BTA混合料抗疲劳性能的试验研究

吴鹏志，张新天，赵岩，李博

（北京建筑大学 土木与交通工程学院，北京 100044）

0 引言

BTA是一种由废旧塑料与橡胶合成的水基聚合物环保新材料。BTA碎石混合料作为一种新型的路面材料，对环境污染小，可在常温下存储与施工，性能与乳化沥青混合料相似，符合对环境保护的要求。同时，BTA混合料属于热固性材料，有着成型后不可逆的特性，体现出结合力强、刚性大变形小的优势，高温抗车辙能力尤其突出，对于解决目前重载交通压力大导致的车辙变形十分有效。但在以往的研究和工程应用中发现，由于其弹韧性不足，BTA混合料的水稳定性能和抗疲劳性能较差。其中水稳定性能已通过掺混改性乳化沥青，以及用水泥替代部分矿粉的方式得以解决[1]，但疲劳性能差仍是影响其路用性能的致命缺陷。

改善沥青混合料疲劳性能的技术途径主要有[2]：（1）使用改性沥青；（2）掺加纤维素；（3）调整矿料级配。其中纤维作为理想的加筋材料，可均匀地分散在混合料中形成桥架结构[3]，有效提高混合料中骨料的结合性能，并显著改善路面的柔韧性，缓解混合料的胀缩应力，而各种纤维中木质素纤维对于疲劳性能的提升较为明显[4]。为了改善BTA混合料的抗疲劳性能，在BTA混合料中掺加木质素纤维，采用疲劳性能试验方法以分析相关影响规律以及确定木质素纤维的最佳用量。

1 试验用材料及主要仪器设备

1.1 集料

矿料的各项技术性能指标按JTJ 052—2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行测试，测试结果见表1。

表1 矿料的技术性能指标

1.2 BTA

新型聚合物材料 BTA（Black Top polymer Asphalt）是ROMIX集团研发的水基聚合物环保新材料，其主要成分包含改性聚乙烯醇、硬脂酸钠、乙酸乙烯酯、均聚物分散体、用石油溶剂加工的防水型分散剂和消泡剂、甲基丙烯酸甲酯单体、少量沥青，其余为水。材料试验方法参考乳化沥青相关试验规程进行，测试结果见表2。

表2 BTA的技术性能指标

1.3 SBR改性乳化沥青

BTA混合料中的结合料除BTA外，为了改善结合料的柔韧性，调节混合料的刚度，降低混合料产生脆硬开裂和表面脱落程度，提高混合料的密实程度，加入比例为30%的同为水基聚合物的改性乳化沥青，试验中所用的基质沥青为SKAH-90#，乳化剂采用十八烷基三甲基氯化铵（1831），用量为1.5%，改性剂采用SBR胶乳，用量为5%。SBR改性乳化沥青的基本技术指标见表3。

表3 改性乳化沥青技术指标的实测结果

1.4 水泥

BTA混合料中以适量水泥代替矿粉，用以提高混合料的早期强度，显著改善BTA混合料的路用性能，尤其是水稳定性。水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥，其技术指标应符合JTGF—2003《公路水泥混凝土路面施工技术规范》要求。测试结果见表4。

表4 水泥的力学性能指标

1.5 木质素纤维

木质素纤维是植物纤维，属于有机纤维类。从吸油的角度比较，木质素纤维比其他种类的纤维吸油效果更好。同时，BTA混合料中加入木质素纤维还起到加筋的效果，实验选用国产木质素纤维，其技术性能指标见表5。

表5 木质素纤维的技术性能指标

1.6 试验设备

试验采用剪切压实仪成型块状试件，后切割成长度为（380±5）mm、厚度为（50±5）mm、宽度为（63.5±5）mm 的梁式试件，采用UTM-25试验机，通过四点加载弯曲疲劳试验分析BTA混合料的疲劳性能。

