基于MSCR試驗的橡膠改性瀝青高溫性能

崔鷹翔，郝培文

(長安大學 道路結構與材料交通行業(yè)重點實驗室，陜西 西安 710064)

0 引 言

相關研究表明，將廢舊輪胎膠粉作為改性劑通過一定的生產(chǎn)工藝加入到瀝青中可以制備橡膠改性瀝青；將其應用于道路建設中，不僅能夠改善路面使用性能，也能夠有效地解決環(huán)境問題[1-6]。

大量室內外試驗表明，采用車轍因子評價改性瀝青的高溫性能時與其路面的抗車轍性能相關性較差，故美國瀝青協(xié)會的John A. D’Angelo等人提出采用多應力重復蠕變恢復試驗(MSCR)來評價改性瀝青的高溫性能[7]，研究結果表明，MSCR試驗的不可恢復蠕變柔量與抗車轍性能的相關性系數(shù)高達0.816 7。由于該試驗方法所提出的評價指標與瀝青路面的高溫性能相關性較高，且可操作性較強，在國外得到了廣泛的關注。國內也有不少學者對該評價方法進行了相關研究：郭詠梅等提出MSCR試驗與小振幅振動模式的動態(tài)力學分析方法相比，加載模式與實際瀝青路面的交通狀況更為接近[8]；蔡莉莉等采用MSCR試驗研究了不同SBS摻量的SBS改性瀝青的高溫性能[9]；唐乃膨等在通過MSCR試驗評價SBS改性瀝青高溫性能的基礎上，采用AASHTO MP19-10標準對其進行高溫性能分級[10]；吳春穎等結合傳統(tǒng)的瀝青高溫評價指標，對摻加活性橡膠的瀝青膠結料進行高溫性能評價，結果表明MSCR試驗評價方法能更真實有效地模擬路面實際應用的荷載作用情況[11]。

目前，研究者對于采用MSCR試驗評價橡膠改性瀝青高溫性能的研究尚不深入，也缺乏相應的分級標準對橡膠改性瀝青進行分級的適用性研究成果。故本文采用MSCR試驗來研究橡膠改性瀝青的高溫性能，并依據(jù)AASHTO M332-14標準對不同膠粉摻量的橡膠改性瀝青進行高溫性能分級，以完善改性瀝青高溫性能評價和分級體系。

1 原材料

(1)瀝青。試驗采用70#基質瀝青，其性能指標符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)的技術要求。瀝青相關技術指標見表1。

表1 70#基質瀝青的技術指標

(2)膠粉。試驗采用的膠粉為許昌金歐特瀝青股份有限公司生產(chǎn)的40目膠粉。膠粉的篩分結果見表2。

表2 膠粉篩分結果

2 橡膠改性瀝青的制備及試驗

2.1 橡膠改性瀝青的制備

橡膠改性瀝青的制備過程如下：先將基質瀝青加熱至170 ℃，按照設計的膠粉摻量稱取膠粉，保持瀝青的溫度在170 ℃±5 ℃，將稱量好的膠粉分批次緩慢地加入瀝青中并慢慢升溫到180 ℃，使用高速剪切機進行剪切，轉速為3 000 r·min-1，時間為60 min。有關研究表明，膠粉摻量為20%左右時，橡膠改性瀝青的性能較好[12]，因此本文選取15%、20%、25%三種膠粉摻量制備橡膠改性瀝青，分別測定其技術指標，結果如表3所示。

表3 橡膠改性瀝青的技術指標

2.2 MSCR試驗

MSCR試驗是在動態(tài)剪切流變儀(DSR)上進行的，采用應力控制模式，包括加載和卸載2個階段。試驗過程中對瀝青分階段施加0.1 kPa和3.2 kPa兩個應力水平，在每個應力水平下加載1 s，卸載9 s，重復10個周期。試驗過程中加載階段產(chǎn)生的變形在卸載階段會部分恢復，不可恢復的變形則累計到下一個加載循環(huán)，能較好地模擬不同行車荷載的反復加載與卸載過程，以此來反映實際路面的高溫性能。

MSCR試驗有6個評價指標，分別是高、低2個應力水平時的變形恢復率R和不可恢復蠕變柔量Jnr，以及變形恢復率和不可恢復蠕變柔量的應力敏感性參數(shù)Jnrdiff和Rdiff。不可恢復蠕變柔量Jnr和變形恢復率R的計算方法如下。

