SBS与橡胶粉改性沥青混合料疲劳性能对比研究

2016-09-14陶睿征刘国正

公路与汽运 2016年4期

关键词：橡胶粉橡胶寿命

陶睿征，刘国正

（长沙市公路桥梁建设有限责任公司，湖南长沙 410007）

SBS与橡胶粉改性沥青混合料疲劳性能对比研究

陶睿征，刘国正

（长沙市公路桥梁建设有限责任公司，湖南长沙 410007）

在采用MTS万能材料试验系统控制加载的四点弯曲疲劳试验的基础上，对橡胶改性沥青混合料与SBS改性沥青混合料两者的疲劳性能进行对比研究，结果表明，在相同应力比下，橡胶沥青混合料的疲劳性能优于SBS改性沥青混合料；在验证疲劳数据服从双参数Weibull分布的基础上，得到了两种混合料在失效概率为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5时的疲劳方程。

公路；橡胶沥青混合料；SBS改性沥青混合料；疲劳性能

通过一定的生产工艺将废旧轮胎加工成橡胶粉掺入沥青中形成一种新的改性沥青即橡胶改性沥青运用到交通建设中，不仅能减少 “黑色”环境污染，达到废弃物的循环利用，还能提高沥青路面的抗疲劳性能、高低温性能及耐久性能等，因而橡胶沥青在交通建设中备受关注。

国内外许多学者对橡胶沥青在道路建设中的应用，尤其是橡胶沥青的生产工艺及应用技术等研究颇多，如张永利为了把橡胶沥青用于薄抗滑磨耗层，对其混合料进行了低温抗裂能力及抗疲劳性能试验研究，试验结果表明AR-GM10混合料具有良好的低温抗裂能力和较长的疲劳寿命。而对于橡胶粉对沥青混合料疲劳性能的改善研究相对较少。该文主要通过对比试验对橡胶沥青混合料的疲劳性能进行研究。

1　原材料

1.1沥青

改性沥青选用壳牌SBS改性沥青；橡胶沥青以壳牌A级70号沥青为基质沥青，内掺20%橡胶粉；橡胶粉细度为40目，由子午橡胶轮胎加工磨细而成。为了减少试验误差，确保试验结果的准确性，试验所用橡胶沥青采用小型搅拌机当场拌和使用。沥青性能指标检测结果见表1、表2，制成的橡胶沥青的基本性能检测结果见表3，橡胶沥青的各项指标均符合设计要求。

1.2集料

采用的粗集料分两档：1#料粒径为10～15 mm；2#料粒径为5～10mm。细集料也分两档：3#料粒径为3～5mm；4#料粒径为0～3mm。粗、细集料分别为常用的玄武岩与石灰岩，矿粉为石灰岩矿粉。经检测，集料各项技术指标均满足现行规范的要求。

表1　基质沥青性能检测结果

表2　SBS改性沥青性能检测结果

表3　橡胶沥青性能检测结果

1.3级配及油石比的确定

根据工程实际经验，参考现行规范中的级配范畴，确定两种混合料的矿料级配（见表4）。采用马歇尔设计方法，得到AR-AC-13与SBS-AC-13两种混合料的油石比分别为8.0%、5.4%。

表4　混合料的级配

2　试验过程及方案

（1）成型试件。根据上述混合料级配和油石比，首先采用车辙试验仪成型尺寸为300mm×300 mm×80mm车辙板试件，再利用切割机切割成尺寸为300mm×60mm×80mm的小梁。

（2）试件保温。将试件放入15℃环境箱中保温4h，使试件内部温度均匀且达到15℃。

（3）试验。对MTS材料试验机中涉及的参数予以设定，并安放好试件。先进行强度试验，得到小梁试件的破坏荷载，然后选择0.2、0.3、0.4、0.54个应力比，根据破坏荷载计算不同应力比对应的试验荷载值进行试验，每个应力比进行5个平行试验，得到AR-AC-13和SBS-AC-13混合料的疲劳寿命，并进行对比研究。

