硅藻土复配SBR改性沥青混合料的疲劳性能试验研究.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202303068开放科学（资源服务）标识码（OSID）硅藻土复配 SBR 改性沥青混合料的疲劳性能试验研究于春辉（1.中国公路工程咨询集团有限公司，北京100089；2.中咨华科交通建设技术有限公司，北京100195）摘要：为研究硅藻土复配 SBR 改性沥青的疲劳性能，制备了连续级配和间断级配硅藻土复配SBR 改性沥青混合料，对多种类型硅藻土复配 SBR 改性沥青混合料展开间接拉伸疲劳性能试验，得到不同类型沥青混合料在不同温度下的疲劳方程。研究表明：混合料的类型、试验温度、硅藻土及SBR 均对沥青混合料的疲劳寿命有影响；相同温度及混合料类型条件下，间断级配的疲劳寿命高于连续级配；相同级配及沥青混合料条件下，5 条件下的疲劳寿命高于 25 的疲劳寿命；相同温度及级配条件下，硅藻土、SBR 均可提高基质沥青混合料的疲劳寿命，表现为疲劳方程的 K 值增大，n 值减小，且硅藻土对疲劳方程系数的影响程度大于 SBR，即硅藻土复配 SBR 改性沥青混合料疲劳寿命的提高主要取决于硅藻土。关键词：公路工程；硅藻土；SBR；疲劳性能；间接拉伸试验中图分类号：U414文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)04 0055 05 0 引言近年来，我国沥青路面建设里程取得了历史性突破，随之而来的问题就是沥青路面的服役寿命。沥青混合料的疲劳性能是指沥青路面在自然气候下车辆反复作用材料性能的衰减程度，是随着时间推移，沥青路面材料发生磨耗、损坏、剥落等病害过程，也是评价沥青路面耐久性的重要指标。因此，提高沥青混合料的疲劳性能是我国公路建设者应重点关注的问题。SBR 改性剂是利用自由基引起的乳液聚合或阴离子聚合工艺，以丁二烯和苯乙烯为单体制得1。SBR 改性沥青具有较优的低温抗开裂性，广泛应用于我国高严寒地区2 3。但是，SBR 改性沥青的综合性能指标有待进一步提升。研究表明：硅藻土拥有吸附性良好、资源丰富、价格低廉、环保无污染、拉伸强度高等优势，被广泛应用于造纸业、油漆涂料业、抛光摩擦业等各行业中。当前硅藻土作为沥青改性剂已经取得了不错的效果，把硅藻土添加到基质沥青中可以提升沥青的路用性能，具体包括高温稳定性、水稳定性、耐老化性等，但对低温性能有一定的负面影响4 5。众多研究者开始在硅藻土改性沥青中复配SBR 改性剂，其低温抗裂性能确有大幅度改善6。然而，众多的研究缺乏硅藻土复配 SBR 对沥青疲劳性能的影响。鉴于此，本文尝试以连续级配和间断级配混合料为载体，制备多种硅藻土复配SBR 改性沥青混合料，展开大量、重复性的室内疲劳性能测试，分析其疲劳性能。1 论硅藻土复配 SBR 改性沥青的制备 1.1 原材料采用盘锦#90 基质沥青，检测结果，见表 1。天然硅藻土技术指标，见表 2。表1盘锦#90 沥青检测结果25 针入度/（0.1 mm）15 延度/cm软化点/15 密度/（gcm3）蜡含量/%84.510052.21.0621.3 表2天然硅藻土技术指标外观SiO2含量/%粒度/目产地含湿量/%浅灰色粉末9298400广西3 1.2 硅藻土复配 SBR 改性沥青的制备 收稿日期：2023 05 18作者简介：于春辉（1981），男，黑龙江庆安人。高级工程师，主要从事道路与桥梁设计工作。E-mail：。于春辉：硅藻土复配 SBR 改性沥青混合料的疲劳性能试验研究 55 在金属容器中倒入基质沥青，称重后放入电炉，加热至 130140；称取质量分数为 4%（经沥青三大指标验证为最佳掺量）的硅藻土，缓慢加入沥青中（控制在 2 分钟以内）；用高速剪切乳化机搅拌，剪切时间为10 分钟，剪速为3 000 转/min，温度为 170 180，即得到硅藻土改性沥青；将质量分数为 4%的 SBR 缓慢加入硅藻土改性沥青中（边搅拌边加入），用高速剪切乳化机继续搅拌，剪切时间为 20 分钟，剪速为 5 000 转/min；为保证改性沥青能有良好的发育，人工用搅拌棒搅拌 1020 分钟，即得到硅藻土复配 SBR 改性沥青。制备硅藻土复配 SBR 改性沥青，见图 1。（a）原料（b）复配改性沥青图1制备硅藻土复配 SBR 改性沥青 2 配合比设计 2.1 配合比设计AC-13 的矿物级配曲线，见图 2。SMA-13 级配曲线，见图 3。0.075 0.150.30.61.18 2.36 4.759.513.2160102030405060708090100110通过率/%级配下限级配上限级配中值合成级配筛孔/mm图2AC-13 级配曲线 0102030405060708090100110通过率/%级配下限级配上限级配中值合成级配0.075 0.150.30.61.18 2.36 4.759.513.216筛孔/mm图3SMA-13 级配曲线 2.2 最佳油石比马歇尔试件试验体积参数的测定依据公路沥青路面施工技术规范（JTG F402004）7及公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）8。确定连续级配最佳油石比为 4.8%，间断级配为 6.2%。最佳油石比下沥青混合料体积参数，见表 3。表3最佳油石比下沥青混合料体积参数项目油石比/%流值/（0.1 mm）稳定度/kN空隙率/%毛体积密度/（gcm3）饱和度/%AC-13级配4.829.510.94.22.36367SMA-13级配6.222.113.04.02.46176 3 疲劳试验 3.1 试验方法沥青混合料疲劳试验方法主要有间接拉伸试验、简单弯曲试验、单轴压缩试验、支撑梁弯曲试验等。目前，业内应用最广泛的是间接拉伸试验和四点梁弯曲试验9。由于本试验内容丰富，数据量较大，因此采用简单易操作且是 SHRP 研究推荐使用的间接拉伸试验来表征沥青混合料的疲劳寿命。