陶睿征，劉國(guó)正

（長(zhǎng)沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410007）

SBS與橡膠粉改性瀝青混合料疲勞性能對(duì)比研究

陶睿征，劉國(guó)正

（長(zhǎng)沙市公路橋梁建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410007）

在采用MTS萬(wàn)能材料試驗(yàn)系統(tǒng)控制加載的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)橡膠改性瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料兩者的疲勞性能進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明，在相同應(yīng)力比下，橡膠瀝青混合料的疲勞性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料；在驗(yàn)證疲勞數(shù)據(jù)服從雙參數(shù)Weibull分布的基礎(chǔ)上，得到了兩種混合料在失效概率為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5時(shí)的疲勞方程。

公路；橡膠瀝青混合料；SBS改性瀝青混合料；疲勞性能

通過(guò)一定的生產(chǎn)工藝將廢舊輪胎加工成橡膠粉摻入瀝青中形成一種新的改性瀝青即橡膠改性瀝青運(yùn)用到交通建設(shè)中，不僅能減少 “黑色”環(huán)境污染，達(dá)到廢棄物的循環(huán)利用，還能提高瀝青路面的抗疲勞性能、高低溫性能及耐久性能等，因而橡膠瀝青在交通建設(shè)中備受關(guān)注。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)橡膠瀝青在道路建設(shè)中的應(yīng)用，尤其是橡膠瀝青的生產(chǎn)工藝及應(yīng)用技術(shù)等研究頗多，如張永利為了把橡膠瀝青用于薄抗滑磨耗層，對(duì)其混合料進(jìn)行了低溫抗裂能力及抗疲勞性能試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明AR-GM10混合料具有良好的低溫抗裂能力和較長(zhǎng)的疲勞壽命。而對(duì)于橡膠粉對(duì)瀝青混合料疲勞性能的改善研究相對(duì)較少。該文主要通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)對(duì)橡膠瀝青混合料的疲勞性能進(jìn)行研究。

1　原材料

1.1瀝青

改性瀝青選用殼牌SBS改性瀝青；橡膠瀝青以殼牌A級(jí)70號(hào)瀝青為基質(zhì)瀝青，內(nèi)摻20%橡膠粉；橡膠粉細(xì)度為40目，由子午橡膠輪胎加工磨細(xì)而成。為了減少試驗(yàn)誤差，確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)所用橡膠瀝青采用小型攪拌機(jī)當(dāng)場(chǎng)拌和使用。瀝青性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1、表2，制成的橡膠瀝青的基本性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，橡膠瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。

1.2集料

采用的粗集料分兩檔：1#料粒徑為10～15 mm；2#料粒徑為5～10mm。細(xì)集料也分兩檔：3#料粒徑為3～5mm；4#料粒徑為0～3mm。粗、細(xì)集料分別為常用的玄武巖與石灰?guī)r，礦粉為石灰?guī)r礦粉。經(jīng)檢測(cè)，集料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

表1　基質(zhì)瀝青性能檢測(cè)結(jié)果

表2　SBS改性瀝青性能檢測(cè)結(jié)果

表3　橡膠瀝青性能檢測(cè)結(jié)果

1.3級(jí)配及油石比的確定

根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，參考現(xiàn)行規(guī)范中的級(jí)配范疇，確定兩種混合料的礦料級(jí)配（見(jiàn)表4）。采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法，得到AR-AC-13與SBS-AC-13兩種混合料的油石比分別為8.0%、5.4%。

表4　混合料的級(jí)配

2　試驗(yàn)過(guò)程及方案

（1）成型試件。根據(jù)上述混合料級(jí)配和油石比，首先采用車(chē)轍試驗(yàn)儀成型尺寸為300mm×300 mm×80mm車(chē)轍板試件，再利用切割機(jī)切割成尺寸為300mm×60mm×80mm的小梁。

（2）試件保溫。將試件放入15℃環(huán)境箱中保溫4h，使試件內(nèi)部溫度均勻且達(dá)到15℃。

（3）試驗(yàn)。對(duì)MTS材料試驗(yàn)機(jī)中涉及的參數(shù)予以設(shè)定，并安放好試件。先進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，得到小梁試件的破壞荷載，然后選擇0.2、0.3、0.4、0.54個(gè)應(yīng)力比，根據(jù)破壞荷載計(jì)算不同應(yīng)力比對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)荷載值進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)應(yīng)力比進(jìn)行5個(gè)平行試驗(yàn)，得到AR-AC-13和SBS-AC-13混合料的疲勞壽命，并進(jìn)行對(duì)比研究。

進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，加載波形為正弦波，頻率為10Hz，正弦波之間未插入間歇時(shí)間以節(jié)省時(shí)間。

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1疲勞試驗(yàn)結(jié)果

AR-AC-13和SBS-AC-13混合料在應(yīng)力比為0.2、0.3、0.4、0.5時(shí)的疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可知：AR-AC-13混合料在不同應(yīng)力比下的疲勞壽命都高于SBS-AC-13混合料。

