橡膠瀝青低溫評價(jià)指標(biāo)

譚憶秋， 符永康， 紀(jì)　倫， 張　磊

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院, 150090 哈爾濱)

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橡膠瀝青低溫評價(jià)指標(biāo)

譚憶秋， 符永康， 紀(jì)倫， 張磊

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院, 150090 哈爾濱)

摘要:針對5 ℃延度指標(biāo)在評價(jià)橡膠瀝青低溫性能上的局限性，為找尋能更好評價(jià)橡膠瀝青低溫性能的評價(jià)指標(biāo)，通過BBR試驗(yàn)，對試驗(yàn)室制備的薄膜老化和壓力老化橡膠瀝青低溫評價(jià)指標(biāo)展開研究，分析基于BBR試驗(yàn)獲取的勁度模量、勁度模量變化率、PG分級溫度、低溫連續(xù)分級溫度、k指標(biāo)及綜合考慮瀝青模量和松弛能力的評價(jià)指標(biāo)SA等橡膠瀝青低溫評價(jià)指標(biāo). 試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著橡膠粉的加入，瀝青的低溫抗裂性能顯著提高，單一的S或m指標(biāo)評價(jià)橡膠瀝青低溫性能存在一定片面性，兼顧考慮瀝青模量和松弛能力的CT、k及SA指標(biāo)能更加準(zhǔn)確地反映和評價(jià)橡膠瀝青的低溫性能. 通過與橡膠瀝青混合料低溫彎曲應(yīng)變能密度指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析及綜合比選，得出結(jié)論：在工程上優(yōu)先推薦采用k、CT指標(biāo)作為橡膠瀝青低溫性能的評價(jià)指標(biāo)；進(jìn)行研究工作時(shí)優(yōu)先考慮SA指標(biāo)作為橡膠瀝青低溫性能的評價(jià)指標(biāo).

關(guān)鍵詞:彎曲梁流變試驗(yàn)；橡膠瀝青；低溫性能；評價(jià)指標(biāo)；相關(guān)性分析

橡膠瀝青作為一種道路新材料具有優(yōu)良的性能，在寒冷的北方地區(qū)應(yīng)用得越來越廣泛. 但作為新材料，并沒有較好的低溫性能評價(jià)方法和評價(jià)指標(biāo)，低溫評價(jià)體系也不夠完善，使橡膠瀝青在寒冷地區(qū)的應(yīng)用受到了很大的限制[1]. 現(xiàn)階段我國規(guī)范仍采用5 ℃延度指標(biāo)評價(jià)橡膠瀝青的低溫性能. 但相關(guān)研究[2]表明5 ℃延度指標(biāo)并不能很好地表征橡膠瀝青在低溫下的延展性能，同時(shí)作為改性瀝青的低溫評價(jià)指標(biāo)還需進(jìn)一步研究和完善. 基于現(xiàn)行我國橡膠瀝青低溫評價(jià)指標(biāo)上存在的局限性，對橡膠瀝青低溫評價(jià)指標(biāo)展開研究有重要意義. 目前對橡膠瀝青低溫性能研究可以在基質(zhì)瀝青低溫性能研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展和創(chuàng)新. 而在基質(zhì)瀝青低溫性能研究方面，美國SHRP在此方面作出了卓越的貢獻(xiàn)，特別是基于流變學(xué)的彎曲梁流變試驗(yàn)(BBR)目前已經(jīng)成為研究瀝青材料低溫性能最常用、最實(shí)用和最有效的手段和方法之一. 當(dāng)前越來越多的研究者已經(jīng)開始采用BBR試驗(yàn)對聚合物改性瀝青的低溫性能及低溫評價(jià)指標(biāo)展開研究，取得了許多成果[2-4]. 但當(dāng)前對于BBR試驗(yàn)的研究主要停留在單一的考慮模量或松弛能力指標(biāo)上，綜合考慮模量和松弛能力指標(biāo)的研究相對較少. 而橡膠瀝青性能復(fù)雜，其低溫性能的優(yōu)劣同時(shí)受低溫時(shí)的變形能力和應(yīng)力松弛能力等因素影響，單一考慮S或m評價(jià)其低溫抗裂性是片面的[4-5]. 本文基于流變學(xué)的BBR試驗(yàn)，綜合考慮模量和應(yīng)力松弛能力，對橡膠瀝青的低溫評價(jià)指標(biāo)展開進(jìn)一步研究，以便更準(zhǔn)確地評價(jià)橡膠瀝青的低溫性能，為更好地研究橡膠瀝青低溫性能及合理使用橡膠瀝青提供一定的借鑒.