3.2 试验参数测试仪器为多功能沥青混合料试验车。测试方法：应力模式控制，波形装填半正弦波，装填持续时间 0.1 秒；根据劈裂试验结果应力比选取 0.250.80。选定 5 和 25 两种温度，试件在试验前将其置于 UTM-30 中保温不低于 3 小时。为便于叙述，将混合材料种类简化：连续级配基质沥青混合材料简化为 AC-、连续级配掺杂 4%硅藻土改性沥青混合材料简化为 AC-、连续级配掺杂4%硅藻土改性沥青加 4%SBR 分别简化为 AC-。同样，间断级配中不同类型沥青混合料简称为SMA-、SMA-、SMA-。马歇尔试件，见图 4。图4马歇尔试件 间接拉伸试验车，见图 5。路基工程 56 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）图5间接拉伸试验车 3.3 试验结果沥青混合料疲劳性能测试结果，见表 4。表4沥青混合料疲劳性能测试结果混合料类型5 25 应力比加载应力/MPa疲劳寿命/次应力比加载应力/MPa疲劳寿命/次AC-0.40.402142630.250.226182260.50.71180160.300.311100270.60.89344210.350.38260200.71.29627990.400.44922590.81.40421220.450.5471123AC-0.40.381263700.250.244286600.50.650120510.300.290189100.61.30266550.350.441120960.71.45946980.400.52985440.81.81226550.450.6034291AC-0.40.490261020.250.240242120.50.800249310.300.320236620.61.14088390.350.440130110.71.38079110.400.54088980.81.91058110.450.6306027SMA-0.40.620196600.250.290199200.50.950152920.300.440156390.61.40082600.350.54076900.71.49039360.400.69044280.81.92027170.450.8102505SMA-0.40.440990630.250.310529700.50.810360210.300.430370010.61.160222190.350.590240660.71.620194170.400.650142910.82.18092200.450.8408005SMA-0.40.5201142100.250.330734800.50.810859600.300.420434590.61.140769320.350.580325610.71.480339870.400.640245920.81.850262140.450.89011108 根据表 4 疲劳数据绘制了 5、25 条件下的应力-疲劳拟合曲线，见图 6图 9。0.20.30.40.50.60.70.80.901000020000300004000050000600007000080000SMA-SMA-SMA-SMA沥青混合料疲劳寿命Nf/次施加应力/MPay=2.0528x+3.3042R2=0.9168y=1.7963x+4.0096R2=0.966y=1.8848x+3.8311R2=0.9383图625 条件下 SMA 级配应力-疲劳拟合曲线 0.20.30.40.50.60.7050001000015000200002500030000AC-AC-AC-AC沥青混合料疲劳寿命Nf/次施加应力/MPay=3.2141x+2.2873R2=0.949y=1.4928x+3.5413R2=0.9245y=1.8106x+3.3512R2=0.9258图725 条件下 AC 级配应力-疲劳拟合曲线 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2020000400006000080000100000120000SMA沥青混合料疲劳寿命Nf/次施加应力/MPay=1.7957x+4.0187R2=0.8722y=1.1809x+4.7937R2=0.8717y=1.387x+4.476R2=0.9712SMA-SMA-SMA-图85 条件下 SMA 级配应力-疲劳拟合曲线 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0050001000015000200002500030000AC沥青混合料疲劳寿命Nf/次施加应力/MPay=1.2471x+4.1022R2=0.8804y=1.3353x+3.8657R2=0.9601y=1.5129x+3.5947R2=0.9738AC-AC-AC-图95 条件下 AC 级配应力-疲劳拟合曲线 3.4 疲劳方程沥青混合料在应力模式控制下的疲劳特性计算式10 11为Nf=K(1)n（1）Nf式中：为疲劳寿命；为弯拉应力；K、n 为疲劳方程系数。将式（1）化为logNf=logKnlog（2）式中：n 表示回归方程斜率的陡缓程度；K 表示回于春辉：硅藻土复配 SBR 改性沥青混合料的疲劳性能试验研究 57 归方程的高低，通过这两个参数可以来反映沥青混合料的耐疲劳性能。n 越大，混合料的耐疲劳性能越差，表示沥青混合料疲劳寿命对应力水平的变化就越敏感。K 值越大，则耐疲劳性能越好12。R2另外，疲劳试验数据的离散性也可以用疲劳方程来表示，即疲劳方程的线性系数越接近 1，表示数据的稳定性越好，试验的离散性越低，结果就越精确。沥青混合料疲劳方程及回归系数，见表 5。