HDP橡胶沥青混合料的疲劳性能

高彦芝，徐洲峰

HDP橡胶沥青混合料的疲劳性能

高彦芝，徐洲峰

(四川建筑职业技术学院交通与市政工程系，四川德阳 618000)

针对沥青路面的疲劳破坏问题，提出在道路基层和面层之间设置AC-10应力吸收层，并采用HDP橡胶沥青拌和AC-10沥青混合料，以马歇尔设计法进行配合比设计，测试马歇尔试件的各项相关技术指标，确定HDP最佳掺量和混合料的最佳配合比。通过四点加载试验分析得出，用HDP橡胶沥青制备的AC-10沥青混合料具有良好的抗疲劳性能，可以有效防止路面因疲劳引起的开裂，从而提高路面的安全性与耐久性，延长道路的使用寿命。

HDP;橡胶沥青混合料;应力吸收;疲劳性能

0 引言

随着中国公路交通量的迅速增长以及车辆轴重的不断增大，路面的破坏形式趋于多样化，很多道路早期就发生较严重的病害，大大缩短了使用寿命。疲劳开裂是目前沥青路面主要的破坏形式之一，产生疲劳开裂的原因是由于车轮荷载的反复移动作用，使得路面长期处于应力应变重复循环状态。应力应变特性主要取决于路面材料的种类，而沥青路面的抗拉强度远小于抗压强度，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结构抗力，使路面出现裂缝，产生疲劳断裂破坏［1］。为了解决沥青路面疲劳开裂的问题，国内外进行了大量试验研究，提出多种预防措施，其中最重要的手段之一就是设置应力吸收层［2］。

橡胶沥青混合料的研究发展也经历了从应力吸收层的运用技术、应力吸收中间层的运用技术，再到开级配橡胶沥青混合料、连续级配的密实性橡胶沥青混合料和断级配橡胶沥青混合料的过程［3］。橡胶具有黏弹性，因此可以提高沥青的柔韧性，其改性原理是:通过橡胶的吸收反应和橡胶粉颗粒的填充作用来提高沥青的性能;另一方面，由于环氧树脂可以有效提高沥青的内聚力，因此提出了高耐久性铺装(HDP)橡胶沥青的研制。HDP添加剂由主剂与硬化剂组成，有研究表明两者在一定温度下均匀混合会发生自催化反应，其产物具有与环氧树脂体系相似的性质［4-5］。本文通过HDP橡胶沥青的使用来改善沥青路面的高温稳定性以及低温抗裂性，提高路面的抗疲劳性能，从而延长沥青路面的使用寿命。

1 HDP橡胶沥青混合料的配合比设计

1．1 HDP 橡胶沥青

橡胶沥青采用的胶粉一般有2种:一种是只采用废弃轮胎橡胶，其主要化学成分是天然橡胶、合成橡胶以及碳黑、氧化铁、氧化硅等添加剂;另一种是在采用废弃的轮胎橡胶的同时又掺加了天然橡胶［6］。橡胶粉与基质沥青充分反应后，可以提高胶结料的黏聚力及温度稳定性，并且在保证低温性能满足要求的情况下，提高沥青路面的抗变形能力和抗疲劳开裂性能［7］。HDP橡胶沥青是在橡胶沥青的基础上进行改性，掺入一定量的HDP，HDP中的环氧基与橡胶粉中硫醇基发生反应，生成一种高分子橡塑三维立体网络结构，兼有HDP环氧和橡胶两者各自的优点［8］。本研究拟定橡胶粉的掺量为基质沥青用量的15%，HDP掺量为基质沥青用量的20%，HDP中主剂与硬化剂的比例为61∶39。HDP橡胶沥青制备工艺见图1。

图1 HDP橡胶沥青生产工艺

1．2 集料

本试验选用石灰岩集料，分别为5～10 mm的碎石和0～5 mm的石屑，填充料为矿粉。碎石、石屑、矿粉的掺配比例为28∶67∶5，按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)进行筛分试验，合成级配满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求，见表1。

