基于复合改性沥青混合料疲劳性能研究

郭 林

(浙江理工大学建筑工程学院，浙江 杭州 310000)

随着国家的高速发展，道路的使用次数与荷载都在与日俱增，在一些发达地区，高等级公路超载、重载现象频发，再加上环境日益恶劣，致使原设计道路无法满足交通需求，这种情况下会使路面出现疲劳破坏，例如路面开裂、车辙等危害，极大的影响了道路使用的舒适性和安全性，缩短了道路的使用寿命[1-3]。国内外大量研究及实验表明，废旧轮胎橡胶粉是一种廉价、环保的改性剂，其具有在沥青用量较大的情况下防止出现流淌，能够有效提高沥青混合料的抗疲劳耐久性的优点。已有研究表明硫酸钙晶须具有高强度、高模量、高韧性、耐高温等特点，能够有效增强沥青混合料的抗疲劳耐久性特点[4-6]。基于橡胶粉、硫酸钙晶须对改性沥青的优点，本文提出将橡胶粉与硫酸钙晶须进行复配，将沥青三大指标以及沥青混合料疲劳寿命次数来研究其抗疲劳耐久性。

1 试验材料

1.1 沥青

本文沥青采用70号基质沥青，其技术指标见表1。

表1 基质沥青技术指标

1.2 改性剂

本文采用的改性剂为硫酸钙晶须和橡胶粉，其技术指标见表2。

表2 硫酸钙晶须和橡胶粉的性能指标

1.3 改性沥青的制备以及三大指标试验

本文选用70号基质沥青作为原材料，见表1。试验中，按照不同实验组添加不同含量的橡胶粉或者硫酸钙晶须进行搅拌，硫酸钙晶须和橡胶粉性能指标见表2，研究沥青在添加不同含量的橡胶粉或者硫酸钙晶须时的三大指标试验，从而得出关于沥青抗疲劳的关系。试验过程如下：

1)将改性沥青加热放入特制容器内，将容器置于160 ℃烘箱中不少于1 h，以保证沥青的流动性。2)按照改性沥青含量设计不同组的橡胶粉或者硫酸钙晶须，并称量其重量。3)使沥青温度保持在150 ℃左右，置于高速搅拌机下，并将已经称量好的橡胶粉或者硫酸钙晶须加入不断进行搅拌，搅拌时间不少于20 min，确保搅拌均匀。4)搅拌好之后获得橡胶粉改性沥青或者硫酸钙晶须改性沥青。研究得出的实验数据见表3,表4。

表3 不同掺量橡胶粉对沥青三大指标的影响

表4 不同掺量硫酸钙晶须对沥青三大指标的影响

针对表3，表4绘制折线图如图1,图2所示。

从图1可以看出延度随着橡胶粉的掺量增加逐渐升高，在橡胶粉掺量为22%时为最大，这说明橡胶粉的掺入对沥青的延度影响较大。从图1中的软化点试验中可以看出，沥青的软化点随着橡胶粉含量的增加也在增大，而且随着橡胶粉的掺入呈现线性增加的趋势，这说明橡胶粉的加入使得沥青的高温稳定性得以增强。从图1中的针入度试验可以看出沥青针入度随着橡胶粉含量的增加在逐渐减小，而且随着橡胶粉的掺入呈线性下降的趋势，这可能是因为橡胶粉颗粒与基质沥青内部发生反应形成网状结构，随着橡胶粉的持续掺入，针入度的数值趋于稳定，说明由于橡胶粉颗粒与基质沥青形成的网状结构使得针入度维持在稳定水平。

从图2可以看出延度随着硫酸钙晶须掺量的增加逐渐下降，这说明硫酸钙晶须的掺入对沥青的延度影响较大。从图2中的软化点试验可以看出，沥青的软化点随着橡胶粉含量的增加也在增大，说明随着硫酸钙晶须的加入使得沥青的高温稳定性得以增强。从图2中的针入度试验可以看出沥青针入度随着硫酸钙晶须含量的增加在逐渐减小，说明硫酸钙晶须的掺入对沥青针入度有较大的影响。

2 改性沥青混合料的设计及疲劳试验

2.1 复合改性沥青混合料的设计

试验采用沥青混合料AC-13，其试验数据见表5。

表5 AC-13沥青混合料试验级配

将改性剂硫酸钙晶须与橡胶粉形成不同的比例，再根据以上数据设计复合改性沥青混合料(AC-13)。

2.2 疲劳试验

试验采用四点弯曲疲劳寿命试验，试验采用液压加载装置，试验按照JTG E20—2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程中的要求制成沥青混凝土板块试件，在室温放置48 h后切割成380 mm×63 mm×50 mm的标准小梁试件，试验温度为15 ℃，采用液压加载模式，在液压MTS疲劳试验机上进行四点加载方式，试验温度为15 ℃，加载频率Hz，拉应力为200 με,300 με,400 με,500 με,600 με，共五个应变水平，试验结果见表6。

表6 不同类型沥青混合料疲劳试验结果

从表中可以看出橡胶粉—硫酸钙晶须复合改性混合料在五种应力水平下600 με对应的最低疲劳寿命次数也是橡胶粉在600 με所对应的最高疲劳寿命次数的1.2倍，是硫酸钙晶须沥青混合料在600 με对应的最高疲劳寿命次数的1.6倍，而出于200 με水平下的橡胶粉—硫酸钙晶须对应的疲劳寿命次数是橡胶粉对应的最高寿命次数的3.6倍，是硫酸钙晶须对应的最高寿命次数的4.7倍。由此可知，橡胶粉—硫酸钙晶须复合改性沥青混合料的疲劳寿命优于其他两种改性沥青混合料，同种条件下，橡胶粉—硫酸钙晶须复合改性沥青混合料的抗疲劳耐久性能更好。

3 结语

通过实验和分析表明，随着橡胶粉、硫酸钙晶须、橡胶粉—硫酸钙晶须的加入，沥青的延度、针入度、软化点均发生了变化。同时实验表明橡胶粉—硫酸钙晶须复合改性沥青混合料的疲劳寿命明显优于其他两种，有较好的抗疲劳性能。