錐入度抗剪強(qiáng)度評(píng)價(jià)橡膠瀝青性能的試驗(yàn)研究

王鐵慶,　楊人鳳,　李愛國，　陳　磊，　周　波

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安　710064; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院,陜西 楊凌　712100; 3.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安　710075； 4.中國中鐵十局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南　250101)

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錐入度抗剪強(qiáng)度評(píng)價(jià)橡膠瀝青性能的試驗(yàn)研究

王鐵慶1,2,楊人鳳1,李愛國3，陳磊4，周波4

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710064; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院,陜西 楊凌712100; 3.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司，陜西 西安710075； 4.中國中鐵十局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南250101)

摘要:為了研究橡膠瀝青錐入度抗剪強(qiáng)度的規(guī)律特點(diǎn)及與其他性能指標(biāo)的相關(guān)性,文章進(jìn)行了不同膠粉摻量和不同反應(yīng)溫度條件下的橡膠瀝青錐入度試驗(yàn)及其他性能指標(biāo)試驗(yàn),研究得到了膠粉摻量和反應(yīng)溫度對(duì)橡膠瀝青錐入度和抗剪強(qiáng)度的影響情況,以及抗剪強(qiáng)度與其他性能指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明:隨著膠粉摻量增加,橡膠瀝青的25 ℃錐入度減小而抗剪強(qiáng)度增大;反應(yīng)溫度對(duì)橡膠瀝青25 ℃錐入度和抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律不明顯;相比于錐入度,抗剪強(qiáng)度對(duì)橡膠瀝青性能影響因素的變化反應(yīng)更靈敏;不同膠粉摻量條件下橡膠瀝青抗剪強(qiáng)度與其他幾個(gè)指標(biāo)相關(guān)性較好,不同反應(yīng)溫度條件下抗剪強(qiáng)度與177 ℃黏度和25 ℃回彈恢復(fù)率有一定的相關(guān)性,與軟化點(diǎn)相關(guān)性不明顯。在試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上初步提出了橡膠瀝青25 ℃錐入度抗剪強(qiáng)度的指標(biāo)要求為75～169 kPa。

關(guān)鍵詞:橡膠瀝青;錐入度試驗(yàn);抗剪強(qiáng)度;膠粉摻量;反應(yīng)溫度;性能指標(biāo)

橡膠瀝青材料不但具有良好的路用性能,而且能夠獲得廢物利用、環(huán)境保護(hù)的綜合效益,因而受到越來越多的關(guān)注和重視[1-5]。橡膠瀝青除了具有較強(qiáng)的高低溫性能和抗老化性能等路用性能以外,當(dāng)其用于應(yīng)力吸收層時(shí)還具有良好的防水性、高彈性和抗疲勞性能[6]。在橡膠瀝青的應(yīng)用過程中,對(duì)于橡膠瀝青的技術(shù)要求無論國外還是國內(nèi)均不統(tǒng)一。橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)究竟怎樣才算合理,這應(yīng)該與橡膠瀝青的用途和當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境有關(guān),例如當(dāng)橡膠瀝青用于開級(jí)配混合料,不使用礦粉,就需要橡膠瀝青比較黏稠一些;而如果用于間斷級(jí)配的SMA混合料,礦粉用量比較大,則橡膠瀝青黏度就不需要太高[3]。雖然橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)不統(tǒng)一,但其核心技術(shù)指標(biāo)主要為黏度、針入度(錐入度)、軟化點(diǎn)和彈性恢復(fù)率。

