胶粉复合改性沥青混合料疲劳性能试验研究.DOC

1、1胶粉复合改性沥青混合料疲劳性能试验研究陆如洋 1，肖 鹏 1，姚明部 2，王欣悦 1，吴正光 1（1 扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127；2 江苏宿淮盐高速公路管理有限公司，江苏淮安 223006）摘 要：为了提高橡胶沥青混合料的抗疲劳开裂性能，将 SBS 与胶粉复合进行沥青改性，制备不同配比的胶粉-SBS 改性沥青，然后以“干拌 ”方式掺入玄武岩纤维制备胶粉复合改性沥青混合料，通过四点弯曲疲劳寿命试验全面分析了 14 种沥青混合料的疲劳寿命与劲度模量，对其抗疲劳开裂性能与自愈合能力进行综合评价。结果表明：2%SBS+14%CR 沥青胶结料疲劳因子在不同温度下普遍较小，其疲

2、劳性能明显优于其他配比的沥青胶结料；混合料的疲劳寿命最大、其次，且均远大于其他混合料；混合料的疲劳寿命恢复率最大、AR 与其次；混合料的劲度模量恢复率最大，其次。因此，在橡胶沥青混合料中掺入适量的 SBS 改性剂与玄武岩纤维，可以获得较强的疲劳寿命与最强的自愈合补偿能力，其最佳质量配比为 m 基质沥青 ：m 胶粉 ：m SBS=100：14：2 与 m 矿料 ：m BF=1000：3。关键词：道路工程；胶粉复合改性；沥青混合料；疲劳性能；玄武岩纤维中国分类号：U414 文献标志码：AFatigue Performance of Rubber Powder Composite Modified

3、Asphalt MixtureLU Ru-yang, XIAO Pen, YAO Ming-bu, WANG Xin-yue, WU Zheng-guang(1 College of Civil Sci. and Eng., Yangzhou Univ., Yangzhou, 225127, China；2 Jiangsu Su-Huai-Yan Highway Management Limited Company, Huaian, 223006, China)Abstract: In order to improve fatigue performance of asphalt rubber

4、 mixture, firstly, different ratio of CR-SBS modified asphalt was produced by compounding asphalt rubber with SBS. Then, powder composite modified asphalt mixture was prepared through mixing with basalt fiber in the form of dry mixing, and had fatigue test on it. Fatigue and stiffness modulus of 14

5、kinds of asphalt mixture were comprehensively analyzed to evaluate the ability of anti-fatigue cracking and self-healing by four-point bending fatigue life test. It turned out that the asphalt binder, adopting optimal proportion of 14% rubber powder and 2% SBS of matrix asphalt, has significantly be

6、tter fatigue properties than other proportion of asphalt binder at different temperatures; Fatigue life of mixtures II is maximum, VII next, and both are much larger than the others; Fatigue recovery rates of mixture VII is maximum, AR andnext; Stiffness modulus recovery rate of mixture VII is maxim

7、um, II next. Therefore, mixing right amount of SBS modifier and basalt fiber in rubber asphalt mixture can gain a strong sense of fatigue life and the most powerful self-healing compensation capacity, and the optimal quality proportion is masphalt：m CR：m SBS=100：14：2 与 mmineral aggregate：m BF=1000：3

8、.Key Words: road engineering；rubber powder composite modifier；asphalt mixture；fatigue performance；basalt fiber收稿日期：2016-08-13基金项目：2016 年江苏省交通运输科技与成果转化项目（2016T17） ；2015 年度江苏省普通高校研究生实践创新计划项目（SJLX15_0666）.作者简介：肖 鹏（1961 - ） ，男，江苏靖江人，教授，博士生导师，主要从事道路工程、材料工程研究, E-mail: .陆如洋（1992 - ） ，男，江苏如东人，硕士研究生，主要从事道路工程

9、材料研究.材料疲劳开裂是目前高等级沥青路面的典型病害之一。抗疲劳开裂性能是表征材料在重复荷载的作用下抵抗出现裂缝破坏的能力。为了解决路面的裂缝病害，我国引进了橡胶沥青技术，比常规沥青具有更高的黏度和更好的弹性恢复能力，但其混合料抗疲劳开裂性能仍然不能满足当前道路环境的要求 1-2。虽然国内外学者对沥青混合料疲劳开裂性能进行了较多研究，但是主要集中于疲劳性能影响因素研究、疲劳方程的推导、疲劳损伤模型的建立及疲劳破坏边界研究等方面 3-4。对不同掺量配比的胶粉-SBS 改性沥青疲劳性能的研究相对较少，涉及上述胶结料的纤维沥青混合料对比研究则更少，而考虑其纤维沥青混合料自愈合影响的研究则几乎没有 5