表5沥青混合料疲劳方程及回归系数混合料类型温度/疲劳方程R2回归系数KnAC-5Nf=3.59(1)1.510.973.591.5125Nf=2.29+(1)3.210.952.293.21AC-5Nf=3.87(1)1.360.963.871.3625Nf=3.35(1)1.810.933.351.81AC-5Nf=4.10(1)1.250.884.101.2525Nf=3.54(1)1.490.923.541.49SMA-5Nf=4.02(1)1.800.874.021.8025Nf=3.30(1)2.050.923.302.05SMA-5Nf=4.48(1)1.390.974.481.3925Nf=3.83(1)1.880.943.831.88SMA-5Nf=4.79(1)1.180.874.791.1825Nf=4.01(1)1.800.974.011.80 为方便做数据比较，将表 5 中回归系数制成柱状图，5、25 条件下沥青混合料回归系数，分别见图 10、图 11。温度对疲劳寿命有不小的影响，对于相同种类的沥青混合料而言，温度越高，表明疲劳寿命越低。这是因为沥青混合料在加载模式为控制应力的条件下，温度增高，其劲度模量就减小，马歇尔试件在承受一定应力条件下产生的应变就越大13 14。硅藻土改性沥青混合料的 K、n 及疲劳寿命在相同温度条件下均远大于基质沥青混合料，说明硅藻土对沥青耐疲劳的改善程度较大。SBR 使得沥青混合料的疲劳性能也有所提升，这是由于SBR 的弹性成分具有使路面的变形得到部分弹性恢复的作用，从而减少了成型混合料的永久变形，但疲劳寿命的提升幅度小于硅藻土。3.593.874.104.024.484.791.511.361.251.801.391.18AC-AC-AC-SMA-SMA-SMA-012345沥青混合料类型回归系数Kn图105 条件下沥青混合料回归系数 012345AC-AC-AC-SMA-SMA-SMA-沥青混合料类型Kn2.293.353.543.303.834.013.211.811.492.051.881.80回归系数图1125 条件下沥青混合料回归系数 4 结语本文制备多种硅藻土复配 SBR 改性沥青混合料，展开室内疲劳性能测试，分析其疲劳性能，得到不同类型沥青混合料在不同温度下的疲劳方程。（1）间接拉伸试验能较为准确地判断沥青混合料的疲劳性能，疲劳方程离散型较好，符合常规及预期。（2）相同的温度及混合料类型条件下，间断级配沥青混合料的疲劳寿命优于连续级配，进一步验证了试验结果的可靠性。（3）相同级配及混合料类型条件下，疲劳寿命对温度较为敏感，25 的疲劳寿命要远低于 5 下的疲劳寿命。（4）硅藻土复配 SBR 改性沥青混合料的疲劳性能与基质沥青混合料相比，有较大幅度的提升。其中，硅藻土对疲劳性能提升的贡献最大。参考文献(References)：1 李剑新,杨克红,耿亚平.SBR 改性沥青生产工艺 J.炼油技术与工程,2009,39(7):1 4.DOI:10.3969/j.issn.1002-106X.2009.07.001.LI J X,YANG K H,GENG Y P.Production process of SBR modifiedasphaltJ.Petroleum Refinery Engineering,2009,39(7):1 4.DOI:10.3969/j.issn.1002-106X.2009.07.001.2 罗涵钟.硅藻土复合 SBR 改性沥青及混合料性能研究 D.成都:成都理工大学,2021.LUO H Z.Research on performance of diatomite composite SBRmodified asphalt and mixtureD.Chengdu:Chengdu University ofTechnology,2021.3 王国安.多年冻土地区硅藻土改性沥青性能研究 D.重庆:重庆交通大学,2010.路基工程 58 Subgrade Engineering2023 年第 4 期（总第 229 期）WANG G A.Research on diatomite modified asphalt in permafrostregionsD.Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2010.4 刘航.基于声发射的硅藻土改性透水沥青混合料力学及低温性能研究 D.长春:吉林大学,2022.LIU H.Mechanical and low temperature properties of diatomite modifiedpermeable asphalt mixture based on acoustic emissionD.Changchun:Jilin University,2022.5 王叶丹,刘勇,陶敬林.硅藻土改性沥青胶浆力学性能及老化机理研究 J.公路工程,2023,48(1):123 129.DOI:10.19782/ki.1674-0610.2023.01.019.WANG Y D,LIU Y,TAO J L.Research on mechanical properties andaging mechanism of diatomite-modified asphalt binderJ.HighwayEngineering,2023,48(1):123 129.DOI:10.19782/ki.1674-0610.2023.01.019.6 赵庆权.硅藻土与橡胶粉复合改性沥青混合料路用性能研究 J.公路工程,2014,39(6):76 81.DOI:10.3969/j.issn.1674-0610.2014.06.018.ZHAO Q Q.Pavement performance of diatomite and rubber powdercomposite modified asphalt mixtureJ.Highway Engineering,2014,39(6):76 81.DOI:10.3969/j.issn.1674-0610.2014.06.018.7 中华人民共和国交通部.