多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)（MSCR）測(cè)定橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青性能

郭懷存

（1甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030；2甘肅暢隴公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730203）

甘肅省自然區(qū)劃主要包含隴東、隴中黃土高原地區(qū)、河西戈壁沙漠地區(qū)、祁連山高寒陰濕地區(qū)及隴南多雨地區(qū)三個(gè)大區(qū)，全省年太陽(yáng)輻射值大約在4800～6400mL/m2左右，全年最高溫為42.8℃、最低溫為-29.3℃，溫差可達(dá)72.1℃。境內(nèi)地形復(fù)雜，山脈縱橫交錯(cuò)，海拔相差懸殊，高山、盆地、平川、沙漠和戈壁等兼而有之，是山地型高原地貌；從東南到西北包括了北亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)到高寒區(qū)、干旱區(qū)等各種氣候類型，是典型的復(fù)雜地質(zhì)氣候條件區(qū)域。

復(fù)雜地質(zhì)氣候條件下公路建設(shè)中更加要注重材料的選取，瀝青作為公路建設(shè)中不可缺少的原材料對(duì)公路的質(zhì)量有著舉足輕重的作用，不同的區(qū)域及氣候條件下應(yīng)該選擇不同的瀝青，不能采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的PG方法對(duì)改性瀝青的評(píng)價(jià)有著天然的缺陷，即假定交通量一定，在交通量或者行車(chē)速度變化時(shí)采用越級(jí)方式去選取瀝青，具有一定的不合理性。多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)（MSCR-Multiple Stress Creep and Recovery）是一種改性瀝青的測(cè)試試驗(yàn)方法（ASTM D7405-08），是在不同應(yīng)力條件下測(cè)試改性瀝青的粘彈特性，并將粘性變形從瀝青材料中分離出來(lái)，以此來(lái)區(qū)分改性瀝青的質(zhì)量[1]。瀝青作為粘彈性材料，在剪切蠕變荷載作用下，產(chǎn)生的變形包括瞬時(shí)彈性變形、延遲彈性變形以及粘性變形，其中粘性變形作為不可恢復(fù)變形，其變形值與所施加的剪切應(yīng)力的比值稱為不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縖2]。美國(guó)瀝青研究所環(huán)道試驗(yàn)結(jié)果表明，此值與車(chē)轍深度的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.75[3]。因此，利用MSCR試驗(yàn)進(jìn)行改性瀝青的研究具有重要的意義。

1 原材料、儀器與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本文采用的基質(zhì)瀝青為中海油90#瀝青，SBS改性瀝青改性劑為燕山石化1301，進(jìn)行SBS改性瀝青室內(nèi)合成，其技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表1、表2所示。

表1 中海油90#瀝青

表2 燕山石化SBS改性劑1301

廢輪胎橡膠粉：40目，泰安銘穎復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

剪切機(jī)：上海威宇BME100L剪切乳化機(jī)。

瀝青剪切流變儀（DSR）：美國(guó)TA公司AR1500型高級(jí)流變儀。

1.3 試驗(yàn)方法

多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)（MSCR）：在0.1kPa和3.2kPa剪切應(yīng)力下分別進(jìn)行10次蠕變恢復(fù)試驗(yàn)，蠕變1s，恢復(fù)9s，試驗(yàn)溫度為64℃，然后根據(jù)采集的應(yīng)變計(jì)算不同應(yīng)力下的Jnr以及Jnr隨應(yīng)力的變化率Jnr-diff[4,5]。其計(jì)算方法如下：

其中：ε0—初始變形；εr—經(jīng)過(guò)9s回復(fù)后剩余變形；δ—剪切應(yīng)力；

Jnr—不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?；Jnr?diff—不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S應(yīng)力變化率；

重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)：在0.1kPa剪切應(yīng)力下進(jìn)行蠕變1s，恢復(fù)9s的蠕變恢復(fù)試驗(yàn)，重復(fù)進(jìn)行100次，采集最終的累計(jì)應(yīng)變。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 多應(yīng)力蠕變?cè)囼?yàn)

圖1、圖2、圖3分別是普通SBS改性瀝青、廢橡膠粉（CR-crumb rubber）改性瀝青以及橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青三種瀝青的MSCR試驗(yàn)結(jié)果。其中橫坐標(biāo)是該實(shí)驗(yàn)的全局時(shí)間，縱坐標(biāo)是改性瀝青發(fā)生的應(yīng)變。