1試驗(yàn)材料及方法

制備不同基質(zhì)瀝青、不同膠粉細(xì)度下的橡膠瀝青. 合理選擇橡膠瀝青的制備原材料，包括70#、90#、110# 3種基質(zhì)瀝青，其三大指標(biāo)見表1. 采用遼寧某場生產(chǎn)的細(xì)度為28、40、60目膠粉，摻量定為20%，內(nèi)摻方式. 橡膠瀝青現(xiàn)拌現(xiàn)用，在制備過程中不添加穩(wěn)定劑.

表1　基質(zhì)瀝青三大指標(biāo)

采用濕法制備橡膠瀝青，拌合溫度(185±5)℃、攪拌時(shí)間控制在(60±5)min、剪切速率定為5 000 r/min. 在此制備工藝上制備得到的橡膠瀝青有著良好的高低溫性能[1,6-8].

為了便于后續(xù)研究，每種橡膠瀝青用代號表示，例如由70#瀝青加入28目膠粉改性得到的瀝青代號記為70-28，經(jīng)過薄膜老化和壓力老化后瀝青代號分別記為T-70-28和P-70-28，其他8種橡膠瀝青的代號依此類推.

本次BBR試驗(yàn)采用的是Cannon公司生產(chǎn)的彎曲梁流變儀. 按照美國SHRP規(guī)范要求，分別采用薄膜老化瀝青和壓力老化瀝青試樣進(jìn)行BBR試驗(yàn)，每種試樣分別在-12、-18、-24、-30 ℃ 4個(gè)溫度條件下進(jìn)行測試，每個(gè)工況取兩個(gè)平行試件.

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1勁度模量及勁度模量變化率指標(biāo)分析

按照ASTM D 6648[9]的要求對各組工況進(jìn)行BBR試驗(yàn). 測得不同測試溫度下的勁度模量和勁度模量變化率，分別以S、m表示. S表征瀝青在低溫條件下的變形能力，相同測試溫度條件下，S越小，瀝青低溫變形能力越好；而m表征瀝青在低溫條件下的應(yīng)力松弛能力，m越大說明瀝青材料的應(yīng)力松弛能力越好. 各測試溫度下60s的S、m結(jié)果匯總見圖1. 由圖1可知，對任意老化瀝青，膠粉加入顯著改善了瀝青的低溫性能. 基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青低溫性能差別在-18 ℃條件下體現(xiàn)十分明顯，此時(shí)基質(zhì)瀝青S、m均不滿足SHRP推薦要求，而橡膠瀝青的S、m均滿足SHRP推薦要求. 而在-12 ℃條件下這種差別體現(xiàn)得不明顯，此時(shí)橡膠瀝青和基質(zhì)瀝青的S、m均滿足SHRP規(guī)范推薦要求，且不同橡膠瀝青間的S、m變化也不顯著. 而測試溫度為-24、-30 ℃時(shí)，瀝青鏈段在較低溫度下運(yùn)動(dòng)被凍結(jié)，瀝青硬化，S、m遠(yuǎn)超過規(guī)范推薦值. 故此時(shí)采用-18 ℃下BBR試驗(yàn)研究橡膠瀝青的低溫性能顯得更加合理、有意義.

但是相關(guān)研究表明，單一地采用某個(gè)測試溫度下的S、m評價(jià)瀝青的低溫性能會存在局限性. 瀝青良好的低溫性能需同時(shí)兼顧良好的低溫變形能力和低溫應(yīng)力松弛能力. 所以建立一個(gè)綜合考慮勁度模量和勁度模量變化率的指標(biāo)十分重要[4-13].

2.2PG分級溫度和低溫連續(xù)分級溫度結(jié)果分析

低溫PG分級溫度是指在瀝青處在最低路面設(shè)計(jì)溫度時(shí)，能保證在最低路面設(shè)計(jì)溫度時(shí)不致開裂的一個(gè)分級溫度等級. 根據(jù)ASTM D 6816[10]關(guān)于瀝青PG分級溫度的定義，由圖1可知，基質(zhì)瀝青的PG分級溫度均為PG-22，而對應(yīng)橡膠瀝青的低溫PG溫度均為PG-28. 此時(shí)，采用PG分級溫度只能單純地區(qū)分基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青低溫性能差別，不能有效區(qū)分橡膠瀝青間的低溫性能差別. 這主要是因?yàn)镻G分級溫度的一個(gè)溫度等級跨度大，導(dǎo)致具有相同PG分級溫度的瀝青，性能存在較大差別. 所以PG分級溫度不能有效區(qū)分橡膠瀝青的低溫性能. 故此時(shí)可以考慮低溫連續(xù)分級溫度(continuous grade temperature簡稱CT).

