田鑫新

（甘肅省交通科學研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

隨著我國國民經濟的快速發(fā)展和汽車行業(yè)的迅速增長，一方面廢棄的輪胎對環(huán)境造成越來越大的壓力，不但污染環(huán)境，還會對地下水源造成影響；另一方面，隨著超載現象的日益凸顯，瀝青路面的早期破損愈顯得嚴重。由于瀝青路面在役過程中要經常性的經受車輛的施壓，周期性處于應力—應變迭變之中，隨著時間增長路面強度會逐漸下降，而當所承受的車輛荷載超過一定數量后，路面就會出現裂紋等早期破壞特征，降低了服務質量。

在輪載作用下，橡膠瀝青路面通常會處于如圖1所示的應力—應變狀態(tài)。在車輪正下方面層底部（B位置處），瀝青路面會受到拉應力的作用，而車輪通過B點后，應力方向開始變化，量值逐漸減小，并出現剪應力。當車輪遠離圖中B點后，該處則主要承受上部傳下來的壓應力的作用，其應力變化隨車輛荷載作用時間的曲線變化關系如圖2所示。而路面A處（接觸點）則相反，車輛靠近時承受拉應力的作用，直接作用時經受壓應力作用，車輛通過后又承受拉應力的作用。車輛每通過一回就使A、B點經受1次應力循環(huán)。對于橡膠瀝青路面來說，雖然比傳統(tǒng)的瀝青路面承載能力更強，但是在車輪荷載反復的水平與垂直力作用下，隨次數增多也會產生疲勞破壞。因此，對橡膠瀝青路面在重載作用下的耐久性（疲勞壽命）研究是很具有工程意義的。本文采用單軸壓縮蠕變的試驗方法，從豎向重復荷載作用下的方式出發(fā)，探討橡膠瀝青混合料在不同條件下的疲勞破壞規(guī)律。

圖1 車輛作用下橡膠瀝青路面的受力模型圖

圖2 疲勞破壞點的選擇

2 試驗介紹

本文選用標準的橡膠瀝青馬歇爾試件（Φ63.5×101mm）來進行試驗，試驗時在材料試驗機（UTM-100）上選擇應力控制的方式進行。為了加快試驗速度和出于避免混合料試件受到壓頭沖擊的考慮，本文在室內試驗中不考慮荷載間歇時間的影響，試驗方式采用單軸蠕變法。

在普通瀝青混合料的單軸壓縮試驗評判過程中，都是以馬歇爾試件完全斷裂作為疲勞破壞的標準。但是對于橡膠瀝青混合料的單軸壓縮試驗，此種判定依據顯然并不適用，這是因為在橡膠瀝青混合料的單軸壓縮疲勞試驗中馬歇爾試件在破損后并沒有出現明顯的變形突變。如圖（1～2）所示，通常單軸壓縮疲勞試驗有三個階段：（1）壓密階段；（2）彈性階段；（3）破壞階段。若取圖.2中最右邊的虛線與橫坐標交點為破壞點的話，裂縫已經貫穿整個試件，早已破壞，無任何物理意義，因此，本文選取圖2中直線段（彈性變形階段）與破壞階段的交點作為破壞點，這時馬歇爾試件的微小裂縫剛開始發(fā)展。

本文將試驗過程中的壓應力設置為極限應力的0.4倍、0.5倍、0.6倍與0.7倍。采用半正矢波加載，其中，波谷值為0.1MPa，波峰值為予加的試驗荷載水平，預壓10s，溫度為15℃，加載頻率統(tǒng)一設為10Hz（即等同于車速 60～70km/h）。

通常在相同的應力水平條件下，橡膠瀝青混合料的疲勞壽命對數值呈現出正態(tài)分布的狀態(tài)，其疲勞壽命和應力水平在雙對數坐標軸上呈線性關系，具體的雙對數疲勞方程為：

