橡胶颗粒沥青混合料耐久性及其GM(1,1)预测

2015-06-05徐红玉党松洋

河南科技大学学报(自然科学版) 2015年4期

关键词：空隙冻融循环冻融

徐红玉,党松洋,梁斌

(河南科技大学土木工程学院，河南洛阳 471023)

橡胶颗粒沥青混合料耐久性及其GM(1,1)预测

徐红玉,党松洋,梁斌

(河南科技大学土木工程学院，河南洛阳 471023)

基于AC-13连续型密级配，分别就掺加橡胶颗粒量(质量分数)为1%～3%的沥青混合料在冻融循环条件下耐久性进行室内试验研究，并应用灰色系统理论中GM(1,1)模型预测冻融循环条件下橡胶颗粒沥青混合料的耐久性。试验结果表明：随着冻融循环次数的增加，沥青混合料的抗劈裂抗拉强度逐步降低，空隙率逐步变大。橡胶颗粒的掺加在一定程度上降低了沥青混合料的劈裂抗拉强度，2%掺量下的橡胶颗粒沥青混合料劈裂强度比最优。GM(1,1)模型预测的短期数据与实测数据吻合度较好，试验数据表明：该理论模型可靠性满足基于冻融循环条件下的沥青混合料的耐久性需求。

橡胶颗粒；沥青混合料；冻融循环；耐久性；GM(1,1)模型

0 引言

在昼夜温差较大的积雪区域，由于温度的周期性剧烈变化，沥青混凝土路面经常出现冻融循环破坏。沥青混合料是多空隙材料，白天温度高时积雪融水排出不及时，积水则很容易渗透到沥青混凝土内部；积水的冻胀作用导致其空隙率增大，反复冻融循环，造成了沥青混合料强度降低，破坏了沥青混凝土路面的耐久性。目前，评价冻融循环作用下沥青混合料路用性能的研究主要集中在其水稳定性方面，且冻融循环次数有限[1-3]。

汽车工业的迅速发展导致废旧橡胶轮胎量急剧增大，将废旧轮胎以铺筑路面的形式进行合理回收利用，相对于堆放填埋、焚烧处理是一种比较理想的处理方式。这一方面消耗了大量的废旧橡胶轮胎，可以降低环境污染的程度，减少资源的浪费；另一方面对于沥青混合料的性能也有所改善。目前，废旧橡胶沥青混合料的路用性能研究在其高低温稳定性方面取得了一定的研究成果。研究成果表明：橡胶颗粒的掺加有助于提高沥青混合料的低温抗裂性与高温稳定性[4-6]，但是多次冻融循环作用下，沥青混合料的耐久性研究成果相对较少。

冻融环境下，沥青混合料空隙率的增大造成了混合料强度的降低，因此，本文对不同掺量下的橡胶颗粒沥青混合料进行冻融循环，并分析其空隙率与劈裂抗拉强度的变化趋势，评价混合料的耐久性。为了节省试验成本，缩短试验周期，引入灰色系统理论对实测数据样本进行预测比较。灰色系统理论有助于在样本数据有限的情况下，在一定的精度要求范围之内对数据进行预测分析处理，为进一步研究工作提供指导。

1 混合料原材料技术性能

沥青混合料是由粗集料、细集料及填料加入沥青后拌合而成，粗集料为粒径10～15 mm、5～10 mm及3～5 mm的花岗岩碎石，细集料为粒径0～3 mm的花岗岩石屑，填料为石灰石粉。按照试验规程测定集料的各项指标，均符合其技术要求。

本试验中所用的沥青为克拉玛依A级70#道路基质石油沥青，主要技术指标见表1。

橡胶颗粒生产工艺为在常温粉碎过程中，破碎机以高速剪切的方式将废旧轮胎粉碎而成，橡胶颗粒制备方法为物理破碎法，即将废旧橡胶进行剪切、粉碎，形成直径为1～2 mm的橡胶颗粒，其主要技术指标如表2所示。

表1 基质石油沥青技术指标

表2 橡胶颗粒的主要技术指标

本文基于AC-13连续密级配沥青混合料掺入不同掺量的橡胶颗粒进行研究，混合料合成级配如表3所示。

表3 合成级配

2 橡胶颗粒沥青混合料耐久性试验

考虑到冻结温度与时间是模拟沥青混合料冻融循环影响的主要因素，基于现有研究成果[7-9]及《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[10]中沥青混合料的冻融劈裂试验规程，将冻结温度设定为(-18±2) ℃，冻结时间为12 h，融解温度为(25±1) ℃，融解时间为12 h，一次冻融循环时间为24 h。将标准马歇尔试件进行真空饱水后分别进行1～7次循环，应用表干法测出冻融后试件的相对表观密度，将冻融后的试件放入劈裂试验机以50 mm/min的加载速率均匀加载直至破坏。

对胶粒掺量(质量分数，下同)为1%～3%的沥青混合料试件进行试验，并与不掺加胶粒的沥青混合料进行对比，多次冻融循环条件下不同掺量橡胶颗粒沥青混合料劈裂抗拉强度与空隙率变化情况如图1所示。

