老化CR/SBS复合改性沥青混合料弯曲疲劳特性试验研究

2020-09-14杨侣珍张允宝

中外公路 2020年4期

杨侣珍，张允宝

(1.湖南交通职业技术学院，湖南长沙 410132； 2.长沙理工大学交通运输工程学院； 3.湖南省交通建设造价管理站)

中国近54%的国土面积属于季冻区，这些地区的气候特点为夏季持续高温多雨，冬季严寒漫长，像西北和东北地区，代表性的“冰城”哈尔滨，路面温度处于-40 ～70 ℃，跨度可达110 ℃。这对沥青路面的性能提出了很高要求，既要有良好的高温抗车辙能力、低温抗裂缝延展能力，还需要一定的抗疲劳性能和抗老化能力。改性沥青是解决这一问题的有效措施，已在实际生产过程中有大量应用，如SBS、SBR、PE、橡胶粉等，但单一改性剂的综合性能难以得到保证，复合改性沥青技术应运而生。

橡胶粉(CR)/SBS复合改性作为目前较为常见且已经有实际应用的复合改性技术受到越来越多的关注。CR/SBS复合改性沥青的改性机理、微观结构、高低温特性和混合料路用性能均已有较为系统的研究。结果表明：其具有良好的高温、低温、水稳定性能，是一种潜在的能适用于季冻区的复合材料，但对其混合料在抗老化性能和抗疲劳性能方面研究较少，特别是对不同老化程度复合改性沥青混合料的疲劳性能缺乏全面的评价。

该文基于响应曲面法，通过三大指标常规试验确定CR/SBS复合改性沥青的最佳掺量，在此基础上对其混合料进行短期老化和长期老化制备得到不同老化程度复合改性沥青混合料，测试不同老化程度下复合改性沥青混合料路用性能和疲劳性能，得到其随老化程度的变化规律，以全面评价CR/SBS复合改性沥青混合料的耐久性。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

试验采用的基质沥青为环烷基原油生产的镇海AH-70#道路石油沥青，其25 ℃针入度为75(0.1 mm)，10 ℃延度为31 cm，环球法测得的软化点为58 ℃。SBS采用线形热塑性丁苯橡胶SBSYH-791H(1301-1)，橡胶粉采用40目废旧斜交轮胎橡胶粉。

1.2 试验方法

复合改性沥青制备：将70#基质沥青在烘箱中加热至150 ℃，待基质沥青具有一定的流动性，加入一定比例的SBS、废旧橡胶粉、相容剂、稳定剂，温度控制在180 ℃左右，将剪切仪转速增至5 000 r/min，剪切60 min后置于烘箱中发育30 min，制得复合改性沥青。

三大指标试验：依据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，采用T0604-2011测试25 ℃条件下CR/SBS复合改性沥青针入度、T0605-2011测试5 ℃沥青延度、T0606-2011测试沥青软化点(环球法)。

老化试验：采用T0734-2000对热拌沥青混合料进行短期老化，老化温度135 ℃，时长4 h，短期老化后成型试件进行长期老化，老化温度85 ℃，时长120 h。

路用性能试验：采用T0719-2011进行车辙试验，以动稳定度检验混合料高温稳定性，T0715-2011进行弯曲试验测量低温破坏应变评价低温性能，T0709-2011、T0729-2011进行马歇尔及浸水马歇尔稳定度试验、冻融劈裂试验评价沥青混合料水稳定性。

疲劳性能试验：两点弯曲试件采用轮碾压实仪成型，取沥青混合料长方体板正中部分切割成上底25 mm×25 mm、下底25 mm×56 mm、高250 mm的梯形悬臂梁；半圆弯曲试件采用旋转压实成型的大直径圆柱体试件(直径150 mm、高度180 mm)切割而成，首先将圆柱体试件两端上下对称各切除15 mm，然后进行三等分十字切割成6个直径为150 mm、厚度为50 mm的半圆试件；四点弯曲试件由轮碾成型的沥青混合料板块切割而成，其长度为380 mm、厚度50 mm、宽度63.5 mm。

