橡膠改性瀝青高低溫特性試驗(yàn)分析

馮明林， 王笑風(fēng)， 楊 博， 劉建飛

（1.交通運(yùn)輸行業(yè)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備研發(fā)中心，鄭州 450000；2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，鄭州 450000）

瀝青高低溫特性關(guān)系到瀝青路面的使命壽命，在瀝青標(biāo)準(zhǔn)體系研究中，高低溫性能分析至關(guān)重要. 魏永政等［1］借助動(dòng)態(tài)剪切流變和凝膠滲透色譜試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：橡膠瀝青高溫性能提高是膠粉活化的結(jié)果，活化1.5 min時(shí)，膠粉內(nèi)部化學(xué)鍵斷裂迅速，大分子量降低，交互反應(yīng)徹底，高溫性能大幅提升. 王新強(qiáng)等［2］通過混合料動(dòng)態(tài)模量和相位角分析認(rèn)為，級(jí)配類型和膠結(jié)料分別對膠粉改性瀝青混合料黏彈性具有明顯的影響. 王琨等［3］通過Burgers模型研究瀝青進(jìn)行黏彈性參數(shù)，表明瀝青在46 ℃以上時(shí)彈性變形很小，基質(zhì)瀝青變形以黏性變形為主，隨溫度升高，變形增大、彈性變形下降.

本文則選取70 號(hào)基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青（膠粉摻量為18%）、SBS 改性瀝青（SBS 摻量為4%）三種瀝青作為研究變量，借助重復(fù)蠕變和彎曲梁蠕變對橡膠瀝青高低溫特性展開分析，為橡膠技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù).

1 重復(fù)蠕變試驗(yàn)分析

1.1 Burgers模型蠕變勁度黏性分析

通過Burgers四單元流變模型得到蠕變?nèi)崃筐ば猿煞諮v，進(jìn)而計(jì)算蠕變勁度黏性成分Gv（Gv=1/Jv）（圖1）.

圖1 Burgers模型及其變形曲線Fig.1 Burgers model and its deformation curve

Gv 越大，瀝青高溫性能越優(yōu)［4］. 通過圖2可見，橡膠瀝青Gv 明顯高于SBS 改性瀝青和基質(zhì)瀝青，是SBS改性瀝青的4倍左右，是基質(zhì)瀝青的6倍左右.

1.2 累積變形增長率k值分析

累積變形增長率k 值大小和殘留變形累積、車轍發(fā)生概率等成正比［5-7］. 結(jié)合圖3 中k 值變化情況，橡膠瀝青k 值最小，約為SBS 改性瀝青的4/5，為基質(zhì)瀝青的1/20，表明在“加載—卸載”循環(huán)試驗(yàn)中，橡膠瀝青變形較慢，在相同外界條件下，抗車轍性能較好.

1.3 累積變形分析

試件100次重復(fù)蠕變累積變形大小和高溫性能成反比［8］. 圖4 累計(jì)變形表明：基質(zhì)瀝青累積變形量約是SBS改性瀝青的35倍，約是橡膠瀝青的160倍，橡膠瀝青高溫性能優(yōu)勢明顯.

圖2 瀝青重復(fù)蠕變Gv值Fig.2 Asphalt repeat creep Gv value

圖3 瀝青重復(fù)蠕變試驗(yàn)k值Fig.3 Asphalt repeated creep test k value

圖4 重復(fù)蠕變累積變形Fig.4 Repeated creep cumulative deformation

1.4 殘留變形率分析

在“加載—卸載”過程中，卸載結(jié)束殘留變形γP與加載結(jié)束時(shí)總變形γL百分比反映了試件變形恢復(fù)能力［9］. 瀝青變形恢復(fù)能力和高溫性能與殘留變形率γP/γL顯現(xiàn)反向增長.

通過圖5和圖6可見，橡膠瀝青γP/γL值約為SBS改性瀝青的1/5，橡膠瀝青比SBS改性瀝青變形恢復(fù)能力更強(qiáng). 橡膠瀝青γP/γL值約為基質(zhì)瀝青的1/110，基質(zhì)瀝青變形恢復(fù)困難.

圖5 不同瀝青變形對比Fig.5 Different asphalt deformation comparison

圖6 瀝青重復(fù)蠕變變形恢復(fù)能力Fig.6 Deformation recovery ability of asphalt repeat creep

1.5 橡膠瀝青膠漿重復(fù)蠕變分析

膠粉的溶脹反應(yīng)不是完全徹底，會(huì)殘留有替代礦粉起填料作用的“膠核”，合適的粉膠比關(guān)系到混合料的綜合性能. 不同粉膠比下蠕變結(jié)果見圖7～圖10.

圖7 不同粉膠比橡膠瀝青膠漿Gv值Fig.7 Rubber asphalt cement Gv value of different powder-rubber ratio

圖8 不同粉膠比橡膠瀝青膠漿k值Fig.8 Rubber asphalt cement k value of different powder-rubber ratio

圖9 不同粉膠比橡膠瀝青膠漿累積變形Fig.9 Rubber asphalt cement cumulative deformation of different powder-rubber ratio

圖10 不同粉膠比橡膠瀝青膠漿殘留變形Fig.10 Rubber asphalt cement residual deformation of different powder-rubber ratio

通過粉膠比重復(fù)蠕變各指標(biāo)變化趨勢可見，在粉膠比為0.3時(shí)，蠕變勁度黏性分析Gv值出現(xiàn)“谷值”，膠漿累積變形及其增長率k值、殘留變形率等三者均出現(xiàn)不同程度的“峰值”.