(a) 冻融循环对劈裂抗拉强度的影响 (b) 冻融循环作用对空隙率的影响

图1 冻融循环条件下不同掺量橡胶颗粒沥青混合料劈裂抗拉强度与空隙率

由图1可知：橡胶颗粒掺量及冻融循环次数对混合料的劈裂抗拉强度与空隙率影响明显，随着橡胶颗粒掺量及冻融循环次数的增加，沥青混合料的劈裂抗拉强度降低，空隙率升高并趋于稳定。

沥青混合料是一种典型的多空隙复合材料，在真空饱水时，负压使混合料内部吸入了大量的水分，冷冻条件下水分的迁出量小，停留在混合料内部水分的冻胀作用造成了混合料的损伤，因此导致了混合料强度的降低。且冻融循环次数增加对混合料的损伤作用持续加强，造成了空隙率增大，强度持续减低；当空隙率足够大时，混合料内部水分迁出量达到平衡，自由水分冻胀作用变弱，因此，劈裂抗拉强度及空隙率趋于稳定。橡胶颗粒是一种与集料物理化学性质截然不同的材料，代替部分集料掺入到混合料中。混合料试件制备时，在试件击实后沥青混合料试件冷却过程中，试件中受到压缩的橡胶颗粒出现回弹现象，造成了混合料空隙率增加，进而在一定程度上降低了其劈裂抗拉强度，且橡胶颗粒掺量越大，这种效应更明显。

图2 冻融循环条件下不同掺量橡胶颗粒沥青混合料冻融强度比

基于不同冻融循环次数下沥青混合料的劈裂抗拉强度值，计算出不同掺量下沥青混合料的冻融劈裂强度比随冻融循环次数的变化情况，计算结果如图2所示。

由图2可知：不同掺量情况下的沥青混合料冻融劈裂强度比均随着冻融循环次数的递增而下降，且前3次循环下降幅度较大，随后趋缓。2%掺量下的橡胶颗粒沥青混合料的强度比在同等循环次数下最高。

在冻融条件下，橡胶颗粒沥青混合料试件内部空间受到冻胀作用而扩张，空隙率增大，削弱了沥青混合料的强度，且随冻融循环次数的增加这种作用更加明显，因此，混合料冻融劈裂强度比不断下降。合适的橡胶颗粒掺量，可以较好地平衡初始空隙率的影响与橡胶颗粒的弹性恢复作用，试验结果表明：2%掺量下的沥青混合料的耐久性优于其他组合。

3 冻融循环条件下沥青混合料耐久性灰色数列模型预测

3.1 灰色数列模型理论

灰色数列模型是以时间序列进行研究分析，预测变化中的系统行为的特征值。通过对一定范围内变化的、不确定量的量化，利用已知信息寻求系统的运动规律，建立数列方程，使之成为较有规律的生成数列后再建模的一种预测方法[11-13]。其中，GM(1,1)模型作为灰色系统理论的一种基础预测模型,在许多工程领域有着重要的实际应用。GM(1,1)模型的实质是采用一个变量的一阶微分方程，其具有建模过程简单、模型表达式简洁、数据单纯、运算简便等特点，通过建立相应的微分方程模型，实现预测事物未来发展趋势的目的。

设原始数列排成时间数列Xt(t=0,1,2,…,n)，其中，Xt表示第t时刻的原始数列。灰色理论将无规律的原始数据按式(1)累加生成，使其变为较有规律的生成数列Yt，

(1)

对累加生成数据Yt进行1-AGO处理，即按式(2)作移动平均数生成Zt，

(2)

Yt的一阶线性微分方程为：

(3)

式(3)称为灰色微分方程，即为GM(1,1)模型，其中α、μ为待定系数。解方程可得：

(4)

其中，X0为初始时刻的原始数据，根据最小二乘法估计参数得：

(5)

(6)

因灰色数列模型为累加生成数据，经过累减还原后才为预测值，该值由下式计算可得：

(7)

3.2 灰色数列模型沥青混合料耐久性预测

以沥青混合料的劈裂抗拉强度和空隙率为参数，以不同胶粒掺量的橡胶颗粒沥青混合料为对象，取前5次冻融循环情况下的实测劈裂抗拉强度与孔隙率数据为原始数据,按照上节GM(1,1)模型，计算出不同橡胶颗粒(胶粒)掺量下劈裂抗拉强度和空隙率的相关系数，如表4所示。

表4 不同橡胶颗粒掺量下GM(1,1)模型相关参数

按照式(4)和式(7)进行回代，分别计算出冻融循环次数为6次和7次的劈裂抗拉强度与孔隙率的预测值，预测结果及其相对误差见表5～表8。

表5 不掺加胶粒试件GM(1,1)模型计算结果与实际结果比较

表6 掺加1%胶粒试件GM(1,1)模型计算结果与实际结果比较

表7 掺加2%胶粒试件GM(1,1)模型计算结果与实际结果比较

表8 掺加3%胶粒试件GM(1,1)模型计算结果与实际结果比较

由表5～表8可以看出：模型预测结果与计算结果较为接近，不同橡胶颗粒掺量的沥青混合料的冻融劈裂强度数据相对误差都不超过5%，精度上满足要求。不同橡胶颗粒掺量的沥青混合料的空隙率对比结果表明：对于掺量2%～3%的预测结果还可以满足要求，对于掺量2%以下的预测结果有一定偏差；但是总体上建立的GM(1,1)模型是可靠的，有助于对劈裂抗拉强度数据试验结果进行验证，可以较好地对冻融循环条件下沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度发展趋势做出短期的预测。