式中：γnr為每個加載周期內的殘余變形；γ0為每個加載周期內的初始應變；τ為每個加載周期的應力水平；γp為每個加載周期內的峰值應變。

Jnr越小，表明瀝青材料的殘余變形越小，高溫條件下抗變形能力越好；反之，高溫抗變形能力越差。R值越大，表明瀝青材料的彈性變形能力越強；反之，彈性變形能力越弱。

Jnr和R的應力敏感性參數(shù)由下式得到。

式中：Jnr0.1為應力水平為0.1 kPa時的不可恢復蠕變柔量(kPa-1)；Jnr3.2為應力水平為3.2 kPa時的不可恢復蠕變柔量(kPa-1)；R0.1為應力水平為0.1 kPa時的變形恢復率(%)；R3.2為應力水平為3.2 kPa時的變形恢復率(%)。

應力敏感性指標反映了瀝青材料的力學響應對不同應力水平的敏感性，其本質是材料的非線性特征，該值越大，表明材料由低應力水平過渡到高應力水平時非線性特征越顯著。

MSCR試驗所采用的樣本為短期老化后的瀝青樣本，所以首先對70#基質瀝青和3種膠粉摻量的橡膠改性瀝青進行短期老化試驗，再對4種瀝青短期老化后的殘留物進行MSCR試驗，選取的試驗溫度分別為64 ℃和70 ℃。

3 試驗結果分析

3.1 不可恢復蠕變柔量Jnr

Jnr的試驗結果如表4所示。從表4可以看出，相比于70#基質瀝青，隨著膠粉的摻入，無論是在低應力水平還是在高應力水平下，Jnr都顯著地減小，且膠粉摻量越大Jnr越小，說明膠粉的摻入使得瀝青的彈性變形能力增強，荷載作用下的不可恢復變形減小，從而使得瀝青在高溫條件下抵抗變形的能力增強。從Jnr的變化趨勢來看，以64 ℃試驗條件為例，15%膠粉摻量的橡膠改性瀝青相對于基質瀝青Jnr0.1和Jnr3.2分別減小了93.5%和92.2%。同樣，增加5%的膠粉摻量，膠粉摻量從15%增大到20%，橡膠改性瀝青的Jnr0.1和Jnr3.2分別減小了62.9%和54.2%；而膠粉摻量從20%增大到25%，橡膠改性瀝青的Jnr0.1和Jnr3.2分別減小了38.5%和18.2%?？梢钥闯觯邠搅肯履z粉對于瀝青高溫性能的改善作用越來越小，膠粉的摻量并不是越大越好。70 ℃試驗條件下也得出了同樣的結論。

圖1是Jnr0.1和Jnr3.2隨膠粉摻量的變化曲線。對比64 ℃和70 ℃試驗條件下3種橡膠改性瀝青的Jnr0.1和Jnr3.2，可以發(fā)現(xiàn)：溫度升高會使Jnr0.1和Jnr3.2值都增大；且隨著膠粉摻量的增大，無論是Jnr0.1還是Jnr3.2，在64 ℃和70 ℃兩個溫度下的差異越來越小，這說明隨著膠粉摻量的增大，Jnr對溫度的敏感性降低。

表4 不可恢復蠕變柔量Jnr的試驗結果

圖1 Jnr0.1和Jnr3.2隨膠粉摻量的變化曲線

同時，由表4可以得到，在2個溫度下，應力敏感性參數(shù)Jnrdiff隨膠粉摻量增大而增大，這說明膠粉摻量的增大會使橡膠改性瀝青的應力敏感性增大，抵抗永久變形的能力減弱。AASHTO M332-14標準要求改性瀝青的Jnrdiff不超過75%，如果超過75%意味著改性瀝青可能處于蠕變破壞階段?？梢园l(fā)現(xiàn)，膠粉摻量25%的橡膠改性瀝青在64 ℃和70 ℃下都不符合該要求，20%膠粉摻量的橡膠改性瀝青在64 ℃下勉強符合要求，但是在70 ℃下不符合要求。15%膠粉摻量的橡膠改性瀝青在64 ℃和70 ℃下都符合要求。從Jnrdiff角度來評價，膠粉摻量20%和25%的橡膠改性瀝青的高溫性能不如膠粉摻量15%的橡膠改性瀝青，這與Jnr0.1和Jnr3.2所得出來的結論截然相反。

3.2 變形恢復率R

表5是變形恢復率R的試驗結果。由表5可知，在64 ℃的試驗條件下，70#基質瀝青的R極小，瀝青基本呈現(xiàn)黏性特征，但是隨著膠粉的摻入，R0.1和R3.2顯著增大，說明膠粉的摻入使得瀝青的彈性變形能力有了顯著的增強，且隨著膠粉摻量的增大，R0.1和R3.2也增大。但同樣增加5%的膠粉產(chǎn)量，可以明顯看出摻量從20%增加到25%，R0.1和R3.2的增大幅度小于摻量從15%增加到20%時R0.1和R3.2的增大幅度，這與上一節(jié)Jnr的分析結果是一致的。對比R0.1和R3.2可以發(fā)現(xiàn)，隨著應力的增大，R減小，但是隨著膠粉摻量的增大，Rdiff不斷減小，說明膠粉摻量的增大能降低橡膠改性瀝青R的應力敏感性。從變形恢復率R的角度來評價瀝青的抗變形能力，膠粉摻量20%和25%的橡膠改性瀝青優(yōu)于膠粉摻量15%的橡膠改性瀝青，這與Jnr角度的評價結果一致而與Jnrdiff的評價結果相反。在70 ℃的試驗條件下得出來的結論與64 ℃的試驗條件下一致。同時可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度由64 ℃升高到70 ℃，R0.1和R3.2略有降低，但是變化幅度很小，說明R的溫度敏感性較低。