2 试验

2.1 矿料级配选择

新型水基聚合物BTA混合料与沥青混合料的作用相同，用以修筑面层结构。常温下BTA混合料以液态形式与集料拌和，为了提高混合料的密实度和整体性，增加比表面积，粒径小于4.75 mm的细集料比例提升至75%，粒径4.75 mm以上的集料仍按照国家规范采用AC-13型级配。实验拟采用级配见表6。

表6 集料级配

2.2 配合比设计

通过马歇尔试验确定作为对比组的无木质素纤维BTA混合料的最佳油石比，在此基础上，以纤维作为外掺料分别按0.15%、0.3%、0.45%掺量加入作为试验样本进行马歇尔试验。试验中BTA混合料的配合比为：乳液（BTA∶SBR改性乳化沥青=7∶3）用量7%，水泥用量2%。作为对比组的SBR改性乳化沥青混合料使用同样的配合比设计，采用AC-13型级配。

2.3 室内疲劳试验方法

目前普遍采用的混合料室内疲劳试验方法主要有：弯曲试验（旋转悬臂梁、三分点加载和梯形悬臂梁或中点加载）、单轴试验、三轴试验、间接拉伸试验和轮辙试验等。考虑试验方法的模拟程度、简便性和试验结果的适用性，重复弯曲试验可以表征实际路面的受力状况，试验结果可直接用于路面结构设计。

试验温度为15℃，采用正弦波荷载，加载频率为10 Hz，疲劳破坏标准考虑为：取劲度模量衰减至初始劲度模量的50%的荷载循环次数。

3 BTA混合料疲劳试验结果分析

四点弯曲疲劳试验的最大拉应力σt（Pa）、最大拉应变（mm）εt和弯拉劲度模量 S（Pa）分别按式（1）、式（2）和式（3）计算：

式中：L——弯曲梁试件跨径，mm；

P——峰值荷载，kN；

ω——弯曲梁试件宽度，mm；

h——弯曲梁试件高度，mm。

式中：δ——弯曲梁试件中心点最大变形，mm；a=L/3。

3.1 掺加木质素纤维对BTA混合料疲劳性能的影响（见图1）

图1 木质素纤维对BTA混合料疲劳性能的影响

由图1可见，随着木质素纤维的用量增加，BTA混合料的疲劳性能逐步提高。这是由于在材料内部或表面一些缺陷部位在受到重复荷载作用初期，会引发细微裂痕，并逐步转化成为微裂缝，多次荷载作用下微裂缝发育成熟，最终引起断裂破坏[5]。对于掺加纤维的BTA混合料，在微裂缝转化为裂缝时，界面处存在适量的纤维，起到桥架作用阻碍了裂缝的进一步发展，与此同时，BTA混合料断裂所需的能量得到了有效的吸收和消耗，当裂缝进一步发展时纤维的存在会使裂缝转向，从而即使是同方向的裂缝也无法进一步发展，起到了减慢裂缝产生速率的作用，进而提高了BTA混合料的抗疲劳性能。在不同应变水平下，木质素纤维掺量为0.3%的BTA混合料的疲劳寿命次数相较于不掺加木质素纤维的疲劳寿命在200×10-6μ应变水平下提高了100%，改善效果显著。

3.2 掺加木质素纤维对BTA混合料劲度模量的影响（见图2）

图2 不同木质素纤维掺量在不同应变水平下的劲度模量曲线

由图2可见，当木质素纤维掺量为0.3%时，各应变水平下的劲度模量和疲劳寿命都达到了最佳水平。木质素纤维掺量的提高有助于木质素纤维对液态的BTA产生吸附、扩散、润滑等作用，使BTA成单分子排列在木质素纤维表面，形成结合力牢固的界面结构层[6]；纵横交错的木质素纤维吸附了BTA结合料中的小分子物质，从而提升了BTA胶质的含量，提高了BTA混合料的粘度和强度；木质素纤维对混合料的开裂有一定的阻滞作用，从而提高了沥青路面产生裂纹后的自愈能力；木质素纤维对BTA具有增韧作用，能够增强对集料的裹附效果，保证BTA混合料的整体性而不易松散。但当木质素纤维用量过多时，多余的自由纤维与BTA和集料结合效果不良，导致混合料松散，导致疲劳寿命下降，即意味着存在木质素纤维的最佳掺量。