公路沥青路面施工技术规范:JTG F402004S.北京:人民交通出版社,2005.Ministry of Transport of the Peoples Republic of China.Technical speci-fication for construction of highway asphalt pavements:JTG F402004S.Beijing:China Communications Press,2005.8 中华人民共和国交通运输部.公路工程沥青及沥青混合料试验规程:JTJ E202011S.北京:人民交通出版社,2011.Ministry of Transport of the Peoples Republic of China.Standard testmethods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering:JTJE202011S.Beijing:China Communications Press,2011.9 赵磊.沥青混合料疲劳性能研究 D.重庆:重庆交通大学,2009.ZHAO L.Research on fatigue performance of asphalt mixtureD.Chongqing:Chongqing Jiaotong University,2009.10 李闯.不同影响因素下沥青混合料疲劳性能试验研究 D.大连:大连理工大学,2009.LI C.The experimental study of asphalt mixture fatigue property underdifferent impact factorD.Dalian:Dalian University of Technology,2009.11 王骁.纳米蒙脱土改性沥青及其混合料的流变特性研究 D.武汉:武汉理工大学,2010.WANG X.Research on the rheological characteristics of nanomontmorillonite modified bitumen and its mixturesD.Wuhan:WuhanUniversity of Technology,2010.12 李廉.废旧轮胎胶粉改性沥青混合料低温与疲劳性能研究 D.西安:长安大学,2012.LI L.Study on low temperature and fatigue performance of waste tirerubber modified asphalt mixtureD.Xian:Changan 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modified asphalt mixtures were prepared.Indirecttensile fatigue tests were conducted on various types of diatomite composite SBR modified asphalt mixtures,andthe fatigue equations of different types of asphalt mixtures at different temperatures were obtained.The researchshows that the type of mixture,test temperature,diatomite and SBR all have an impact on the fatigue-life ofasphalt mixture.Under the same temperature and mixture type conditions,the fatigue-life of discontinuousgradation is higher than that of continuous gradation.Under the same gradation and asphalt mixture conditions,the fatigue-life at 5 is higher than the fatigue-life at 25.Under the same temperature and grading conditions,both diatomite and SBR can improve the fatigue-life of the matrix asphalt mixture,manifested by an increase inthe K value of the fatigue equation and a decrease in the n value,and the influence of diatomite on the coefficientof the fatigue equation is greater than that of SBR,that is,the improvement of the fatigue-life of the diatomitecomposite SBR modified asphalt mixture mainly depends on diatomite.Keywords:highway engineering；diatomite；SBR；fatigue performance；indirect tensile test于春辉：硅藻土复配 SBR 改性沥青混合料的疲劳性能试验研究 59