橡胶沥青:性能测试和路面设计问题外文翻译资料

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橡胶沥青:性能测试和路面设计问题

摘要：橡胶沥青混合物继续得到来自世界各国许多交通机构的重视,因为它们能够比传统设计提高路面性能。许多研究报道橡胶沥青混合物以其独特的属性和特点可以改进道路的永久变形和疲劳开裂。在美国和世界各地的国家有几个州已经在使用橡胶沥青混合物的新路面设计和修复程序,或者正在使用中。本文从几个研究领域—亚利桑那州大学的研究：粘结剂和混合物性能，来总结调查。优秀的工程师讨论了橡胶沥青混合物的性质,并建议如何在当前路面设计程序中使用它们。

关键字：橡胶沥青 实验室路面设计性能测试

1：介绍

毫无疑问,使用橡胶沥青(AR)混合物可以出色地提高路面性能。许多研究报道了其独特的属性和特点，基于AR技术的混合物可以改善环境效益，生命周期成本和路面性能[1-9]。在美国和世界各地的国家有几个州已经在使用橡胶沥青混合物的新路面设计和修复程序,或者正在使用中。以力学-经验型为模型的路面设计指南(名称演变:MEPDG,DARWIN-ME,PAVEMENTME)被国家公路合作研究项目(砂浆)利用路面结构材料特性来预测祸患而得到了发展[10]。这种路面设计指南(称为“设计指南”以后)被全球国家以一种复杂的方法校准和验证了。这种设计指南越来越流行,很快逐渐主要用于美国和世界各地的一些运输机构。但是国家设计指南校准过程不包括橡胶沥青混合物。事实上,使用当前状态的设计指南将提供假的预测的橡胶沥青混合物的性能。很有可能有的机构没有足够的知识和适当的工具，这将推迟使用橡胶沥青混合物在路面设计和改造的实践。

在过去的十年中,亚利桑那州大学开发了一个全面的橡胶沥青混合物材料性能数据库。该数据库包括粘结剂和混合材料的鉴定。传统的一致性粘结剂，包括:渗透,环球法测的软化点,和在选定的温度范围的旋转粘度。近年来,另外一对测试包括动态剪切和弯曲梁流变仪,主要描述的是混合测试。还有那些最相关的设计指导也得到实现，其中这些包括有:动态刚度（复杂)的模量评价,弯曲梁疲劳裂纹试验评价,重复载荷永久变形评估、热裂解和间接拉伸测试评估。此外,最近还有其他先进的亚尔表征测试，包括用连续损伤理论来评估疲劳和使用断口试验的方法来评定裂纹扩展。

这几年一直使用数据库和经验来发展橡胶沥青混合物,不同的研究已经建立去评估橡胶沥青混合物与传统混合物和思考需要做什么可以使橡胶沥青混合设计[11,12]。值得注意的是混合物数据库包括来自亚利桑那州,加利福尼亚,德克萨斯州,加拿大和瑞典各个地方。这些研究表明因为橡胶沥青混合物的独特特点,很难与传统混合物归在一类。

新模型的开发和校准或将面临着更换现有的模型和正确预测橡胶沥青混合物性能的难题。其中过程包括推导出等效PG级的橡胶改性粘结剂、动态模量的修正预测模型,修正后的热裂解预测模型,为分析疲劳裂纹特定系数的模型。这些新模型将在现有的设计指南程序没有直接的联系,而是间接的一些开发，比如允许其他模型的输入,国家可以将其作为一个独立的工具发展,模拟当前设计指导计划和分析过程。

2：材料中的输入和实现设计指南

在设计指南中,基本上有三个输入步骤，为沥青混凝土层:混合物,沥青水泥(粘结剂或沥青),和一个普通沥青类别。在这些领域所需的信息会根据分析使用程度水平的不同来分类,如下简要描述：

1级:实验室测试数据需要开发动态模量主曲线和转变因素。动态模量试验结果(AASHTO TP62-07)在不同的温度和频率必须输入。在短期内绑定数据也是必需的。这也可以用于Superpave或传统粘结剂的一致性测试。在Superpave粘结剂的测试数据中,复杂的模量和相位角的数据需要在一系列的温度和1.59赫兹的加载速率。传统粘结剂测试数据：软化点,渗透,粘度需要作为输入。这些测试结果用于确定粘结剂的粘温磁化率参数(Ai-VTSi)[13]。所需沥青混合料体积属性的信息的级别在2和3。
2级:Witczak动态模量预测方程所示，相同的绑定测试数据需要1级的分析。

3级:动态模量预测方程还用于估计3级的动态模量。绑定信息不需要实验室测试数据。在旋转薄膜烘箱(RTFO)测试后，粘结剂粘度信息从典型的温度粘度关系中估计，然后在各种评分系统中建立不同沥青的等级。