采用T0739-2011进行四点弯曲疲劳寿命试验，两点弯曲疲劳试验采用欧洲EN 12697-24《Bituminous Mixtures - Test Methods for Hot Mix Asphalt》标准，半圆弯曲试验参考美国标准。两点弯曲、半圆弯曲和四点弯曲疲劳试验条件保持一致，试验温度均为15 ℃，采用正弦波加载模式，加载频率10 Hz。疲劳试验采用应力控制，选用0.2、0.4、0.5、0.6、0.8共5个应力比，每个试件进行5次平行试验。

2 CR/SBS复合改性沥青最佳沥青掺量及混合料路用性能

2.1 基于响应曲面法的最佳CR/SBS掺量确定

根据已有研究，SBS(2%、2.5%、3%、3.5%、4%)，橡胶粉(10%、15%、20%、25%、30%)均采用5种掺量作为备选掺量(内掺)，其中相容剂掺量为1.5%、稳定剂掺量为0.6%。根据响应曲面法进行试验设计，在此基础上对原材料进行高速剪切制备得到不同掺量CR/SBS复合改性沥青，然后对其进行三大指标常规性能试验，试验设计及结果见表1。

表1 试验设计及结果

依据此试验结果，利用Expert-Design程序进行统计学分析，以达到寻找研究范围内最佳掺量的目的。

(1) 软化点

软化点Expert-Design分析结果分别见图1、2及表2。

图1 软化点对SBS、橡胶粉掺量响应曲面图

软化点预测方程：

S=75.55+7.81A+10.59B-1.12AB-0.29A2+2.28B2-0.26A2B-1.68AB2-1.17A3-1.67B3

R2=0.995

式中：S为软化点；A为橡胶粉掺量；B为SBS掺量。

图2 软化点实测值与预测值分布

表2 软化点数值分析

(2) 针入度

针入度Expert-Design分析结果分别见图3、4及表3。

图3 针入度对SBS、橡胶粉掺量响应曲面图

图4 针入度实测值与预测值分布

表3 针入度数值分析

针入度预测方程：

P=62.18-3.97A-9.79B-0.22AB+2.05A2-3.65B2

R2=0.984

式中：P为针入度；A为橡胶粉掺量；B为SBS掺量。

(3) 延度

延度Expert-Design分析结果分别见图5、6及表4。

图5 延度对SBS、橡胶粉掺量响应曲面图

图6 延度实测值与预测值分布

表4 延度数值分析

延度预测方程：

D=35.45-5.74A+13.61B

R2=0.981

式中：D为延度；A为橡胶粉掺量；B为SBS掺量。

依据JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中表4.6.2聚合物改性沥青技术要求，按照适用于西北和东北地区的I-C级标准，结合响应曲面法确定CR/SBS最佳掺量，见表5，取整得CR掺量为15%，SBS掺量为3%。

表5 最佳掺量

2.2 CR/SBS复合改性沥青路用性能验证

为了验证CR/SBS复合改性沥青最佳掺量的合理性并揭示其路用性能随老化程度的变化规律，选用AC-13细粒式CR/SBS复合改性沥青混合料，成型马歇尔试件(180 ℃)确定最佳油石比(6.9%)和设计空隙率(4.0%)，对CR/SBS复合改性沥青混合料进行短期老化和长期老化试验得到不同老化程度复合改性沥青混合料，并测试其路用性能。

对不同老化程度复合改性沥青混合料进行车辙试验、低温弯曲试验、标准马歇尔、浸水马歇尔稳定度试验和冻融循环前后的劈裂强度试验，试验结果见表6～9。

表6 车辙动稳定度试验结果

表7 低温弯曲试验结果(-10 ℃)

表8 浸水马歇尔残留稳定度试验结果

表9 冻融劈裂残留强度比试验结果(-10 ℃)

