控制模式8。白改黑路面一般加铺层厚较薄，小于12.6cm，适宜应变控制模式。本文采用澳大利亚IPC 公司生产的四点弯曲梁疲劳试验仪，其原理如图1所示。图1 四点弯曲疲劳试验示意图使用疲劳程序模块，可以显示试验过程中的最大/最小弯拉应力，最大/最小弯拉应变，劲度模量，荷载，挠度，相位角，耗散能等试验结果。程序界面如图2所示:图2 试验数据采集界面疲劳试验时采用较多的加载波形为半正弦波、三角形波等，对于加载波形的选择应考虑实际路面结构层所受荷载情况而定，以便较好模拟路面实际的响应情况。国内外大量研究表明，正弦波形加载能够较好模拟路面的实际响应。同时考虑试验效率，本文选择半正弦波无间歇加载。试验温度选择我国疲劳当量温度的附近温度20，以便数据的有效对比性。考虑本文主要比较应力吸收层的疲劳寿命，应变选区应该较大，基于仪器限制和试验持续时间考虑，选取10001500微应变的加载水平。3. 橡胶沥青应力吸收层疲劳寿命分析通过四点弯曲梁弯曲疲劳实验，对应力吸收层疲劳性能进行分析。进行多次平行实验，每组试验的有效试件不少于 3 根。成型试件采用震动压实成型试件，切割成尺寸为4006350mm的小梁，压实方向做好标记，试验时加载方向和压实方向一致；将试件放入200.5的保温箱中至少保温2小时，以使试件温度达到试验要求的温度。3.1 沥青软硬对疲劳寿命影响分析沥青粘度反映的是某种条件下沥青粘性阻力的大小。实验室通常使用布洛克菲尔德（Brookfield）粘度计来测量沥青在较高温度下的表观粘度，用以体现沥青在剪切条件下的粘性阻力。沥青粘度对混合料疲劳性能的影响体现在对混合料劲度模量的作用上，张肖宁9通过同应变条件下大样本实验数据的分析，发现试件疲劳寿命与初始劲度模量有较好的相关性，且二者用F检验法检验具有高度显著相关性，试件疲劳寿命与劲度模量具有负相关性。高川10在研究橡胶沥青胶粉掺量对沥青指标影响时发现，胶粉掺量的增加能够显著增大橡胶沥青粘度，从而影响所用沥青混合料的疲劳寿命。本文橡胶沥青采用不同针入度，通过在沥青中添加轻质油来调节橡胶沥青的针入度，因沥青过软会造成实验结果难以获取，讨论沥青软硬时保证胶粉掺量保持为内掺19%的比例。采用单因素分析方法，比较不同针入度的橡胶沥青的疲劳寿命变化情况，具体情况见表1:表1 不同针入度橡胶沥青疲劳寿命比较沥青针入度,0.1mm粘度,177,PaS沥青用量,%疲劳寿命Nf50110013001400150034.53.951031740207351964012130833.14510435467258958-242976983.31210376130203790-198343注：-表示未试验从表1可见，随着针入度的不同，沥青混合料的疲劳寿命变化显著。针入度从34.5变化到83时，沥青粘度变化0.8 Pas，对应的各应变水平下混合料疲劳寿命变化达到10倍左右，但是针入度从83增大到98时，疲劳寿命反而有小幅度下降。同时，疲劳寿命随橡胶沥青粘度变化也体现出和针入度变化一致的情况。随针入度的增加，同时保证胶粉掺量的一定，添加的轻质油组分变多，虽有利于橡胶颗粒对沥青中轻质组分的吸收和溶胀，但是胶粉颗粒间的距离会增大，使得形成颗粒交联成网能力变弱，混合料更为柔软，疲劳寿命提高显著。但是当针入度达到一定数值后，再次增大针入度则对疲劳寿命影响不大。试验过程中也观察到不同软硬沥青拌制的混合料在加载后变形不同，针入度83和98对应的试件大应变加载后有明显的蠕变现象，试件夹紧端被压缩且有裂缝出现，可能使得较多能量耗散在此处而非对试件整个弯拉区造成损伤。本文亦试验过针入度达到113的橡胶沥青试件，但是试件夹紧处产生蠕变且出现压密裂缝，试验后试件变形明显，位移传感器处甚至出现凹陷，试验时模量呈锯齿形上下波动而非正常的平滑变化，试验结果不能使用。