3.3 BTA混合料与乳化沥青混合料疲劳性能对比

级配同为AC-13，对最佳木质素纤维掺量0.3%的BTA混合料及改性乳化沥青混合料2种冷拌混合料抗疲劳性能进行比较，结果如图3所示。

试验表明，木质素纤维掺量0.3%的BTA混合料疲劳寿命已经超过了同为水基聚合物的改性乳化沥青混合料。在不同应力水平下，木质素纤维掺量为0.3%的BTA混合料的疲劳寿命相较于目前实际工程中道路面层结构使用的改性乳化沥青混合料在应变水平为200×10-6μ时提高了30%，可满足实际工程应用的需要。

图3 同为AC-13级配的2种混合料疲劳寿命比较

3.4 BTA混合料疲劳方程拟合

根据应变抗疲劳试验数据，其应变-疲劳寿命呈指数线性关系，拟合出疲劳方程为，拟合结果见表7。

表7 疲劳方程拟合结果

K1值越小表明其疲劳性能越好。K2值表示疲劳曲线斜率的陡缓程度，即斜率大小，K2值越小，混合料的疲劳寿命对应变水平变化越不敏感。由表7可以看出：（1）对实验结果进行回归分析，各回归方程的相关系数R2都满足要求，因此，所采用的回归方程是合理的。（2）当木质素纤维掺量为0.3%时其K1值最小，其疲劳性能也是四者中最好的。（3）比较在混合料中是否掺加纤维的疲劳试验参数，当木质素掺量为0.3%时，K2可下降26%，因此在混合料中加入纤维后BTA混合料对应变水平的疲劳敏感性明显下降，抗疲劳性能明显提高。木质素纤维掺量0.45%的疲劳实验参数K2比木质素掺量0.3%的疲劳实验参数K2有小幅度的增大，此时BTA混合料对应变的敏感性增加，表明当木质素掺量超过0.3%时，BTA混合料的抗疲劳性能会开始下降。因此，对于疲劳寿命而言，掺加木质素纤维的BTA混合料存在最佳纤维用量。

4 结论

（1）在BTA混合料中掺加木质素纤维可以改善其抗疲劳性能，并且在最佳纤维含量0.3%下，木质素纤维对BTA混合料的疲劳性能在应变水平为200、400、600和750 με时，分别提高了1～6倍，起到了明显的改善作用。

（2）木质素纤维的掺加量为0.3%时，BTA混合料的抗疲劳回归方程为：

（3）在最佳木质素纤维掺量为0.3%时，BTA混合料的疲劳性能优于同为水基聚合物的乳化沥青混合料，掺加木质素纤维的BTA混合料可用于面层结构的修筑。

[1] 李江，封晨辉，陈忠达.水泥-乳化沥青混合料的研究[J].石油沥青，2005（6）：12-16.

[2] 刘中林，田文，史建方，等.高等级公路沥青混凝土路面新技术[M].北京：人民交通出版社，2002.

[3] HUAXIN CHEN，QINWU XU.Experimental study of fibers in stabilizing and reinforcing asphalt binder[J].17th International Symposium on Alcohol Fuels，2010，89（7）：1616-1622.

[4] 刘少鹏，黄卫东，纪淑贞.掺加纤维对橡胶沥青混合料疲劳性能的影响[J].华东交通大学学报，2014（5）：6-11.

[5] 杨红辉，袁宏伟，郝培文，等.木质素纤维沥青混合料路用性能研究[J].公路交通科技，2003，20（4）：10-11.

[6] 张丽宏，黄晓明.沥青混合料疲劳性能研究及寿命预估的新方法[J].石油沥青，2008，22（5）：63-66.