基于BBR試驗(yàn)獲得的勁度模量和勁度模量變化率的基礎(chǔ)上，美國SHRP提出了連續(xù)分級溫度指標(biāo). 低溫連續(xù)分級溫度反應(yīng)的是瀝青材料滿足使用要求時(shí)的一個(gè)臨界溫度，該溫度越低，表明瀝青材料低溫開裂的可能性也隨之減小. 根據(jù)ASTM D 7643-10[11]關(guān)于CT的定義，得到壓力老化瀝青試樣的CT結(jié)果如圖2所示. 此時(shí)相比PG分級溫度，不同橡膠瀝青有著不一樣的CT，且110系列橡膠瀝青相對有著較低的CT值. 且由CT定義可知，該指標(biāo)在一定程度上同時(shí)考慮了瀝青材料的S、m，較評價(jià)橡膠瀝青低溫性能較單一的S或m更加全面.

(a)不同薄膜老化瀝青的S值

(c)不同薄膜老化瀝青的m值

(b)不同真空壓力老化瀝青的S值

(d)不同真空壓力老化瀝青的m值

圖2　不同壓力老化瀝青CT指標(biāo)

2.3k指標(biāo)的建立與結(jié)果分析

為進(jìn)一步建立同時(shí)考慮橡膠瀝青低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力的指標(biāo)，構(gòu)建指標(biāo). 根據(jù)S、m的物理意義，希望瀝青在較低溫度下有較小的S, 同時(shí)有較大的m值. 所以指標(biāo)k越小，對應(yīng)有著更好的低溫變形能力和松弛性能. 此時(shí)選取-18 ℃下的測試結(jié)果求得不同老化程度瀝青的k值，結(jié)果見圖3.

圖3　不同老化瀝青k值

考慮SHRP規(guī)定的S推薦上限值300 MPa，m不小于0.3，此時(shí)k值定為上限. 基質(zhì)瀝青的k值在測試溫度為-18 ℃均大于3.0，而橡膠瀝青此時(shí)的k值基本上小于3.0，而且不同橡膠瀝青的k值有較為明顯的差別，28目膠粉改性得到的橡膠瀝青k值相對較大，低溫性能相對較差，與連續(xù)分級溫度指標(biāo)有著類似的結(jié)果. k指標(biāo)同時(shí)兼顧了瀝青材料在低溫條件下變形能力和應(yīng)力松弛能力.

2.4SA指標(biāo)建立及結(jié)果分析

由于用不同溫度的S、m指標(biāo)評價(jià)橡膠瀝青低溫性能存在一定的差異和局限性，需要找到一個(gè)能夠同時(shí)兼顧較寬溫度域上S、m的指標(biāo). 因此利用時(shí)溫等效原理，采用流變模型對勁度模量進(jìn)行擬合，在更寬時(shí)間域和溫度域上研究橡膠瀝青低溫性能. CAM流變模型是Zeng等[12]在CA模型基礎(chǔ)上改進(jìn)的，可以更好地描述瀝青及瀝青混合料流變性能的模型，該模型相比其他模型有著良好的優(yōu)越性. 故此時(shí)采用CAM流變模型對各測試溫度下瀝青勁度模量曲線進(jìn)行擬合. 為了對比前文選定-18 ℃下BBR試驗(yàn)，故此時(shí)曲線擬合過程中，以-18 ℃為參考溫度將各個(gè)溫度下瀝青的勁度模量曲線通過位移因子向-18 ℃平移，分別得到各個(gè)瀝青-18 ℃條件下的勁度模量主曲線. 為了更清楚展示各瀝青勁度模量主曲線，采用擬合后的曲線代替原曲線.

由于勁度模量主曲線能夠在較寬的溫度域上展現(xiàn)出瀝青的流變性能，而且它不僅能夠反應(yīng)各個(gè)時(shí)刻瀝青材料的勁度模量，也能夠根據(jù)曲線的陡緩表征材料的應(yīng)力松弛能力. 因此，雙對數(shù)坐標(biāo)下的勁度模量主曲線與時(shí)間軸所圍成的面積SA可以綜合考慮材料模量及松弛能力[13-14]. 以P-90-28瀝青為例，見圖4. SA即對應(yīng)曲線下的面積. 顯然SA越小，說明瀝青在溫度降低時(shí)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力小，瀝青材料的低溫性能也就越好. 采用SA指標(biāo)評價(jià)橡膠瀝青低溫性能具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：兼顧考慮材料低溫變形能力和松弛能力、反映較寬溫度域和時(shí)域條件下瀝青材料的低溫性能，評價(jià)更加全面.