综合不同老化程度CR/SBS复合改性沥青混合料路用性能试验结果，可以得出：在最佳CR/SBS掺量条件下，CR/SBS复合改性沥青混合料高温、低温性能满足夏炎热-冬严寒地区的技术要求，水稳定性满足湿润区使用要求，且经过短期老化和长期老化后，其路用性能仍能符合检验技术要求，CR/SBS复合改性沥青混合料表现出良好的抗老化能力。为了充分评价CR/SBS复合改性沥青混合料的耐久性，开展不同弯曲模式疲劳试验，进一步研究其疲劳特性。

3 老化CR/SBS复合改性沥青混合料疲劳特性

目前常用的沥青混合料疲劳测试方法有单轴压缩、间接拉伸、直接拉伸、两点弯曲、三点弯曲、四点弯曲、半圆弯曲等，不同的测试方法得到的试验结果相差甚远，很难得出唯一的结论。研究表明：沥青路面的疲劳破坏多以弯拉破坏为主，故选取两点弯曲、半圆弯曲、四点弯曲疲劳试验以综合评价CR/SBS复合改性沥青混合料疲劳性能，不同老化程度弯曲疲劳试验结果见表10。

由表10可知：① 3种疲劳模式下的疲劳寿命有一定的差距，其中四点弯曲的疲劳寿命最大，半圆弯曲次之，两点弯曲最小；② 从变异系数来看，半圆弯曲疲劳寿命离散性最小，变异系数全部控制在15%以内，两点弯曲变异系数高达29.68%，四点弯曲高达25.74%。

究其原因，这与试件的制作方式和应力状态相关，两点弯曲试件采用等腰梯形梁，最大应力点出现在距试件底部1/3处，试件尺寸很难达到精度要求，从而造成理论开裂位置和实际开裂位置出现偏差；四点弯曲采用长方体梁，试件尺寸较易精确控制，且两个加载点之间的梁受力状态保持一致，但对于非均质的沥青混合料来说，理论开裂位置为一区域，这无疑增大了缺陷出现的概率，从而造成离散性偏大；半圆弯曲为圆柱体试件切割一分为二得到，一方面保证了两个半圆试件的一致性；另一方面试件受力模式唯一，最大应力点始终为底部跨中位置，更能真实反映材料的疲劳抗力。

表10 不同老化程度弯曲疲劳试验结果(15 ℃)

3.1 两点弯曲疲劳

图7 不同老化程度两点弯曲疲劳方程(双对数坐标图)

表11 不同老化程度两点弯曲疲劳方程拟合参数

从图7、表11可以看出：疲劳寿命和应力比有较好的线性相关关系。随着老化程度的加剧，两点弯曲疲劳寿命逐渐减小，短期老化后的疲劳寿命与未老化相差较小，这说明CR/SBS复合改性沥青混合料在施工拌和摊铺过程中的疲劳损伤较少；不同应力比条件下，长期老化后的两点弯曲疲劳寿命为未老化的29%～68%，同时其疲劳寿命对应力大小也越发敏感，说明老化作用对复合改性沥青混合料产生了不利影响，这是因为沥青在老化过程中变硬变脆，黏性成分减少，故在路面设计中应考虑老化带来的疲劳损伤。但在应力比为0.2的条件下，其两点弯曲疲劳寿命仍有未老化的68%，也就是说在没有超载严重的情况下，服役多年后的CR/SBS复合改性沥青混合料仍具有较好的抗疲劳性能。

3.2 半圆弯曲疲劳

在双对数坐标中对半圆弯曲疲劳试验结果进行线性拟合，拟合结果如图8及表12所示。

图8 不同老化程度半圆弯曲疲劳方程(双对数坐标图)