3.2沥青用量对疲劳寿命影响分析对于沥青混合料，沥青用量的变化影响混合料的劲度模量、空隙率和沥青膜厚度，这些因素都影响着混合料的疲劳寿命，且沥青含量的提高对沥青混合料的疲劳寿命影响很大，国外长寿命路面中增加底部结构层沥青用量的做法可以佐证。选取7%、8%、9%、10%的沥青用量，使用沥青和级配如表2、表3所示，进行疲劳试验，同时考察不同应变水平下的疲劳试验，以获取更为全面的规律。各应变水平保持至少3个有效数据，取均值作为结果，结果见表4：表2 试验用沥青指标项目针入度,25，0.1mm粘度,177,PaS软化点,%延度,5橡胶沥青34.53.5471.99.5表3 试验用混合料级配筛孔尺寸,mm9.54.752.361.180.60.30.150.075通过率,%10055453520.611.45.72表4 不同沥青用量条件下混合料疲劳寿命沥青用量,%应变水平, 弯曲劲度模量,MPa疲劳寿命Nf50711003443.131261513002437.605771014003318.423738015002714.566510811003101.8071650713003227.9351334514003043.411153015002849.237015911002500.582447513002541.232120014002852.7051534015002523.34102801011002836.6834160713002724.722603014002563.682300015002484.36611893从表4可以看出，不同沥青用量对混合料疲劳寿命影响比较明显，随着沥青用量增加，混合料疲劳性能增加。在7%沥青用量条件下，1100微应变和1500微应变疲劳寿命之比约为2，而10%沥青用量条件下这一比值达到4；在1100微应变条件下，10%沥青用量与7%沥青用量疲劳寿命之比约为4，而在1500微应变条件下，这一比值约为2，这反映出沥青用量的增加不但可以提高混合料的疲劳寿命，同时使得混合料对应变水平变得更为敏感。3.3 空隙率对疲劳寿命影响分析SHRP-A-404通过验证分析5，认为空隙率与疲劳寿命、初始耗散能、初始劲度模量、能量比因子有较显著关系，空隙率与疲劳寿命、初始耗散能、初始劲度模量三者各自的自然对数呈负相关，而与能量比因子呈正相关，即空隙率增加会导致疲劳寿命、初始耗散能、初始劲度模量的迅速减小。空隙率减小，橡胶沥青混合料疲劳寿命逐渐增加，但对某种级配而言，仅通过增加沥青用量来减小空隙率会引起饱和度过高，从而对疲劳性能不利11。混合料是个非均质体，在承受荷载时，最先出现裂缝的地方是薄弱的地方，而空隙率愈大，则这种薄弱点越多，对疲劳寿命越不利。对混合料空隙率变化下其疲劳性能进行分析。表5 不同空隙率条件下疲劳寿命沥青用量,%应变水平, 初始劲度模量,MPa疲劳寿命Nf50平均空隙率,%有效试件个数711003443.13126153.7383101.807165072.3392500.58244752.43102836.683416070.73713002437.60577106.0383043.41115300.7392541.23212001.73102724.72260300.43714003318.42373802.138-92852.705153400.43102563.68230000.63715002714.5665102.7382849.2370150.8392523.34102802.72102484.366118930.34从表5可以看出，在不同应变水平下，疲劳寿命均随空隙率的增加而降低。验证了以往的研究成果。通过本研究可以看出，在较低的应变水平下，疲劳寿命对空隙率变化更为敏感，随空隙率增加而下降迅速，空隙率降低一个百分点，疲劳寿命降低300010000不等；在较高应变水平下，则结果不同，空隙率在0.5%左右变化时疲劳寿命变化剧烈，而在1%2.5%变化时，疲劳寿命对空隙率不敏感。