表5 變形恢復率R的試驗結果

3.3 基于MSCR試驗的高溫分級

基于MSCR試驗的改性瀝青高溫性能分級標準AASHTO M332-14，與基于車轍因子的基質瀝青高溫性能分級標準AASHTO M320采用的分級溫度是相同的，即高溫等級的范圍為46 ℃～82 ℃，以6 ℃劃分間隔。2個標準不同之處在于：相同的路面服役溫度下如何考慮重交通量的影響，即以車轍因子為基礎的分級標準在選擇瀝青時，對于重交通量只是簡單的比正常交通量在PG高溫等級上高一個等級；而基于MSCR試驗的分級標準AASHTO M332-14，在同一服役溫度下根據(jù)不同交通量的需求進一步細化了分級，具體的分級和分級指標見表6。

表6 AASHTO M332-14基于MSCR試驗指標的高溫性能分級方法

根據(jù)表6對3種膠粉摻量的橡膠改性瀝青在64 ℃和70 ℃進行分級時，膠粉摻量15%的橡膠改性瀝青和膠粉摻量25%的橡膠改性瀝青在64 ℃和70 ℃下Jnrdiff>75%，不符合標準要求，無法進行高溫分級；但膠粉摻量20%和25%的橡膠改性瀝青雖然在Jnrdiff上不滿足要求，但是相比于膠粉摻量15%的橡膠改性瀝青，它們具有更低的Jnr和更高的R。國外學者Faxina在研究多聚磷酸摻量改性瀝青時發(fā)現(xiàn)，2%多聚磷酸改性瀝青的Jnrdiff高達93.22%，但該瀝青與研究中的其余改性瀝青相比在任一應力條件下都具有最小的不可恢復蠕變柔量Jnr和最大的變形恢復率R，這造成從Jnrdiff角度的高溫性能評價結果與從Jnr和R的角度的評價結果是相互矛盾的。在另一項研究中，當改性劑為SBS時，隨著SBS摻量的增大，Jnrdiff的變化規(guī)律與Jnr和R的變化規(guī)律是一致的，此時用Jnrdiff對SBS改性瀝青進行高溫分級是合適的。由此可以得出，Jnrdiff的評價指標并不適用于所有改性瀝青，其適用性應視具體的改性劑而定。

圖2 不同膠粉摻量橡膠改性瀝青高溫分級情況

在不考慮Jnrdiff≤75%要求的情況下，只考慮Jnr3.2指標對3種膠粉摻量的橡膠改性瀝青在64 ℃和70 ℃兩個溫度下進行分級，結果如圖2所示?？梢钥闯觯涸?4 ℃下3種改性瀝青的分級都為PG64E；而在70 ℃下，膠粉摻量15%的橡膠改性瀝青被評為PG64H，膠粉摻量20%和25%的橡膠改性瀝青被評為PG64E。70 ℃下不同膠粉摻量的橡膠改性瀝青的高溫分級相比于64 ℃下的分級結果更有區(qū)分度，但從中也可以得出，如需進一步細化膠粉摻量20%和25%的橡膠改性瀝青的高溫分級，需要更高的分級溫度。

4 結 語

(1)橡膠改性瀝青隨著膠粉摻量的增大，不可恢復蠕變柔量Jnr減小，變形恢復率R增大，瀝青在高溫下抵抗永久變形的能力越強。

(2)橡膠改性瀝青的變形恢復率R的溫度敏感性較低，不可恢復蠕變柔量Jnr的溫度敏感性較高，膠粉摻量的增大能夠降低Jnr的溫度敏感性。

(3)基于MSCR試驗的改性瀝青高溫性能分級標準AASHTO M332-14的Jnrdiff評價指標并不適用于所有改性瀝青，其適用性應根據(jù)改性劑而定。當不考慮Jnrdiff只考慮Jnr3.2指標進行分級時，64 ℃下無法對不同膠粉摻量的橡膠改性瀝青的高溫分級進行區(qū)分，70 ℃下的高溫分級雖然有一定的區(qū)分度，但要進一步細化高溫分級仍需要更高的分級溫度。