圖4　SA指標(biāo)的物理意義

按照上述處理方法，得到不同老化瀝青的SA指標(biāo)，如圖5所示. 由圖可知：1)同一瀝青標(biāo)號和膠粉細(xì)度下，薄膜老化瀝青的SA均小于壓力老化瀝青的SA值. 說明老化損失瀝青的部分低溫性能；2)在同樣老化程度下，基質(zhì)瀝青的SA顯著大于對應(yīng)橡膠瀝青的SA值；3)不同橡膠瀝青SA值有差別，考慮到SA指標(biāo)物理意義明確，反映瀝青低溫性能全面，故推薦作為橡膠瀝青低溫性能的一個(gè)評價(jià)指標(biāo). 至于何種老化程度瀝青的SA指標(biāo)能更好地評價(jià)橡膠瀝青低溫性能需要后續(xù)混合料低溫指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證.

圖5　不同老化瀝青的SA指標(biāo)

2.5低溫評價(jià)指標(biāo)綜合比選

2.5.1相關(guān)性結(jié)果分析

混合料的低溫抗裂性80%由瀝青性質(zhì)決定[13]，所以混合料的低溫性能能較好反映瀝青低溫性能. 小梁彎曲試驗(yàn)獲得的彎曲應(yīng)變能密度可以較好的評價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性[13-14]. 所以本文將選用小梁彎曲試驗(yàn)作為橡膠瀝青低溫評價(jià)指標(biāo)的驗(yàn)證試驗(yàn)，采用橡膠瀝青混合料的小梁彎曲應(yīng)變能密度作為驗(yàn)證指標(biāo)，將橡膠瀝青低溫評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，并綜合考慮各指標(biāo)測試上的難度、測試精度、物理意義并和混合料低溫指標(biāo)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行比選，優(yōu)選出較合適的橡膠瀝青低溫評價(jià)指標(biāo).

選擇常用的SMA類級配中值，在設(shè)計(jì)孔隙率為4.0%的條件下確定各瀝青的最佳油石比，并進(jìn)行瀝青混合料-10 ℃下的小梁彎曲試驗(yàn)，得到各瀝青的低溫彎曲應(yīng)變能密度，結(jié)果見圖6.

圖6　各瀝青彎曲應(yīng)變能密度

同時(shí)將基于BBR試驗(yàn)的橡膠瀝青低溫評價(jià)指標(biāo)和彎曲應(yīng)變能密度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2、3所示,表2中指標(biāo)為薄膜老化瀝青式樣對應(yīng)的低溫評價(jià)指標(biāo)，表3中的指標(biāo)對應(yīng)為真空壓力老化后瀝青的低溫評價(jià)指標(biāo).

表2　薄膜老化瀝青低溫評價(jià)指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果

表3　壓力老化瀝青低溫評價(jià)指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果

綜合表2、3可知：1)壓力老化瀝青BBR試驗(yàn)得到的指標(biāo)與混合料彎曲應(yīng)變能密度的相關(guān)系數(shù)均大于采用薄膜老化瀝青試驗(yàn)得到的指標(biāo). 說明采用壓力老化瀝青進(jìn)行BBR試驗(yàn)?zāi)芨玫卦u價(jià)橡膠瀝青的低溫性能. 2)壓力老化瀝青低溫評價(jià)指標(biāo)和混合料低溫彎曲應(yīng)變能密度都有著較好的相關(guān)性. SA指標(biāo)能更好地表征和評價(jià)橡膠瀝青的低溫性能. 而-18 ℃的m及S與混合料應(yīng)變能密度相關(guān)性相對較小，評價(jià)橡膠瀝青低溫性能相對較差, 原因主要是單一考慮m或S評價(jià)橡膠瀝青低溫性能較片面、存在局限，兼顧二者評價(jià)橡膠瀝青低溫性能更加全面. 2.5.2橡膠瀝青低溫評價(jià)指標(biāo)綜合比選

通過前文分析知，涉及到的橡膠瀝青低溫性能指標(biāo)主要包括S和m指標(biāo)、CT指標(biāo)、k指標(biāo)、SA指標(biāo).

1)S和m指標(biāo). 該兩項(xiàng)指標(biāo)是SHRP彎曲梁流變試驗(yàn)中最常用的指標(biāo). 該兩項(xiàng)指標(biāo)測試快速方便，測試精度高，能很好地評價(jià)基質(zhì)瀝青的低溫性能. 但是考慮到和橡膠瀝青混合料低溫指標(biāo)相關(guān)性較低，單獨(dú)采用S或m作為橡膠瀝青低溫評價(jià)指標(biāo)并不全面.