表1 AC-10集料合成级配 %

1．3 混合料的技术参数

由于疲劳试验采用的小梁试件为板块，板块试件从开始装模到放在成型机碾压轮下面就需要10～15 min，这个过程中温度会有10℃左右的损失［9］。因此，板块试件的拌和温度要比碾压温度高出10℃～15℃，确定HDP橡胶沥青混合料的拌和温度为175℃，并且保证混合料从装模到放在车辙成型机上的时间在 15 min 以内［10］。

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的方法测定HDP橡胶沥青混合料AC-10试件的理论最大相对密度、毛体积相对密度、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度以及马歇尔稳定度、流值，结果如表2所示。

2 疲劳试验

2．1 试验方法

沥青混合料疲劳试验方法很多，目前较多采用周期短、费用少的室内小型疲劳试验方法［11］。其中弯曲试验的试验结果和基本技术可直接用于设计，同时还可以按要求选择不同的加载方式，因此被广泛使用。本次试验选取四点加载小梁弯曲疲劳试验来研究HDP橡胶粉沥青混合料的耐疲劳性能。加载方式如图2所示。

结构层达到临界疲劳状态所承受的荷载重复次数称为疲劳寿命。某一路面结构层疲劳寿命的大小除了与路面环境因素有关外，还取决于所受到的重复应变或应力的大小［12］。沥青路面的疲劳寿命可以按照不同的荷载条件来测定，荷载条件保持不变即为试件承受简单荷载，荷载条件改变即为承受复合荷载［13］。相同的沥青混合料，承受简单荷载或复合荷载对于试件所表现的疲劳反应是有差异的［14］。控制应变加载模式适用于沥青混合料厚度较薄(＜5 cm)的情况;作为应力吸收层，AC-10橡胶沥青混合料的设计厚度一般小于5 cm。控制应力加载模式由于试验条件的限制较难实现，因此本文采用控制应变加载模式来进行四点加载弯曲试验。

表2 HDP沥青混合料各项技术参数

图2 疲劳试验加载

由于加载频率对疲劳试验的结果会有一些影响，当加载频率为10 Hz(加载时间为0.016 s)时，相当于60～70 km·h－1左右的车速;根据《公路工程技术标准》(JTGB01—2014)规定，高速公路的行车速度在60～120 km·h－1范围内。因此，选择10 Hz的加载频率是合适的［15］。

由于室内试验与实际道路上的情况有较大差别，考虑加载时间间歇、裂缝发展和荷载横向分布等影响，本次试验均将试件寿命控制在一千次至一百万次之间［16-17］。

温度、湿度等外部环境对材料的疲劳特性也会有很大的影响。关于湿度对路面寿命影响的研究很少，本试验过程不考虑。温度改变会影响混合料的劲度，进而改变应力与应变的关系，因此试验时应控制好环境温度。本次小梁弯曲疲劳试验的温度为20℃。

2．2 成型试件

试件制作过程不同于传统的马歇尔试件，整个制作过程包括混合料的拌和、碾压和试件切割成型3个步骤［18］。四点弯曲疲劳试件采用试板的尺寸为400 mm×300 mm×75 mm;轮碾机碾压成型后，用切割机将试板切割成400 mm×50 mm×50 mm小梁试件［19］。

2．3 疲劳试验数据分析

以不同的沥青含量分别进行弯曲试验，每组4个平行试件，加载频率为10 Hz，试验温度为20℃，应变水平为400με，HDP橡胶沥青混合料AC-10的四点弯曲试验结果及疲劳试验结果见表3。

表3 HDP橡胶沥青混合料疲劳试验结果

从表3可知:随着沥青含量的增加，疲劳寿命呈增大的趋势，AC-10沥青混合料最佳沥青用量在7.0% ～7．5%之间，表明HDP橡胶沥青应力吸收层具有较好的抗疲劳特性，可以延长道路的使用寿命。