式中：Nf——疲勞壽命；

σt——應力水平（MPa）；

k、n——位置參數。

3 廢胎膠粉摻量對混合料疲勞性能的影響

試驗中選用廢舊輪胎橡膠粉的摻量分別為：0%、15%、20%，然后和SK90#基質瀝青通過一定工藝制備橡膠瀝青，以試驗級配和最佳瀝青用量成型馬歇爾試件，在UTM-100測試機上進行疲勞試驗，具體試驗結果見表1。

表1 廢胎膠粉摻量對混合料疲勞性能的影響

圖3 橡膠瀝青混合料疲勞性能隨廢胎膠粉摻量的變化

由表1及圖3可知，當廢胎膠粉摻量不同時，參數k值的大小為：k20%＞k15%＞k0%。并且通過圖示還可以看出，當廢胎膠粉摻量由0增加到15%時，k值增加了約28%，而由15%增加到20%時，k值提高了67%，增加顯著?？v觀廢胎膠粉從0～20%增加時，k值增大，位置升高，表明橡膠瀝青混合料的疲勞壽命在逐漸增加。相對應的，在廢胎膠粉從0～20%增加時，n值也在變大，n值變大表明疲勞壽命對應力變化隨膠粉摻量的增加而變得愈加敏感。

由Nf、k、n的變化可知，廢胎膠粉的摻量對混合料疲勞性能有較大的影響。當摻量在0～20%范圍內增加時，膠結料的黏度也在逐漸提高，抗疲勞能力也在增強。但是試驗研究表明，一旦廢胎膠粉的摻量超過20%時，混合料的抗疲勞性能出現拐點開始下降，這是因為當膠粉過多時造成膠粉—瀝青體系中的自由瀝青減少，影響集料和膠結料的黏附性，從而影響了其抗疲勞能力，因此，從耐久性的角度出發(fā)，橡膠瀝青膠結料中的廢胎膠粉并非越多越好，宜控制在一個合理的范圍之內。

4 橡膠瀝青含量對混合料疲勞性能的影響

試驗中，參考選用的廢舊輪胎橡膠粉摻量為20%，按瀝青含量6.4%、6.7%成型試件并進行單軸壓縮疲勞試驗，結果見表2。

表2 不同油石比下疲勞試驗結果

圖4 油石比對疲勞特性的影響

從表2及圖4可以看出，位置參數k隨瀝青含量的增加而變大，表明在橡膠瀝青混合料中提高瀝青含量能夠提高其抗疲勞性能；n也隨瀝青含量的增加而變大，表明疲勞壽命對應力變化隨瀝青含量的增加而變得更加敏感。這主要是由于隨著油石比增加，混合料內部的空隙率變小，微裂縫也變少，微裂縫的擴張也就更加困難，于是其抗疲勞性能得到了一定程度的提升。

通過上面的不同瀝青含量單軸壓縮試驗和結果分析可知，增瀝青含量有益于提高橡膠瀝青混合料的抗疲勞特性。從提高疲勞壽命的角度出發(fā)，在橡膠瀝青混合料配合比設計時，瀝青含量在滿足高溫穩(wěn)定性要求的前提下，盡量采用較大的橡膠瀝青含量。

5 結論

本文通過研究單軸蠕變試驗下不同影響因素對橡膠瀝青混合料疲勞性能的影響，主要得出如下結論：

1）廢胎膠粉摻量在0～20%之間的范圍內時，增加膠粉摻量，其疲勞方程中的Nf、k、n值均提高，也就是說橡膠瀝青混合料的抗疲勞性能得到提高；而當摻量超過20%時，疲勞壽命出現拐點開始下降，說明膠粉的摻量并非越多越好，應該控制在合理的范圍之中，才能確保橡膠瀝青混合料處在最優(yōu)的工作性能當中。

2）在優(yōu)選的6.4%～6.7%的瀝青含量范圍內，隨瀝青含量增加，橡膠瀝青混合料的疲勞性能也相應的增加，同上述（1）一樣疲勞壽命對應力變化的敏感程度隨瀝青含量增加而增加。