表12 不同老化程度半圆弯曲疲劳方程拟合参数

从图8、表12可以看出：半圆弯曲疲劳寿命和应力比有很好的线性相关关系，相关系数均达到0.97。老化将导致CR/SBS复合改性沥青混合料半圆弯曲疲劳寿命对应力越发敏感。随着老化程度的加剧，半圆弯曲疲劳寿命逐渐减小，短期老化后的疲劳寿命与未老化相差较小，长期老化后疲劳寿命显著减小；不同应力比条件下，短期老化后的半圆弯曲疲劳寿命为未老化的59%～80%，长期老化后的半圆弯曲疲劳寿命为未老化的21%～69%，但在应力比为0.2时，短期和长期老化之后半圆弯曲疲劳寿命仍有未老化时的79%和69%，同样说明低应力比条件下CR/SBS复合改性沥青混合料具有一定的抗老化和疲劳性能。

3.3 四点弯曲疲劳

在双对数坐标中对四点弯曲疲劳试验结果进行线性拟合，拟合结果如图9及表13所示。

图9 不同老化程度四点弯曲疲劳方程(双对数坐标图)

表13 不同老化程度四点弯曲疲劳方程拟合参数

从图9、表13可以看出：四点弯曲疲劳寿命和应力比有较好的线性相关关系。随着老化程度的加剧，四点弯曲疲劳寿命逐渐减小，其疲劳寿命对应力大小也越发敏感，短期老化后的疲劳寿命与未老化相差较小，这与两点弯曲和半圆弯曲得出的结论一致；但在不同应力比条件下，短期老化后的四点弯曲疲劳寿命均为未老化的72%左右；相对未老化，长期老化后的疲劳寿命随应力比的增大而折减得更为明显，最低可折减到原来的20%。由此可见，如有超载，对老化后的CR/SBS复合改性沥青混合料产生的疲劳损伤是极其不利的。

3.4 弯曲疲劳特性比较

对不同弯曲模式和不同老化程度的CR/SBS复合改性沥青混合料疲劳方程进行汇总分析(图10、11)，并分析其疲劳方程拟合参数的变化规律，以期深入评价CR/SBS复合改性沥青混合料的抗老化和抗弯曲疲劳特性。

图10 不同老化程度弯曲疲劳方程对比(双对数坐标图)

图10、11表明：对于CR/SBS复合改性沥青混合料，同种老化程度，不同弯曲模式的疲劳方程差异明显，同种弯曲模式，不同老化程度的疲劳方程不尽相同。

整体来看，无论何种老化程度，四点弯曲的疲劳曲线线位最高，半圆弯曲次之，两点弯曲最低，线位越高，说明耐久性更好，但显然，对于同样一种材料，其耐久性应是唯一的，这就涉及到耐久性评价方式的选取，从疲劳试验的离散性和拟合方程的相关性来说，半圆弯曲是一个好的选择。从CR/SBS复合改性沥青混合料对应力的敏感性，也即参数n值来看，两点弯曲最大，四点弯曲次之，半圆弯曲的n值总体为最小，n值越小说明对应力越发不敏感，这也反映出半圆弯曲的一定优势，因为其可以消除部分人为因素引起的试验加载条件误差。因此，半圆弯曲试验用来评价老化CR/SBS复合改性沥青混合料的弯曲疲劳特性更具合理性和适用性。

图11 不同老化程度弯曲疲劳方程拟合参数对比

图12为不同弯曲模式疲劳方程拟合参数对老化的敏感性分析，即以未老化时的疲劳参数作为分母(基准为1)，短期老化和长期老化的疲劳方程参数作为分子，两者相比描述k、n参数随老化程度加剧的相对变化。各点之间用水平阶梯中心线连接，从而更为直观地描述参数对老化的敏感性。

从图12可以看出：k的相对变化在水平线1以上，n的相对变化在水平线1以下。对于k，水平线位越高，说明对老化越敏感；对于n，水平线位越低，说明对老化更敏感。可以直观地得出，半圆弯曲疲劳方程参数对老化最为敏感，四点弯曲次之，对老化最不敏感的为两点弯曲。因此，不同弯曲模式中，评价CR/SBS复合改性沥青混合料的抗老化性能，半圆弯曲同样是一个较好的选择。