針入度(錐入度)反映了橡膠瀝青結(jié)合料的稠度,代表了結(jié)合料的軟、硬程度,我國關(guān)于橡膠瀝青技術(shù)的地方標(biāo)準(zhǔn)中大多數(shù)采用的是與SBS改性瀝青一致的25 ℃針入度指標(biāo)。由于橡膠瀝青在宏觀上是兩相混合的非均質(zhì)材料,常含有較大的橡膠顆粒,針入度試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)針較細(xì),針扎到橡膠顆粒上和未扎到橡膠顆粒上會(huì)產(chǎn)生較大的誤差,從而會(huì)影響測(cè)試結(jié)果的可靠性,因此,有些地區(qū)如美國California、Texas州用25 ℃錐入度取代了針入度。25 ℃錐入度比針入度對(duì)影響橡膠瀝青結(jié)合料性能的因素更為敏感,其測(cè)量穩(wěn)定性也比后者更好,因而可以更真實(shí)地反映橡膠瀝青結(jié)合料這種兩相材料在常溫下的稠度[2]。

錐入度試驗(yàn)有錐入度和抗剪強(qiáng)度2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),在用于研究評(píng)價(jià)各種瀝青膠漿的高溫性能方面取得了較好的效果[7-11]。然而關(guān)于用錐入度抗剪強(qiáng)度來評(píng)價(jià)橡膠瀝青結(jié)合料性能方面的研究很少。本文通過不同條件下橡膠瀝青制備及性能檢測(cè)試驗(yàn),研究了橡膠瀝青錐入度抗剪強(qiáng)度的特點(diǎn)以及抗剪強(qiáng)度與橡膠瀝青其他性能指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系,并在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上初步提出了錐入度抗剪強(qiáng)度的指標(biāo)要求。

1錐入度試驗(yàn)方法

錐入度試驗(yàn)可以采用瀝青針入度儀來進(jìn)行,但需要將針入度儀的標(biāo)準(zhǔn)針取下?lián)Q成特制的標(biāo)準(zhǔn)錐。標(biāo)準(zhǔn)錐的尺寸和技術(shù)要求參見文獻(xiàn)[12], 整個(gè)運(yùn)動(dòng)體(包括錐頭、針入度儀的主軸和附件)的總質(zhì)量為(150±0.1)g,錐針頂角角度為30°。盛樣皿采用內(nèi)徑為70 mm、深度為45 mm的大盛樣皿。試驗(yàn)前首先將制備好的橡膠瀝青倒入盛樣皿內(nèi),橡膠瀝青應(yīng)裝填至盛樣皿的邊緣,并讓試樣在標(biāo)準(zhǔn)的室溫(23±2)℃下養(yǎng)生冷卻2 h,然后將盛樣皿放入溫度為(25±0.1)℃的恒溫水浴中養(yǎng)生2 h,取出后吸干試樣表面水分,進(jìn)行錐入度試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟同瀝青針入度試驗(yàn)方法,試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)應(yīng)保持實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境溫度在標(biāo)準(zhǔn)室溫(23±2)℃下,試樣的溫度應(yīng)始終控制在(25±0.5)℃的范圍內(nèi)。錐入度抗剪強(qiáng)度根據(jù)所測(cè)得的錐入度值計(jì)算，公式為:

其中,τ為抗剪強(qiáng)度;Q為貫入質(zhì)量(錐頭、針入度儀的主軸和附件的總質(zhì)量,150g);α為錐針頂角角度(30°);h為錐入度。

2試驗(yàn)原材料

制備橡膠瀝青的基質(zhì)瀝青采用國外進(jìn)口SK-90# A級(jí)道路石油瀝青,其主要技術(shù)指標(biāo)見表1所列。廢胎膠粉采用陜西產(chǎn)30目常溫研磨粉碎的貨車子午胎膠粉,其物理和化學(xué)技術(shù)指標(biāo)分別見表2、表3所列(表中含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

表1　基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

表2　廢胎膠粉物理指標(biāo)