10、-6。本文选取 14 种不同类型胶粉复合改性沥青混合料，通过动态剪切流变试验研究其所采用 12 种沥青胶结料的疲劳性能，采用四点弯曲疲劳试验对比分析 14 种沥青混合料的抗疲劳开裂性能，包括疲劳寿命与自愈合能力，以期能为其疲劳寿命用于路面设计提供技术支撑，为抗裂沥青混合料设计和复合材料的选择提供参考。1 试验设计1.1 原材料2采用金陵 70#道路石油沥青、中胶有限公司 40目斜交胎胶粉、岳阳 YH-791H 改性剂 SBS 及江苏天龙玄武岩纤维。将道路石油沥青加热至 170，随后沥青总质量 a%的胶粉和 b%的 SBS 混合均匀后加入热沥青中，搅拌温度控制在 1803，搅拌时间为 35min

11、，随后在 175下再剪切 25min，最后在 170条件中静置溶胀 1 小时，完成胶粉-SBS改性沥青的制备 7-8。相关改性沥青的性能指标，如表 1 所示。1.2 级配设计与试件成型粗、细集料为镇江玄武岩，矿粉为磨细的镇江石灰岩，经检验各项指标均符合规范要求，如表 2 所示。考虑采用骨架密实型断级配混合料，拟选用 SMA-13 进行配合比设计，沥青混合料级配类型、关键指标如表 3、4 所示。1.3 试验与评价方法疲劳试验采用澳大利亚 IPC Global 公司制造的 BFA 四点弯曲试验机， UTM-25 伺服材料动态测试系统。试件制备过程、试验方法及评价方法如表 5 所示。结合国内外有关沥

12、青混合料自愈合特性的研究成果，采用自愈合条件为：将疲劳寿命达到NfNM 的改性沥青混合料试件置于 50条件下 5h，然后静置于室温条件下 24h，最后进行应变控制模式下的四点弯曲疲劳试验 11-13。表 1 相关改性沥青的性能指标Tab 1 Properties of related modified asphalt序号沥青类型 25针入度/0.1mm 软化点/延度/mm1 0%SBS+18%CR 45.8 67.0 82.02 4%SBS+0%CR 52.0 68.7 99.03 1%SBS+18%CR 37.5 65.4 84.04 1%SBS+16%CR 38.7 64.8 75.85

13、1%SBS+14%CR 37.8 63.7 63.06 2%SBS+16%CR 42.2 65.4 74.47 2%SBS+14%CR 43.0 69.5 98.08 2%SBS+12%CR 41.5 67.4 87.09 2%SBS+10%CR 40.4 62.8 71.010 3%SBS+14%CR 42.0 67.7 95.011 3%SBS+12%CR 40.2 63.8 89.012 3%SBS+10%CR 41.0 62.0 94.0注：Crumb rubber ， CR；Basalt fiber，BF；SBS、胶粉 CR 掺量指占基质沥青质量的百分比。表 2 粗、细集料主要性能指

14、标Tab 2 Properties of coarse and fine aggregate集料规格 压碎值 /% 磨光值 /BPN 磨耗值 /% 针片状/%玄武岩 12.2 55 11.8 7.2规范要求 28 42 30 15表 3 沥青混合料设计级配各筛孔通过率Tab 3 Gradation design of asphalt mixtures通过下列筛孔（方孔筛，mm）的质量百分率（ %）级配范围 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075上限 100 75 34 26 24 20 16 13 12下限 90 50 20 15 14 12 10

15、 9 8SMA-13 96.6 66.6 30.9 22.4 18.6 15.9 13.1 11.8 8.8表 4 沥青混合料类型汇总Tab 4 The types of asphalt mixture类型 AR SBS BF 掺量 0 0 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3SBS 掺量 0% 4% 0% 4% 1% 1% 1% 2% 2% 2% 2% 3% 3% 3%CR 掺量 18% 0% 18% 0% 18% 16% 14% 16% 14% 12% 10% 14% 12% 10%油石比/% 6.2 6.1 6.2 6.1 6.2 6.1 6.0 6.2 6.1 6.1 6.0