3 ：粘结剂的特点

表1显示了典型的有无橡胶的沥青的粘温磁化率参数的汇总(Ai-VTSi)。这些结果包括原始和RTFO后老龄化水平。可以看出有橡胶的沥青提高了性能等级，特别是在高温(低VTSi值)。

表1：

通过使用橡胶沥青作为粘结剂,膜厚度增加到19-36lm，相比与典型的密级配热拌沥青，橡胶沥青膜厚度多约9lm。在亚利桑那州,作为橡胶沥青基础的沥青结合料的等级是PG58-22(AC-10,Pen85 - 100年),这与通常在山区使用硬PG级64 - 16(AC-20,Pen60 - 70)形成鲜明对比。在沙漠中橡胶沥青基础等级是PG 64 - 16(AC-20，Pen60 - 70),相比与PG 70 - 10(AC-40，Pen40 - 50),橡胶沥青通常用于密级配混合。20%的轮胎屑橡胶粒子改变了沥青的温度敏感性,在高温和低温条件，橡胶沥青的VTSi数据(平,低斜率)要好于传统的粘结剂。在较低温度条件下,橡胶沥青比传统粘合剂柔软。粘结剂在高温下的高粘度和在较低温度的低粘度具有象征意义和良好的整体性能特征。这些特征也符合观察的结果,橡胶沥青的混合对永久变形和低温开裂有更好的反应。表1中的结果被用来类似PG分级来分级橡胶沥青的依据,因为PG分级中没有包含橡胶沥青分级,这个方案找到了PG分级,Ai和VTSi值的联系。这个近似匹配是显示在表2。

表2：

4：动态模量特性

动态模量测试程序遵循AASHTO TP 62 - 07,这基本上是一个无侧限的实验室测试。然而,在过去的几年中亚利桑那州立大学为橡胶沥青混合建立了非承压和承压应力状态的条件，动态模量E测试对开级配和间断级配混合尤为重要,因为它代表了真正的应力状态(上层高约束应力下加载)。约束的影响显然是图1所示,在典型的主曲线间断级配混合(ARAC)提出了非承压和三个级别的极限:69，138和207kPa，在持续高温下，承压试验结果产生更高的模量和更大的差异。

图1：

先前的研究提供了一个修正的动态模量预测方程，专门适用于橡胶沥青混合物[12]。橡胶沥青的动态模量预测方程包括无侧限和密闭的考虑。相同的变量和形式的预测方程用于这项工作。表3显示了提高修改后的预测方程的新参数的模型精度的措施。

表3：

5：疲劳裂纹

使用的疲劳模型设计指南见以下方程:

疲劳评估的测试项目包括一个完整的组合：三个温度测试水平4.4,21.1,37.8 LC(40、70、100 LF)，通常为每个测试温度加一个负载模式(控制应变)：使用六个或更多的应变水平。执行的测试是根据AASHTO TP8,和SHRP m - 009程序。初始抗弯刚度以50负载循环。疲劳寿命或破坏的定义是在控制应变下对应的数量减少50%的初始刚度。每个温度回归方程用图2所示的关系。它可以观察到与更高的粘结剂混合的内容,如开级配混合(ARFC)与传统混合间断级配(ARAC)组合相比有较高的疲劳寿命。当比较ARAC和常规组合也是如此。这些趋势表明,橡胶混合与传统的混合相比有更好的疲劳寿命。

表4显示了橡胶沥青技术混合使用的设计指南的回归系数k1、k2、k3。表5总结了疲劳分析结果，进行室外研究使用下列情形:

图2：

表4： 表5：

基于室外的调查,7年之后疲劳损失大约是7%。在约束模量下更好地帮助预测疲劳裂纹。此外,使用具体ARAC系数也有助于预测更现实的疲劳开裂百分比,或者至少更接近真实值。

6：热裂解

路面设计指南中现有热裂解模型已被证明可以充分预测低温度的沥青混凝土混合物，然而,来自亚利桑那大学的研究表明,从几个橡胶沥青混合物模型的预测结果中看出热裂解模型不能观察出其内的阻力[14-17]。

现有热裂解模型利用间接拉伸蠕变特性和强度测试,即蠕变柔量的斜率(m),和拉伸强度10 LC(St)来得出结果。公认的解释是沥青混合料抗拉强度越高，材料的热断裂阻力就越高。问题是实验室结果表明橡胶沥青混合物与传统的混合相比有较低的抗拉强度,因为测试是在实验室环境中运行。然而,在亚利桑那州这些橡胶沥青混合物表现在抵抗热裂解的领域被证明是优于传统混合物的[18,19]。尽管该领域证明了间断级配橡胶沥青混合物有更高的热裂解阻力，但是在现行的设计指南中，裂纹是长于传统混合，特别是在前三年之后，是传统混合的两倍长[16]。