2)CT指標(biāo). 和應(yīng)變能密度有著較高的相關(guān)性，物理意義明確，且運(yùn)用較廣，易被接受. 但需要通過線性回歸求得，精度受到影響，而且至少需要測試兩個(gè)以上溫度的BBR試驗(yàn)方可獲得指標(biāo).

3)k指標(biāo). 與混合料有著較好的相關(guān)性，測試快速方便，測試精度較高，同時(shí)兼顧了和，且能準(zhǔn)確區(qū)分基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青以及不同橡膠瀝青低溫性能差別.

4)SA指標(biāo). SA指標(biāo)與混合料彎曲應(yīng)變能密度相關(guān)性最好，物理意義十分明確. 但SA指標(biāo)需要進(jìn)行多個(gè)溫度下的BBR試驗(yàn)，需大量計(jì)算擬合，運(yùn)用模型擬合時(shí)可能會受擬合精度的影響產(chǎn)生微小誤差.

3結(jié)論

1)通過對橡膠瀝青的BBR試驗(yàn)的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)室制備的橡膠瀝青相比基質(zhì)瀝青其低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力都顯著提高，其低溫PG分級溫度由PG-22提高到PG-28，體現(xiàn)出更好的低溫性能.

2)瀝青老化損失其部分的低溫性能. 采用壓力老化瀝青進(jìn)行BBR測試能更好地評價(jià)橡膠瀝青的低溫性能. 同時(shí)采用-18 ℃下BBR試驗(yàn)研究橡膠瀝青的低溫性能更加合理、有意義.

3)考慮單一采用S、m指標(biāo)評價(jià)橡膠瀝青低溫性能存在局限性，進(jìn)而分析和構(gòu)建了CT指標(biāo)、k指標(biāo)、SA指標(biāo). 3個(gè)指標(biāo)均在一定程度上兼顧考慮橡膠瀝青低溫變性能力和應(yīng)力松弛能力，能更全面評價(jià)橡膠瀝青低溫性能.

4)通過對橡膠瀝青低溫評價(jià)指標(biāo)和混合料彎曲應(yīng)變能密度指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析及綜合比選，最終推薦：在工程上優(yōu)先采用k指標(biāo)作為橡膠瀝青低溫性能的評價(jià)指標(biāo)；而進(jìn)行研究工作時(shí)優(yōu)先考慮SA指標(biāo)作為橡膠瀝青低溫性能的評價(jià)指標(biāo).

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(編輯魏希柱)

Low-temperature evaluation index of rubber asphalt

TAN Yiqiu, FU Yongkang, JI Lun, ZHANG Lei

(1. School of Transportation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, 150090 Harbin, China)

Abstract:Aiming at the limitations of 5 ℃ ductility on evaluating the low-temperature properties, in order to find an index to evaluate the low-temperature properties of rubber asphalt more accurately, based on the bending beam rheometer test, the research on the low-temperature evaluation indexes of TFOT-aged and PAV-aged rubber asphalt which processed in the laboratory were carried out. The analysis was made on the low-temperature evaluation indexes of rubber asphalt based on the bending beam rheometer such as stiffness modulus, the rate of stiffness modulus, performance grade temperature, continuous grade temperature, k value and the SA index which take asphalt modulus and relaxation capacity into consideration. Test results showed that, with the rubber powder adding into asphalt, its low temperature crack resistance improved significantly, one-sidedness was existed to evaluate the low-temperature properties of rubber asphalt by a single S index or a single m index; indexes which take asphalt modulus and relaxation capacity into consideration including CT index and k index and SA index were better applied to evaluate the low-temperature properties of rubber asphalt. By doing correlation analysis between these low-temperature evaluation indexes of rubber asphalt with the bending strain energy density of rubber asphalt mixture and by doing comprehensive comparison, conclusions were made as follows, on the substantial projects we gave priority to recommend k value and CT index as the low-temperature evaluation indexes, while undertaking research work, we gave priority to recommend SA index as the low-temperature evaluation index of rubber asphalt.

Keywords:bending beam rheometer test; rubber asphalt; low-temperature properties; evaluation indexes; correlation analysis

中圖分類號:U414

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)03-0066-05

通信作者:譚憶秋，yiqiutan@163.com.

作者簡介:譚憶秋(1968—)，女，博士生導(dǎo)師，長江學(xué)者特聘教授.

基金項(xiàng)目:國家杰出青年科學(xué)基金(51225803).

收稿日期:2014-12-30.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.011