3 结语

(1)HDP橡胶沥青比普通橡胶沥青具有更好的温度稳定性及耐老化性。因此按照一定配比制备的HDP橡胶沥青混合料的各项马歇尔指标均能符合规范要求。

(2)HDP橡胶沥青混合料具有良好的抗疲劳性能，对于减少沥青路面的反射裂缝起到有效的作用，可以延长沥青路面的使用寿命。

(3)AC-10沥青混合料作为应力吸收层，其抗疲劳寿命随着沥青用量的增加而增加，但存在一个最大寿命。

［1］ 邱 欣，张敏江，何桂平，等．应用线弹性疲劳损伤理论的沥青路面轴载换算［J］．公路交通科技，2005，22(6):6-9．

［2］ 高彦芝．AC-10抗疲劳层配合比设计方法研究［J］．交通科技与经济，2014，16(5):93-94．

［3］ 夏 娟，龚俊辉，陈守明，等．松香对橡胶沥青性能影响的试验分析［J］．公路交通技术，2011(2):35-38．

［4］ 戚大贺．乳化沥青冷再生混合料的疲劳性能研究［D］．重庆:重庆交通大学，2010．

［5］ 高 芳．不同级配橡胶沥青混合料疲劳性能研究［D］．重庆:重庆交通大学，2015．

［6］ 魏 谊．高耐久性铺装沥青混合料成型温度的研究［J］．湖南交通科技，2014，40(2):32-36．

［7］ 黄文元．轮胎橡胶粉改性沥青路用性能及应用研究［D］．上海:同济大学，2004．

［8］ 周 玮．应力吸收层沥青混合料的研究［D］．广州:华南理工大学，2008．

［9］ 王 辉．不同纤维对SMA路用性能影响研究［D］．长沙:长沙理工大学，2007．

［10］ 高彦芝，徐洲峰．HDP橡胶沥青混合料的配合比设计研究［J］．筑路机械与施工机械化，2015，33(1):75-77．

［11］ 洪 海，程培峰．HDPE－橡胶粉复合改性沥青应力吸收层混合料疲劳性能［J］．哈尔滨工业大学学报，2014，46(12)，125-128．

［12］ 赵 磊．沥青混合料疲劳性能研究［D］．重庆:重庆交通大学，2009．

［13］ 唐健娟．全厚式长寿命沥青路面基层材料疲劳性能研究［D］．南京:东南大学，2008．

［14］ 黄文元，张隐西．橡胶沥青复合力学作用机理及其指标体系框架［J］．石油沥青，2006，20(4):61-66．

［15］ 冯文欣，季国庆，孔宪明．近年废胶粉改性道路沥青的研究［J］．石油沥青，2008，22(1):6-11．

［16］ 葛折圣．沥青混合料疲劳性能研究［D］．南京:东南大学交通学院，2001．

［17］ 高 川．橡胶沥青混合料疲劳性能研究［D］．上海:同济大学，2008．

［18］ 袁德明，刘 冬，瘳克俭．废旧橡胶粉改性沥青研究进展［J］．合成橡胶工业，2007，30(2):159-162．

［19］ 陈 杰．浅谈影响沥青路面疲劳的因素［J］．黑龙江交通科技，2011(7):17-18．

Fatigue Properties of HDP Rubberized Asphalt Mixture

GAO Yan-zhi，XU Zhou-feng
(Department of Transportation and Municipal Engineering，Sichuan College of Architectural Technology，Deyang 618000，Sichuan，China)

Aimed at the fatigue failure of asphalt pavement，it was proposed to set an AC-10 stress absorbing layer between the base course and the surface course．The HDPrubberized asphalt was used to prepare the AC-10 mixture，and the mix design was conducted with Marshall mix design method．The technical indicators of the Marshall specimen were tested so as to determine the optimum amount of HDP and the optimum mix design．The four-point loading test shows that the AC-10 asphalt mixture prepared with HDP rubberized asphalt has good fatigue resistance and can effectively prevent the cracking caused by fatigue．As a result，the safety and durability of the road are improved and the service life is extended．

HDP;rubberized asphalt mixture;stress absorbing;fatigue property

U414．01

B

1000-033X(2017)10-0054-04

2017-03-02

高彦芝(1988-)，女，山东济宁人，硕士，讲师，研究方向为交通与市政工程。

［责任编辑:杜敏浩］