16、 6.2 6.1 6.0空隙率/% 4.27 4.10 4.20 4.08 4.15 4.12 4.22 4.11 4.05 4.07 4.10 4.25 4.23 4.19注：BF 掺量指玄武岩纤维质量占矿料质量的百分比。3表 5 试验方法与评价方法Tab 5 Samples preparation and method of fatigue test试件制备 试验方法 评价方法Sample1#：轮碾法成型沥青混合料板块试件，400mm300mm 75mm；基质沥青50%初始劲度模量降低疲劳寿命法（N f50） ；Sample2#：切割 Sample1#，制作小梁试件，3805mm（长）、5

17、06mm（高）、 636mm（宽）；（1）试验温度：15试验温度条件；（2）应变水平：450、650、850；（3）加载模式：连续偏正弦应变控制； 改性沥青归一劲度次数积疲劳寿命法（N fNM） 9-10；2 改性沥青疲劳性能试验结果分析测试不同配比的胶粉-SBS 改性沥青的疲劳性能，其试验结果如表 6 所示。表 6 不同配比胶粉-SBS 改性沥青疲劳因子结果Tab 6 Test results of different types of rubber powder composite modified asphalt疲劳因子 G*sin/MPa序号沥青型号25 22 19 16 131 0%

18、SBS+18%CR 1.522 2.186 3.060 4.180 5.6272 4%SBS+0%CR 1.476 1.924 2.395 3.237 4.0763 1%SBS+18%CR 2.322 3.313 4.599 6.277 4 1%SBS+16%CR 2.107 3.072 4.175 5.734 5 1%SBS+14%CR 1.840 2.627 3.664 5.020 6 2%SBS+16%CR 1.738 2.395 3.357 4.358 5.9357 2%SBS+14%CR 1.106 1.511 2.061 2.732 3.4748 2%SBS+12%CR 1.438

19、 2.019 3.167 4.073 5.4389 2%SBS+10%CR 1.942 2.853 3.9602 5.312 10 3%SBS+14%CR 2.190 3.544 4.303 5.412 11 3%SBS+12%CR 2.008 2.915 4.116 5.362 12 3%SBS+10%CR 1.942 2.853 3.9602 5.312 理想的沥青胶结料是一种近似弹性材料，具有较小的疲劳因子 G*sin，沥青混合料在荷载作用下产生变形，而卸载后既能迅速恢复，又能使内部摩擦产生的能量可以较多地以热的形式散失，这样就可避免或减少路面因产生应力累积而导致疲劳破坏。试验结果表明，

20、采用不同掺量配比对胶粉-SBS 改性沥青性能造成不同程度的降低或提高。随着温度降低，G*sin 值逐渐增大，沥青抗疲劳性能逐渐降低。第 7 组沥青胶结料的疲劳因子在不同温度下普遍偏小，而疲劳因子越小则疲劳性能越好，故其疲劳性能突出，明显优于其他配比的沥青胶结料。3 胶粉复合改性沥青混合料疲劳性能试验结果分析为研究胶粉和 SBS 的掺量对胶粉复合改性沥青混合料抗疲劳开裂性能的影响，在是否考虑沥青混合料自愈合作用两种情况下，对 14 种沥青混合料疲劳性能进行对比分析。Nf = Nf1 + Nf2 （1）其中：N f1 指未考虑自愈合的小梁疲劳试验疲劳寿命；N f2 指考虑自愈合小梁疲劳试验增加的疲

21、劳寿命；N f 指考虑自愈合的小梁疲劳试验疲劳寿命；N f 恢复率指将 Nf2 与 Nf1 相除并做百分率处理后的值，作为各沥青混合料的自愈合能力评价指标；劲度模量 1 指未考虑自愈合的小梁初始劲度模量；劲度模量 2 指考虑自愈合的小梁劲度模量。3.1 胶粉复合改性沥青混合料疲劳寿命分析对 14 种胶粉复合改性沥青混合料进行疲劳试验，其不同应变水平下混合料疲劳寿命Nf1、N f2、N f 及疲劳寿命恢复率结果，如图1、2、3、4 所示。图 1-3 可以看出，随着 SBS 与胶粉掺量的改变，不同应变水平下的胶粉复合改性沥青混合料疲劳寿命 Nf1、 Nf2 及 Nf 有着相似的变化趋势，分别在混合

22、料 SBS、处出现四个峰值，其中混合料最大、其次，且均远大于其他混合料；随着控制应变水平的提高，不同混合料的疲劳寿命 Nf1、 Nf2、N f 及恢复率均出现不同程度的衰减。图 4 可以看出，沥青混合料疲劳寿命恢复率曲线分别在混合料 AR、处出现峰值，其中混合料最大、AR 与其次，说明混合料具有最强的自愈合补偿的能力。4图 1 不同混合料不同应变水平疲劳寿命 Nf1Figure 1 Fatigue life Nf1 of different mixtures at levels图 2 不同混合料不同应变水平疲劳寿命 Nf2Figure 2 Fatigue life Nf2 of differe