圖1 SBS改性瀝青

圖2 橡膠改性瀝青

圖3 橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青

圖4、圖5、圖6分別是三種改性瀝青不同MSCR試驗(yàn)結(jié)果分析。

圖4 不同SBS摻量的SBS改性瀝青

圖5 不同CR摻量的橡膠改性瀝青

圖6 不同SBS摻量的復(fù)合改性瀝青

由圖4、圖5、圖6可以看到，對(duì)于這三種瀝青，3.2kPa下的Jnr均大于0.1kPa下的Jnr，說(shuō)明Jnr對(duì)剪切應(yīng)力具有依賴性，且隨剪切應(yīng)力增加而增加，即：剪切應(yīng)力影響瀝青的抵抗高溫變形能力。這為選擇重載或長(zhǎng)陡坡路段地區(qū)的改性瀝青提供了有力的依據(jù)與解釋。

隨著改性劑摻量的增加，兩種應(yīng)力水平下的Jnr都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，說(shuō)明其粘性變形會(huì)隨著改性劑的增加而減少，也即改性劑摻量越高，其具有更好的抗高溫變形能力。其中復(fù)合改性瀝青其兩種應(yīng)力下的Jnr均要比單組份改性瀝青小約一個(gè)數(shù)量級(jí)（圖6），表明復(fù)合改性瀝青具有更好的抗高溫變形能力。但是，對(duì)于普通的SBS改性瀝青以及橡膠改性瀝青，其Jnr隨應(yīng)力的變化率Jnr-diff值隨改性劑摻量增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說(shuō)明雖然改性劑摻量越高，其具有更好的抗高溫變形能力，但是其粘性變形對(duì)剪切應(yīng)力的依賴也越重。而橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，表明其粘性變形對(duì)剪切應(yīng)力的依賴程度較低。

2.2 重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)

圖7 不同改性瀝青重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果

通過(guò)圖7所示重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果可以看到，SBS改性瀝青、橡膠瀝青、橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青100次蠕變恢復(fù)試驗(yàn)累計(jì)變形分別為157.5%、764.9%、7.8%，與單組份改性瀝青相比，橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青具有更加優(yōu)異的高溫抗變形能力。

ASTM D7405-08雖然形成了MSCR試驗(yàn)規(guī)范，但是目前瀝青結(jié)合料規(guī)范中還沒(méi)有引用到該試驗(yàn)結(jié)果，而美國(guó)瀝青研究所（AI）則是給出一個(gè)建議值，即把PG64的改性瀝青根據(jù)荷載量大小分為四個(gè)等級(jí)[3]（表3），結(jié)合圖8所示，SBS改性瀝青、橡膠瀝青和橡膠/SBS復(fù)合改性瀝青三種瀝青的Jnr-diff值均低于0.75，為合格的PG64改性瀝青，但是Jnr(3.2kPa)的數(shù)據(jù)結(jié)果三者分別為1.43KPa、1.52KPa和0.05Pa，表明雖然提高SBS改性劑摻量也可以適用于重載交通或長(zhǎng)陡坡路段，但是過(guò)高摻量會(huì)帶來(lái)生產(chǎn)以及施工等多方面的不便以及不可控性，導(dǎo)致路面質(zhì)量的降低。而如果采用橡膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青，由于其較低的高溫高應(yīng)力下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，?huì)更加適合于高溫重載路段。而MSCR試驗(yàn)也為區(qū)分改性瀝青的這一性能提供了重要方法和依據(jù)。

表3 PG64改性瀝青建議標(biāo)準(zhǔn)

圖8 不同改性瀝青重復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)（MSCR）發(fā)現(xiàn)，相比較于SBS改性瀝青和橡膠粉改性瀝青，橡膠-SBS復(fù)合改性瀝青具有更低的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐礘nr，并且其隨應(yīng)力的變化率Jnr-diff不會(huì)隨著改性劑摻量的增加而增加，說(shuō)明橡膠、SBS復(fù)合改性瀝青具有更好的高溫抗變形能力以及對(duì)剪切應(yīng)力較低的依賴程度，適用于甘肅省復(fù)雜地質(zhì)氣候條件如高溫重載或長(zhǎng)陡坡路面修建；MSCR試驗(yàn)也為此類地質(zhì)氣候條件下改性瀝青的選擇提供合理的依據(jù)。

[1]ASTM D7405-08.Standard Test Method for Multiple Stress Creep and Recovery(MSCR)of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer[S].

[2]丁海波,徐大衛(wèi).多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)的流變分析[J].公路交通科技,2014,(12):20-24+30.

[3]John D’Angelo.Guidance on the Use of the MSCR Test with the M320 Specification[R]Asphalt Institute Technical Advisory Committee.KENTUCKY:2010

[4]蔡莉莉.利用多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)(MSCR)方法評(píng)價(jià)改性瀝青膠結(jié)料高溫性能[J].石油瀝青,2013,(06):21-24.

[5]陳林,王樹(shù)杰.瀝青膠漿的MSCR試驗(yàn)研究[J].石油瀝青,2016,(05):49-52.