进行四点弯曲试验，加载波形为正弦波，频率为10Hz，正弦波之间未插入间歇时间以节省时间。

3　试验结果与分析

3.1疲劳试验结果

AR-AC-13和SBS-AC-13混合料在应力比为0.2、0.3、0.4、0.5时的疲劳寿命试验结果见表5。从表5可知：AR-AC-13混合料在不同应力比下的疲劳寿命都高于SBS-AC-13混合料。

表5　不同应力比下混合料的疲劳寿命

3.2双参数Weibull分布理论

从表5来看，AR-AC-13和SBS-AC-13混合料的疲劳寿命数据均存在较大离散性。由于沥青混合料材料本身具有不均匀性的特点，尽管在混合料试件制作和试验基本程序等方面均尽量减少误差，其混合料之间的疲劳寿命还是会不可避免地存在较大差距。若利用简单的平均数值法求得混合料疲劳方程，其安全概率仅50%左右，不能满足工程项目安全要求。因此，采用数理统计的方法对混合料的疲劳寿命数据进行分析。

概率密度分布函数Weibull可用来分析与疲劳寿命有关的各种试验数据，它分为概率密度函数fn（）与累积分布函数Pfn（）两种，表达式分别为：

式中：n为随机变量N的特征值；α为形状参数或在应力σ下的Weibull斜率；n0为位置参数或应力σ下的最小寿命；u为尺度参数。

为了让分析既简单又安全，设最小寿命n0为零，则Pfn（）的表达式为：

通过式（4）来验证两种混合料的疲劳试验数据能否满足双参数Weibull分布。

3.3基于双参数Weibull分布理论的疲劳寿命分析

先对每个应力比下各沥青混合料试件的疲劳寿命数值按照从小到大的顺序排列，然后按式（4）进行计算。失效概率Pfn（）用下式计算：

双参数Weibull分布公式中存在2个未知系数，可通过这2个未知系数来拟合失效概率与疲劳寿命之间的相互对应关系，方法有图表法、矩法等，这里采用图表法。对式（3）进行调整，得：

式中：i为试件在该组的序号，i=1，2，3，…；k为该组试件的总数。

不同应力比下lnln［1/（1-Pf（n））］与ln（n）间的拟合曲线见图1、图2。从中可见AR-AC-13混合料与SBS-AC-13混合料的疲劳寿命-失效概率曲线的相关系数R2均大于0.9，说明两种混合料的疲劳寿命都满足双参数Weibull分布。

图1　AR-AC-13沥青混合料疲劳寿命-失效概率曲线

图2　SBS-AC-13沥青混合料疲劳寿命-失效概率曲线

相关研究结果表明，在双对数坐标上应力比和疲劳寿命之间的关系为线性关系，其表达式为：

对两种混合料的疲劳试验数据进行双参数Weibull分布验证后，即可分析其失效概率与疲劳寿命之间的相关关系。重新整理式（3），得：

根据式（7）计算失效概率分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5时两种混合料在不同应力比下的疲劳寿命，然后根据式（6）回归分析两种混合料在不同失效概率下的相关疲劳方程系数，得到回归系数K、n及相关系数R2（见表6）。

表6　两种沥青混合料在不同失效概率下的疲劳方程系数

从表6来看，疲劳方程的相关系数都非常高，且均大于0.95，表明构建的回归模型即式（6）满足要求，利用该模型可得出不同失效概率下的疲劳方程。AR-AC-13在Pf（n）=0.1和Pf（n）=0.5时的疲劳方程分别为：

N=35.454S-4.957

N=43.025S-5.539

同理，可得出其他失效概率下的疲劳方程。

式（6）中的回归系数K与n可反映混合料材料本身的疲劳性能，其中：K值代表疲劳曲线的线位高低，可用来比较不同材料疲劳性能的好坏，即K值与曲线线位呈正相关，K越大则线位越高，混合料的疲劳性能越好；n值代表双对数疲劳曲线的斜率，即n值与曲线效率呈正相关，随着n值的增加，混合料的疲劳寿命随应力比的变化而变化的幅度增大。从表6来看，AR-AC-13混合料的K值大于SBS改性沥青混合料，说明橡胶沥青混合料的疲劳性能好于SBS改性沥青混合料；n值两者差距不大，说明两者疲劳寿命的敏感程度相当。