表5　不同應(yīng)力比下混合料的疲勞壽命

3.2雙參數(shù)Weibull分布理論

從表5來(lái)看，AR-AC-13和SBS-AC-13混合料的疲勞壽命數(shù)據(jù)均存在較大離散性。由于瀝青混合料材料本身具有不均勻性的特點(diǎn)，盡管在混合料試件制作和試驗(yàn)基本程序等方面均盡量減少誤差，其混合料之間的疲勞壽命還是會(huì)不可避免地存在較大差距。若利用簡(jiǎn)單的平均數(shù)值法求得混合料疲勞方程，其安全概率僅50%左右，不能滿足工程項(xiàng)目安全要求。因此，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)混合料的疲勞壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

概率密度分布函數(shù)Weibull可用來(lái)分析與疲勞壽命有關(guān)的各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，它分為概率密度函數(shù)fn（）與累積分布函數(shù)Pfn（）兩種，表達(dá)式分別為：

式中：n為隨機(jī)變量N的特征值；α為形狀參數(shù)或在應(yīng)力σ下的Weibull斜率；n0為位置參數(shù)或應(yīng)力σ下的最小壽命；u為尺度參數(shù)。

為了讓分析既簡(jiǎn)單又安全，設(shè)最小壽命n0為零，則Pfn（）的表達(dá)式為：

通過(guò)式（4）來(lái)驗(yàn)證兩種混合料的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)能否滿足雙參數(shù)Weibull分布。

3.3基于雙參數(shù)Weibull分布理論的疲勞壽命分析

先對(duì)每個(gè)應(yīng)力比下各瀝青混合料試件的疲勞壽命數(shù)值按照從小到大的順序排列，然后按式（4）進(jìn)行計(jì)算。失效概率Pfn（）用下式計(jì)算：

雙參數(shù)Weibull分布公式中存在2個(gè)未知系數(shù)，可通過(guò)這2個(gè)未知系數(shù)來(lái)擬合失效概率與疲勞壽命之間的相互對(duì)應(yīng)關(guān)系，方法有圖表法、矩法等，這里采用圖表法。對(duì)式（3）進(jìn)行調(diào)整，得：

式中：i為試件在該組的序號(hào)，i=1，2，3，…；k為該組試件的總數(shù)。

不同應(yīng)力比下lnln［1/（1-Pf（n））］與ln（n）間的擬合曲線見(jiàn)圖1、圖2。從中可見(jiàn)AR-AC-13混合料與SBS-AC-13混合料的疲勞壽命-失效概率曲線的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9，說(shuō)明兩種混合料的疲勞壽命都滿足雙參數(shù)Weibull分布。

圖1　AR-AC-13瀝青混合料疲勞壽命-失效概率曲線

圖2　SBS-AC-13瀝青混合料疲勞壽命-失效概率曲線

相關(guān)研究結(jié)果表明，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上應(yīng)力比和疲勞壽命之間的關(guān)系為線性關(guān)系，其表達(dá)式為：

對(duì)兩種混合料的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙參數(shù)Weibull分布驗(yàn)證后，即可分析其失效概率與疲勞壽命之間的相關(guān)關(guān)系。重新整理式（3），得：

根據(jù)式（7）計(jì)算失效概率分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5時(shí)兩種混合料在不同應(yīng)力比下的疲勞壽命，然后根據(jù)式（6）回歸分析兩種混合料在不同失效概率下的相關(guān)疲勞方程系數(shù)，得到回歸系數(shù)K、n及相關(guān)系數(shù)R2（見(jiàn)表6）。

表6　兩種瀝青混合料在不同失效概率下的疲勞方程系數(shù)

從表6來(lái)看，疲勞方程的相關(guān)系數(shù)都非常高，且均大于0.95，表明構(gòu)建的回歸模型即式（6）滿足要求，利用該模型可得出不同失效概率下的疲勞方程。AR-AC-13在Pf（n）=0.1和Pf（n）=0.5時(shí)的疲勞方程分別為：

N=35.454S-4.957

N=43.025S-5.539

同理，可得出其他失效概率下的疲勞方程。

式（6）中的回歸系數(shù)K與n可反映混合料材料本身的疲勞性能，其中：K值代表疲勞曲線的線位高低，可用來(lái)比較不同材料疲勞性能的好壞，即K值與曲線線位呈正相關(guān)，K越大則線位越高，混合料的疲勞性能越好；n值代表雙對(duì)數(shù)疲勞曲線的斜率，即n值與曲線效率呈正相關(guān)，隨著n值的增加，混合料的疲勞壽命隨應(yīng)力比的變化而變化的幅度增大。從表6來(lái)看，AR-AC-13混合料的K值大于SBS改性瀝青混合料，說(shuō)明橡膠瀝青混合料的疲勞性能好于SBS改性瀝青混合料；n值兩者差距不大，說(shuō)明兩者疲勞壽命的敏感程度相當(dāng)。

4　結(jié)論

（1）橡膠瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命均存在較大的離散性。隨著應(yīng)力比的增加，疲勞壽命都明顯降低，在同一應(yīng)力比下，橡膠瀝青混合料的疲勞壽命高于SBS改性瀝青混合料。

（2）與SBS改性瀝青混合料相比，橡膠瀝青混合料的疲勞性能更好，而對(duì)應(yīng)力比變化的敏感程度兩者相當(dāng)。

［1］ 高川.橡膠瀝青混合料疲勞性能研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

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U416.217

A

1671-2668（2016）04-0086-03

2016-03-09