23、nt mixtures at levels3.2 胶粉复合改性沥青混合料劲度模量分析不同应变水平下 14 种胶粉复合改性沥青混合料未考虑自愈合作用时小梁初始劲度模量 1、考虑自愈合作用时小梁劲度模量 2 及劲度模量恢复率结果如图 5、6 所示。图 3 不同混合料不同应变水平疲劳寿命 NfFigure 3 Fatigue life Nf of different mixtures at levels图 4 不同混合料不同应变水平疲劳寿命恢复率Figure 4 Fatigue life recovery rate of mixtures at levels图 5 不同类型沥青混合料不同应变水平下的

24、初始劲度模量与自愈合恢复后劲度模量Figure 5 The stiffness modulus 1、2 of different asphalt mixture at different strain levels图 5-6 可以看出，随着疲劳试验应变水平的提高，未考虑自愈合的小梁初始劲度模量 1 与考虑自愈合的小梁劲度模量 2 均会稍稍降低；胶粉复合改性沥青混合料小梁试件自愈合（先 50条件养护 5h，再在室温下静置 24h）后，原小梁试件的劲度模量会显著地降低。5图 6 不同类型沥青混合料不同应变水平下的劲度模量恢复率Figure 6 The stiffness modulus recov

25、ery rate of different asphalt mixture at different strain levels随着应变水平的增加，不同类型沥青混合料小梁试件劲度模量恢复率也相应降低，即试件自愈合效果愈差；但在同一应变水平下，劲度模量恢复率曲线在混合料 SBS、处出现峰值，且混合料最大，即其自愈合能力最强；对比分析表征混合料自愈合能力的疲劳寿命与劲度模量恢复率，两者有一定的差异性，故应该结合两者来综合评价其自愈合性能。综合对比 14 种混合料类型的疲劳性能，复合剂玄武岩纤维 BF 与 SBS 对混合料疲劳寿命的改善效果要优于胶粉 CR，但是 CR 与 BF 对混合料疲劳寿命恢复

26、率的改善效果要优于 SBS，结合经济因素，故混合料具有明显抗疲劳开裂性能优势，其材料组成质量比为 m 基质沥青 ：m 胶粉 ：mSBS=100：14：2 与 m 矿料 ：m BF =1000：3。究其原因，以适量 SBS 改性剂替代橡胶沥青中的部分胶粉，不仅可以提高橡胶沥青的整体性能与稳定性，而且可以改善橡胶沥青与玄武岩纤维之间的浸润性、界面作用。一方面，玄武岩纤维分散在胶粉复合改性沥青混合料中，呈三维随机分布且相互搭接形成三维空间网络，这种空间网络结构能够有效地传递应力或者消散应力，同时还能够借助纤维与胶粉-SBS 改性沥青胶浆之间更好的粘结能力克服集料颗粒之间的相对滑移，在一定程度上限制了

27、疲劳裂缝的发展；另一方面，玄武岩纤维能够分散应力集中，消散掉了应变能的积累，提高了混合料的韧性，同时其具有一定的吸油能力，使得混合料的最佳油石比稍有提高，较多的胶结料也有助于提高混合料的抗疲劳开裂性能。同时，当沥青混合料在外力作用下产生裂缝或空隙时，玄武岩纤维空间网络结构尤如混合料“微加筋” ，将沥青混合料受损部位连成一体，使得裂纹扩展时的能量释放率减少从而延缓裂缝的扩展。从而可以有效解决在橡胶沥青混合料中掺入玄武岩纤维不能大幅提高其抗疲劳开裂性能的问题，最终能够提高橡胶沥青混合料的抗疲劳开裂性能。4 结论（1）自愈合现象在胶粉复合改性混合料疲劳性能研究中是不可忽略的。将疲劳寿命恢复率与劲度模

28、量恢复率两个指标相结合，能够更加全面地评价沥青混合料的自愈合补偿能力。（2）沥青胶结料 2%SBS+14%CR 的疲劳性能明显优于其他配比的沥青胶结料。胶粉复合改性沥青混合料的三种疲劳寿命 Nf1、N f2 及 Nf 均是最长的，混合料稍有降低，但两者仍均远大于其他类型沥青混合料。胶粉复合改性沥青混合料具有最好的自愈合能力，混合料 AR、稍有降低，但三者仍均远大于其他类型沥青混合料。因此，混合料具有较强的疲劳寿命与最强的自愈合补偿能力。（3）在橡胶沥青混合料中直接掺入玄武岩纤维，疲劳性能并没有大幅度地提高，但加入适量SBS 改性剂制备胶粉-SBS 改性沥青后，沥青及沥青混合料疲劳性能均可获得较

