史經(jīng)春

(湖南大學(xué)設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410082)

0 前言

橡膠瀝青以其良好的環(huán)保優(yōu)勢為我國合理循環(huán)利用廢舊橡膠輪胎提供了新的途徑，實(shí)現(xiàn)了資源的可重復(fù)利用，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景［1］。不僅如此，橡膠瀝青還具有足夠的高溫穩(wěn)定性和降噪性能，很好的解決和減小了瀝青路面車轍和噪音污染［2］。目前，國內(nèi)對橡膠瀝青混合料疲勞性能研究較少，黃衛(wèi)東［3～7］等對影響橡膠瀝青混合料疲勞性能的因素展開了研究，但對于不同級配類型的橡膠瀝青混合料的疲勞性能至今研究較少?；诖?，本文以AC－13 和SMA－13 兩種橡膠瀝青混合料為例，研究了應(yīng)力水平、加載速率、老化時間和纖維摻量對橡膠瀝青混合料疲勞壽命的影響，為橡膠瀝青混合料的應(yīng)用提供理論參考。

1 原材料與方法

1.1 原材料

本文選用埃索70#瀝青為基質(zhì)瀝青，其基本技術(shù)指標(biāo)見表1;粗細(xì)集料都選用石灰?guī)r，礦粉為磨細(xì)的石灰石粉，其各項技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)要求;橡膠粉采用焦作市弘瑞橡膠有限公司生產(chǎn)的廢舊輪胎橡膠粉，粒度為60 目;纖維選用上海申滌科技合作公司生產(chǎn)的木質(zhì)素纖維。橡膠瀝青混合料級配采用AC－13 和SMA－13，并以其級配上限和下限的中值作為合成級配，具體見表2。

表1 埃索70#的基本技術(shù)指標(biāo)

表2 橡膠瀝青混合料合成級配

1.2 試驗(yàn)方法與方案

采用美國SHRP 計劃選定的三分點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)評價橡膠瀝青混合料的疲勞性能［5］。試驗(yàn)采用MTS 材料試驗(yàn)機(jī)控制加載，力傳感器的精確度為1 N，位移控制精度為0.001 mm，采用環(huán)境箱控制溫度，精確到0.1 ℃。

本文通過測試不同條件下橡膠瀝青混合料的疲勞壽命，研究應(yīng)力比和加載速率對AC－13 和SMA－13 橡膠瀝青混合料疲勞壽命的影響，并分別研究了老化時間對AC－13 疲勞壽命和纖維摻量對SMA－13 疲勞壽命的影響。試驗(yàn)溫度為15 ℃，平行試驗(yàn)次數(shù)為3 次，所有混合料中橡膠粉摻量均為18%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力比對疲勞壽命的影響

選取應(yīng)力水平為0.3～0.6 以0.1 為間隔由低到高對AC－13 和SMA－13 橡膠瀝青混合料進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，研究應(yīng)力比對兩種瀝青混合料疲勞壽命的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 應(yīng)力比對疲勞壽命的影響

從圖1可以看出，兩種橡膠瀝青混合料的疲勞壽命都隨這應(yīng)力比的增大逐漸減小，其中當(dāng)應(yīng)力比小于0.5 時疲勞壽命隨應(yīng)力比的變化趨勢較明顯，而當(dāng)應(yīng)力比大于0.5 時，疲勞壽命隨應(yīng)力比的變化趨勢放緩。說明應(yīng)力比為0.5 是橡膠瀝青混合料疲勞壽命顯著改變的分界點(diǎn)。另外，隨著應(yīng)力比的增大，兩種橡膠瀝青混合料疲勞壽命之間的差距逐漸縮小，當(dāng)應(yīng)力比超過0.8 時，兩種瀝青混合料的疲勞壽命比較接近，此時影響橡膠瀝青混合料疲勞性能的主要因素是應(yīng)力比，級配類型對疲勞性能的影響較弱。

當(dāng)應(yīng)力比相同時，SMA－13 橡膠瀝青混合料的疲勞壽命大于AC－13 橡膠瀝青混合料，例如當(dāng)應(yīng)力比為0.5 時，SMA－13 和AC－13 混合料的疲勞壽命分別為8 690 次和3 035 次。這主要是由于兩種瀝青混合料的結(jié)構(gòu)差異造成的，SMA－13 是典型的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，在外力作用下，粗骨料之間的骨架作用為混合料提供了足夠的支撐，混合料越不容易變形，因此疲勞壽命較高;而AC－13 混合料為典型的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較差，在外力作用下易出現(xiàn)變形，因此疲勞壽命較低。

2.2 加載頻率對疲勞壽命的影響

選取加載頻率為2、5、10、15 Hz，在各加載頻率下對兩種橡膠瀝青混合料進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，研究加載頻率對橡膠瀝青混合料疲勞壽命的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 加載頻率對疲勞壽命的影響