实验室测试结果表明,传统的沥青混凝土混合物有相当高的抗拉强度。同时,橡胶沥青混合物总断裂能量高于传统的混合物的2倍。这些观察结果和趋势被许多项目和结果试验证实，总断裂能量是一个潜在的比抗拉强度判断热断裂阻力更好的指标,如图3所示，该参数也可以测量在同一IDT抗拉强度测试。

图4给出了比较几个橡胶沥青和传统的混合物在-15 LC温度达到顶峰的能量。

巴黎规定的裂纹扩展是用来预测当地的裂纹深度受到冷却循环的变化。

在ASU研究工作中,一个新的方程用来计算巴黎规定的“A”参数,是基于原始Schapery的一般“A”参数方程的粘弹性材料[15]。裂纹深度断裂模型的这个新特性被认为是一个巨大的进步。新的“A”参数计算根据以下方程:

23种混合物,传统和橡胶沥青结合四个气候进行初步的校验和检查新的热裂解模型的合理性[15,20]。传统混合物的分析表明，改进的新模型预测热裂解得到更加理性的结果，预测裂缝如预期逐渐增加,,相对刚度在逐渐升高的温度逐渐增加。结果还显示橡胶沥青混合物在使用的新模式下的低开裂。

图3：

图4：

7：基于连续损伤的方法

连续损伤理论(CDT)已经被许多研究者用来研究传统沥青混合料的疲劳性能,是基于Schapery的本构理论的粘弹性材料模型(研讨会)受到损害[21-23]。它使用弹性粘弹性对应原理,以及工作潜在的理论和损伤演化规律。理论有助于对疲劳现象的理解。在亚利桑那州大学的一个研究显示CDT传统弯曲疲劳测试适用于橡胶沥青混合物[24]。特性曲线为JR7常规和橡胶沥青混合物(间断级配JR3,开级配JR4)图5中所示。可以看出,橡胶沥青混合物的特性曲线低于传统的混合物,解释这些结果的方法是比较相同的累积损伤(D)伪刚度换算系数,它可以观察到,间断级配橡胶沥青混合物(JR3)比传统混合物积累较少损伤。开级配(JR4)混合物和传统的混合物在累积损失差距比也是同样的结论,相同的刚度降低,预期的结果显示在图2中,表明橡胶沥青混合物比传统的有较高的疲劳寿命。

粘弹性连续损伤的方法还利用单轴疲劳试验进行潜在的疲劳性能的比较,比如改性聚合物和改性橡胶间断级配混合[25]。损伤特征(C-S)曲线建立了三种混合物图6所示,看到了有利于降低橡胶沥青混合物的损伤特性曲线。

图5： 图6：

8：断口测试

在断裂力中,J积分和C参数之间的关系可以测量实验。J是一个能源率或权力积分。Stempihar开发的C语言进行了全面研究沥青混合料的断口试验[26]。三个标本约压实38毫米厚，用一个直角楔切成标本,以适应装运设备如图7所示。一系列的测试可以进行温度和加载速率。在这个ASU研究中,实验测试包括收集加载数据，裂纹长度和恒定时间变形率，如图6所示。获得的结果进行了分析和C是绘制图8的裂纹扩展率的参数。

在图8,观察到的橡胶混合斜率值是传统混合的近6倍,而且几乎是聚合物混合的2倍。换句话说,改性橡胶混合从低裂纹扩展速率增大到一个较高的速度所需的能量差异远远高于其他两个混合。从裂纹扩展的低速率可以看出，橡胶沥青与传统沥青完全不同。尽管聚合物混合不容易开裂,但一旦初始裂纹开始,裂纹的增长程度更迅速于其他两个混合。

图7： 图8：

9：流值和车辙

在最近的一次ASU研究中,车辙的设计标准为间断级配橡胶沥青混合物(ARAC)[27,28]。前面提供的校准在动态模量方程中被用来生成ARAC混合物。路面设计指南中数据输入是用1级分析。

相同ARAC混合物的流值数量通常使用由Rodezno et al预测的方程生成的[29]，其中两个气候地区,三个空隙率和四个不同的总层次水平被用于分析。粘结剂类型和温度是根据位置气候条件选择的，比如菲尼克斯(温暖)和亚利桑那州（冷)。用于菲尼克斯的典型的粘结剂对应的是PG64 -16AR而亚利桑那州的是PG 58-22AR。从位于菲尼克斯和亚利桑那州的部分路面得到了ARAC车辙值。每个路面的基本结构由一个2.5英寸ARAC层,10英寸基层，其中弹性模量40000 psi,和地基弹性模量20000 psi。因为在亚利桑那州使用的是典型设计值所以只使用一个ARAC层厚度。三个交通水平(2，10和30 106 ESALs),是与ARAC分级和三个空气空隙率水平有关，这给了共18个ARAC车辙预测因素。(2位置3含气率1级配3交通水平1厚度)。

在一个2.5英寸ARAC层和三个交通水平中,流值和车辙之间的关系可以找出，显示在图9，数据生成的是非线性回归图形，这种关系有很好的统计模型拟合度,如下:

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