29、大程度地改善，其最佳质量配比为 m 基质沥青 ：m 胶粉 ：mSBS=100：14：2 与 m 矿料 ：m BF=1000：3。参考文献：1 Huang Ming, et al. Ratigue performance of terminal blend rubberized asphalt mixture J. Journal of Tongji University: Natural Science, 2014, 10: 1543-1549. 黄明, 等. 溶解性胶粉改性沥青混合料疲劳性能J. 同济大学学报(自然科学版), 2014, 10: 1543-1549.2 Zhang Xiao-

30、ning, et al. Using Cooper NU-14 test system to evaluate asphalt mixture fatigue performance J. Journal of South China University of Technology: Natrxral Science Edition, 2009, 07: 52-56. 张肖宁. 利用 Cooper NU-14 试验系统评价沥青混合料疲劳性能J. 华南理工大学学报6(自然科学版), 2009, 07: 52-56.3 Huang Weidong, Gao Chuan, et al. Resea

31、rch on Influence factors of AR mixture fatigue performance J. Journal of Tongji University: Natural Science, 2009, 12: 1608-1614. 黄卫东, 高川, 等 . 橡胶沥青混合料疲劳性能影响因素研究J. 同济大学学报(自然科学版), 2009, 12: 1608-1614.4 Yang Jun, Wang Haopeng, et al. Key influential factors of fatigue and self-healing properties of asp

32、halt mixture J Journal of Southeast Uuiversity: Natrxral Science Edition, 2016, 01: 196-201. 杨军, 王昊鹏, 等. 沥青混合料疲劳自愈性能关键影响因素J. 东南大学学报( 自然科学版), 2016, 01: 196-201.5 Zheng Jian-long, Lu Song-tao. Nonlinear fatigue damage model for asphalt mixtures J. China Journal of Highway and Transport, 2009, 05: 21-2

33、8. 郑健龙 , 吕松涛. 沥青混合料非线性疲劳损伤模型J. 中国公路学报 , 2009, 05: 21-28.6 ABU AL-RUB R K, DARABI M K, LITTLE D N, et al. A micro-damage healing model that improves prediction of fatigue life in asphalt mixes J. Inter-national Journal of Engineering Science, 2010, 48(11): 966-990.7 Airey G, Rahman M, Collop A. The i

34、nfluence of crude source and penetration grade on the interaction of crumb rubber and bitumenC/Asphalt Rubber 2003 Conference. Brasilia: Star Print Editora. 2003: 375-398.8 Yao Mingbu. Experimental study on anti fatigue cracking performance of rubber powder mixed with BF compound modified asphalt mi

35、xture D. Yangzhou University, 2016. 姚明部. 掺 BF 胶粉复合改性沥青混合料抗疲劳开裂性能试验研究D. 扬州大学, 2016.9 Zhu Hongzhou, Huang Xiaoming. Analysis of key influential factors of asphalt-mixture fatigue property J Journal of Southeast Uuiversity: Natrxral Science Edition, 2004, 02: 260-263. 朱洪洲, 黄晓明 . 沥青混合料疲劳性能关键影响因素分析J. 东南大

36、学学报( 自然科学版), 2004, 02: 260-263.10 ASTM D7460-10, Standard Test Method for Deter-mining Fatigue Failure of Compacted Asphalt Con-crete Subjected to Repeated Flexural BendingS.11 CASTRO M, SANCHEZ J A. Fatigue and healing of asphalt mixtures: Discriminate analysis of fatigue curvesJ. Journal of Transp

37、ortation Engineering, 2006, 132(2): 168-174.12 Wang Xiang, Huang Wei-dong. Analysis of influencing factors for self-healing of fatigue Performance of asphalt rubber mixture J. China Journal of Highway and Transport, 2013, 04: 16-22+35. 汪翔, 黄卫东. 橡胶沥青混合料疲劳性能的自愈合影响因素分析J. 中国公路学报 , 2013, 04: 16-22+35.13 Dong Rui-kun, Huang Wei-dong, et al. Fatigue performance comparison of various kinds of asphalt mixtures with self-healing compensation considered J China Journal of Highway and Transport, 2015, 05: 87-92. 董瑞琨, 黄卫东, 等. 考虑自愈合补偿的多种沥青混合料疲劳性能比较J. 中国公路学报, 2015, 05: 87-92.