從圖2可以看出，隨著加載頻率的增大，兩種橡膠瀝青混合料的疲勞壽命都大幅增長，例如當(dāng)加載頻率由2 Hz 增大到10 Hz 時，SMA－13 混合料的疲勞壽命由1 260 次提高到7 695 次，AC－13 混合料的疲勞壽命由685 次提高到3 135 次。這是因?yàn)?，加載頻率越高，荷載作用時間越短，橡膠瀝青混合料內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展越慢，有些裂紋來不及擴(kuò)展，疲勞壽命越長，因此在收費(fèi)站、十字路口等易剎車路段瀝青路面更易出現(xiàn)疲勞破壞。隨著加載頻率的增大，兩種混合料的疲勞壽命的增長幅度逐漸減弱，可以預(yù)見當(dāng)加載頻率達(dá)到一定值后橡膠瀝青混合料的疲勞壽命將趨于穩(wěn)定。

2.3 瀝青老化對AC－13疲勞壽命的影響

以AC－13 橡膠瀝青混合料為例，對其分別進(jìn)行0、3、7 d 的老化，然后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，其中控制應(yīng)力比為0.5，研究老化時間對橡膠瀝青混合料疲勞壽命的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，各應(yīng)力比下隨著老化時間的延長，AC－13 橡膠瀝青混合料的疲勞壽命逐漸降低，其中老化0 d 和3 d 時疲勞壽命變化不大，而當(dāng)老化時間延長到7 d 時，橡膠瀝青混合料的疲勞壽命大幅降低。例如當(dāng)應(yīng)力比為0.5 時，老化0 d 和3 d 的疲勞壽命分別為7 695 次和7 808 次，兩者相差不大，而當(dāng)老化時間為7 d 時疲勞壽命減小到2 980次。老化時間對橡膠瀝青混合料疲勞壽命的影響隨著應(yīng)力比的變大而增大，說明重載和老化對橡膠瀝青混合料的疲勞性能產(chǎn)生協(xié)同作用，加速橡膠瀝青路面的疲勞開裂。這是因?yàn)?，老化一方面使瀝青中的芳香芬和飽和芬等輕質(zhì)組分揮發(fā)，瀝青變硬變脆，變形能力減弱;另一方面橡膠也出現(xiàn)不同程度的老化，橡膠顆?；钚詼p弱，彈性變差，老化時間越長，瀝青和橡膠粉顆粒的老化越嚴(yán)重，在重復(fù)重載作用下橡膠瀝青混合料產(chǎn)生疲勞開裂，疲勞壽命降低。

圖3 瀝青老化對AC－13 混合料疲勞壽命的影響

2.4 纖維摻量對SMA－13疲勞壽命的影響

為了探究纖維對橡膠瀝青混合料疲勞壽命的改善作用，分別在SMA－13 混合料中添加不同摻量的纖維(0%、0.3%、0.4%和0.5%)，在各纖維摻量下確定最佳油石比，在最佳油石比下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 纖維摻量對SMA－13 混合料疲勞壽命的影響

從圖4可以看出，各應(yīng)力比下SMA－13 橡膠瀝青混合料的疲勞壽命隨纖維摻量的增加都出現(xiàn)相同的變化趨勢，當(dāng)纖維摻量小于0.3%時隨著纖維摻量的增大，疲勞壽命緩慢增長，當(dāng)纖維摻量在0.3%～0.4%之間時，增大纖維摻量會使疲勞壽命急劇增長，當(dāng)摻量為0.4%時疲勞壽命達(dá)到最大值，之后再增加纖維摻量反而會降低SMA－13 橡膠瀝青混合料的疲勞壽命。這是因?yàn)?，?dāng)纖維摻量小于0.3%時，纖維均勻的分散在橡膠瀝青混合料中，對混合料產(chǎn)生加緊作用，但由于摻量太少無法充分發(fā)揮纖維的抗拉作用，因此疲勞壽命提高不明顯;而當(dāng)纖維摻量大于0.3%時，隨著纖維摻量的增多，纖維的加筋作用逐漸增強(qiáng)，在荷載作用下纖維充分發(fā)揮抗拉作用，使疲勞壽命大幅增大;之后再增加纖維摻量時，纖維在混合料中截團(tuán)，無法均勻分布，產(chǎn)生諸多受力薄弱點(diǎn)，在荷載作用下易出現(xiàn)斷裂，因此疲勞壽命反而會降低。

3 結(jié)論

1)隨著應(yīng)力比的增大，橡膠瀝青混合料的疲勞壽命逐漸降低，其中應(yīng)力比為0.5 是橡膠瀝青混合料疲勞壽命大幅改變的分界點(diǎn);在同一應(yīng)力比下SMA－13 橡膠瀝青混合料比AC－13 有更高的疲勞壽命。

2)加載頻率越大，兩種橡膠瀝青混合料的疲勞壽命越大，當(dāng)加載頻率超過一定值后疲勞壽命趨于穩(wěn)定。

3)老化時間越長，AC－13 橡膠瀝青混合料的疲勞壽命越低，但前期老化對疲勞壽命的影響程度較小，而后期老化對疲勞壽命會產(chǎn)生重大影響。

4)各應(yīng)力水平下，SMA－13 橡膠瀝青混合料的疲勞壽命都隨纖維摻量表現(xiàn)出相同的變化趨勢，纖維摻量存在最佳值為0.4%。

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