綜合粉膠比重復(fù)蠕變各指標(biāo)變化，以0.3粉膠比為界，小于0.3時(shí)，膠漿高溫性能和粉膠比變化成反比；大于0.3時(shí)，膠漿高溫性能和粉膠比變化成正比. 過高的粉膠比破壞了膠粉溶脹后與原基質(zhì)瀝青的空間網(wǎng)狀體系. 當(dāng)在膠漿中礦粉占據(jù)主導(dǎo)地位以后，膠漿的相對移動(dòng)由于礦粉的阻尼變得非常困難，重復(fù)蠕變試驗(yàn)指標(biāo)就會(huì)變得偏高，因此，橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)時(shí)，要注重粉膠比的選擇.

2 彎曲梁蠕變試驗(yàn)分析

2.1 瀝青試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖11 中-10 ℃下勁度模量S 值來看，低溫性能SBS 改性瀝青＞橡膠瀝青＞基質(zhì)瀝青；從彎曲蠕變速率m 值來看，低溫性能SBS改性瀝青＞基質(zhì)瀝青＞橡膠瀝青，勁度模量S值和蠕變速率m值結(jié)論存在差異. 根據(jù)李智慧［10-12］等研究，當(dāng)S值和m值存在差異時(shí)，S值與低溫彎曲最大破壞應(yīng)變規(guī)率相同，S值作為低溫評價(jià)指標(biāo)較為合理.

圖11 不同瀝青彎曲梁蠕變試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Creep test results of different asphalt bending beams

S值的變化說明，橡膠粉中的瀝青成分在橡膠瀝青低溫變形中至關(guān)重要［13-14］，而在瀝青混合料中骨料充分不具備抵抗彎拉變形的能力［15-18］，只有瀝青與礦粉構(gòu)成的瀝青膠漿，才是抵抗低溫抗裂性能的關(guān)鍵［18-22］.

圖12的膠漿結(jié)果表明橡膠瀝青和SBS改性瀝青膠漿的低溫性能和粉膠比成反比例變化，而工程應(yīng)用中橡膠瀝青混合料粉膠比通常小于0.7［23-27］，而SBS改性瀝青混合料粉膠比一般大于1.0［28］. 橡膠瀝青膠漿粉膠比為0.7時(shí)勁度模量為232 MPa，而SBS改性瀝青膠漿粉膠比為1.0時(shí)勁度模量為267 MPa，可見以瀝青膠漿的低溫性能來看，S值越小，低溫性能越優(yōu)，橡膠瀝青比SBS改性瀝青有更好的低溫性能.

圖12 不同瀝青膠漿彎曲梁蠕變試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Creep test results of different asphalt cement curved beams

2.2 橡膠瀝青膠漿彎曲梁蠕變試驗(yàn)分析

在橡膠瀝青和SBS改性瀝青膠漿彎曲梁蠕變分析基礎(chǔ)上，在-10 ℃環(huán)境下，針對橡膠瀝青粉膠比展開系統(tǒng)地分析，結(jié)果見圖13所示.

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可見，蠕變速率m值隨粉膠比變化不大，只是產(chǎn)生部分?jǐn)?shù)字微小的波動(dòng)，但是勁度模量S則隨粉膠比增加依然顯遞增趨勢. 而本文是以勁度模量S作為瀝青膠漿低溫性能的評價(jià)指標(biāo)，勁度模量S遞增的趨勢說明，瀝青膠漿的低溫性能隨粉膠比增加而降低. 這是由于礦粉填料的加入吸附瀝青致使結(jié)構(gòu)瀝青比重增加，降低了瀝青膠漿的流動(dòng)性，導(dǎo)致膠漿柔性降低，模量增大.

圖13 橡膠瀝青膠漿彎曲梁蠕變試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Creep test results of rubber asphalt cement curved beam

3 橡膠瀝青粉膠比確定

在高溫性能方面，橡膠瀝青膠漿粉膠比0.3 以下時(shí)，高溫性能隨粉膠比增加而成反比例變化，粉膠比0.3以上時(shí)，高溫性能變化則相反，說明粉膠比小于或大于0.3時(shí)，高溫性能相對較優(yōu). 在低溫性能方面，橡膠瀝青膠漿低溫性能隨粉膠比增加反而下降，間接說明粉膠比越低，低溫性能越好. 因此，綜合低溫和高溫性能試驗(yàn)結(jié)果，配合比設(shè)計(jì)時(shí)粉膠比以小于0.3為宜.

4 結(jié)論

本文采用重復(fù)蠕變試驗(yàn)和彎曲梁蠕變試驗(yàn)對橡膠改性瀝青進(jìn)行黏彈性分析，得出以下結(jié)論：

1）橡膠瀝青重復(fù)蠕變黏性成分約為SBS改性瀝青的4倍，基質(zhì)瀝青的6倍；累積變形增長率k值最慢，約為SBS改性瀝青的4/5，為基質(zhì)瀝青的1/20，累積變形和殘留變形率均為最小，抗車轍性能和變形恢復(fù)能力優(yōu)勢明顯.

2）當(dāng)橡膠瀝青粉膠比為0.3時(shí)，膠漿重復(fù)蠕變黏性分析出現(xiàn)“谷值”，膠漿累積變形及其增長率k值、殘留變形率等三者基本相同，均出現(xiàn)不同程度的“峰值”.

3）橡膠瀝青由于含有相當(dāng)數(shù)量膠粉的原因，致使低溫性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青但不如SBS改性瀝青；但從瀝青膠漿的角度出發(fā)，橡膠瀝青膠漿比SBS改性瀝青有更好的低溫性能. 同時(shí)隨粉膠比增加，瀝青膠漿低溫性能顯著降低.

4）綜合橡膠瀝青高、低溫黏彈性試驗(yàn)分析結(jié)果，配合比設(shè)計(jì)時(shí)粉膠比以小于0.3為宜.