3.4 应变水平对疲劳寿命影响分析比较不同应变水平的混合料疲劳性能，如图3，发现应变水平对疲劳寿命有较大影响。在高应变水平下，沥青混合料疲劳寿命较低。应变降低200，混合料疲劳寿命可能增加一倍，降低400，寿命增加3倍左右。可见，在实际路面条件下，须有坚固的路基，以减少因路基不平整造成的应力吸收层的大应变，降低其使用寿命，对应力吸收层的设置也应该考虑已有路面的实际情况，对薄弱路基进行加强处理。图3 不同应变水平与疲劳寿命关系从图3可知，不同沥青用量下的混合料，均呈现出混合料疲劳寿命随着应变水平的增加而降低的趋势。则对于加铺，应该保证路基强度，以减少过大应变，或者要求应力吸收层对应变水平变化不敏感，在承受变化的加载环境下依然有很好的疲劳性能。从图3可见，高沥青用量条件下混合料疲劳寿命对应变水平变化敏感，其疲劳寿命随着应变水平的变化较大；沥青用量较低时混合料对应变水平的变化较为迟钝，但是低沥青用量的疲劳寿命较小，故在选择时应该综合考虑。若对疲劳寿命要求高，则应该使用更高的沥青用量；反之，对疲劳性能要求不是特别高，则可考虑在满足疲劳要求条件下使用较低的沥青用量，以取得性能和经济性的平衡。3.5 填料对疲劳寿命影响分析对于橡胶沥青混合料填料的使用，在是否使用矿粉上有分歧。本文通过试验，使用相同的级配，从疲劳性能方面来检验不使用和使用矿粉的影响。比较在同等级配和相同沥青用量条件下进行，均使用9%沥青用量， 1.18以上集料用量相同；不同在于比较级配为使用2%的水泥，0.075-1.18用量为33%，而添加矿粉为使用5%的矿粉，0.075-1.18用量为30%。表6 填料对疲劳寿命影响分析用级配筛孔尺寸,mm13.29.54.752.361.180.60.30.150.075不加矿粉级配10010055453520.611.45.72加5%矿粉级配10010055453521.913.68.45使用矿粉与否的混合料疲劳寿命结果见表7：表7 矿粉对混合料疲劳性能影响关系混合料类型应变水平, 疲劳寿命Nf50空隙率,%不使用矿粉1100244752.41300212001.71500102802.7使用矿粉1100196701.51300133450.71500119100.9图4 有无矿粉与混合料疲劳寿命的关系由表7和图4结果可知，在相对较低的应变水平下，1100和1300并没有显示出矿粉的使用有利于提高混合料的疲劳性能。但当应变水平达1500时，含有矿粉的沥青混合料疲劳寿命开始略高于不含矿粉的沥青混合料，这说明矿粉的使用能够降低混合料对应变水平的敏感性。虽然添加矿粉减薄了沥青膜厚度，可能会影响其老化性能，但其填充作用明显，在较高应变水平下，对提高混合料疲劳寿命有帮助。4 结论与展望通过实验，本研究讨论了影响橡胶沥青混合料疲劳性能的一些因素，结论如下： 1.随着针入度的不同，沥青混合料的疲劳寿命变化显著。疲劳寿命随针入度增加而显著提高，但针入度达到一定数值后，继续增大针入度则对疲劳寿命影响不大，较软沥青的混合料疲劳寿命对应变水平变化反映迟钝，过软的沥青成型的混合料疲劳试验数据不理想。2.增加沥青用量，能提高疲劳寿命，但是对于某种混合料，可能存在某个沥青用量，可取得疲劳性能和经济性的平衡。3.在不同应变水平下，疲劳寿命均随空隙率的增加而降低，且较低应变水平对空隙率变化更为敏感，随空隙率增加而下降迅速。空隙率对疲劳寿命的影响在较大应变水平更明显。4.不同沥青用量的混合料，均呈现出混合料疲劳寿命随着应变水平的增加而降低，低沥青用量条件下的疲劳寿命对应变水平变化不敏感，高沥青用量敏感。 5.在较高应变水平下可以使用矿粉，以提高混合料疲劳性能。参考文献1 中华人民共和国交通运输部.