表3　廢胎膠粉化學(xué)指標(biāo)質(zhì)量分?jǐn)?shù)　　　　%

3試驗(yàn)研究方案

為了研究橡膠瀝青錐入度抗剪強(qiáng)度的特性及與其他性能指標(biāo)的關(guān)系,首先進(jìn)行了不同廢胎膠粉摻量的橡膠瀝青制備及性能檢測(cè)試驗(yàn)。在濕法工藝制備橡膠瀝青常用的膠粉摻量范圍內(nèi),選取18%、20%、21%、22%、24% 5種橡膠粉摻量(占基質(zhì)瀝青質(zhì)量),用強(qiáng)力攪拌器將瀝青與橡膠粉混合攪拌,反應(yīng)溫度嚴(yán)格控制在180 ℃,反應(yīng)時(shí)間統(tǒng)一設(shè)定為50 min,橡膠瀝青制備好后進(jìn)行25 ℃錐入度試驗(yàn)及其他技術(shù)指標(biāo)的檢測(cè)。其次,考慮反應(yīng)溫度對(duì)橡膠瀝青性能的影響較大,根據(jù)項(xiàng)目依托工程的實(shí)際情況,分別進(jìn)行了170、180、190、200 ℃ 4種反應(yīng)溫度下橡膠瀝青制備和性能檢測(cè)試驗(yàn)。除了25 ℃錐入度試驗(yàn)外,其他檢測(cè)項(xiàng)目包括177 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、25 ℃回彈恢復(fù)率(ASTM D5329)和軟化點(diǎn)(T0606)。

4試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1橡膠瀝青錐入度試驗(yàn)

4.1.1膠粉摻量對(duì)錐入度和抗剪強(qiáng)度的影響

在反應(yīng)溫度為180 ℃、反應(yīng)時(shí)間為50 min條件下，不同膠粉摻量橡膠瀝青的錐入度試驗(yàn)結(jié)果見表4所列,錐入度和抗剪強(qiáng)度與橡膠粉摻量關(guān)系的擬合曲線如圖1所示。

表4　不同膠粉摻量橡膠瀝青錐入度和抗剪強(qiáng)度

圖1　膠粉摻量對(duì)橡膠瀝青錐入度和抗剪強(qiáng)度的影響

從表4和圖1中可以看出:

(1) 25 ℃錐入度隨著橡膠瀝青中膠粉摻量的增加而逐漸減小,錐入度與膠粉摻量接近冪函數(shù)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)超過了0.94。這表明隨著膠粉摻量增加，橡膠瀝青稠度增加,逐漸變硬。同時(shí)該試驗(yàn)結(jié)果也說明,25 ℃錐入度指標(biāo)能夠反映橡膠瀝青中膠粉摻量的變化。

(2) 抗剪強(qiáng)度隨著橡膠瀝青中膠粉摻量的增加而逐漸增大,抗剪強(qiáng)度與膠粉摻量的對(duì)數(shù)近似為線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)接近0.96。這表明隨著膠粉摻量增加,橡膠瀝青常溫抗擠壓和抗剪切的能力增大。該試驗(yàn)結(jié)果說明錐入度抗剪強(qiáng)度也能夠反映橡膠瀝青中膠粉摻量的變化。

(3) 從表4中錐入度和抗剪強(qiáng)度的數(shù)值對(duì)比中可知,不同膠粉摻量橡膠瀝青的錐入度差值比較小(尤其當(dāng)膠粉摻量在20%～24%范圍內(nèi)變化時(shí)),而不同摻量橡膠瀝青的抗剪強(qiáng)度差值相對(duì)較大。因而相對(duì)于錐入度而言,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)更容易反映出橡膠瀝青中膠粉摻量的變化。

4.1.2反應(yīng)溫度對(duì)錐入度和抗剪強(qiáng)度的影響

根據(jù)前期試驗(yàn)情況和依托工程的施工要求,對(duì)21%膠粉摻量的情況進(jìn)行了4種不同反應(yīng)溫度的橡膠瀝青制備和錐入度試驗(yàn),反應(yīng)時(shí)間均為50 min。錐入度試驗(yàn)結(jié)果見表5所列,相應(yīng)的變化曲線如圖2所示。

表5　不同反應(yīng)溫度橡膠瀝青錐入度和抗剪強(qiáng)度

圖2　反應(yīng)溫度對(duì)橡膠瀝青錐入度和抗剪強(qiáng)度的影響

從表5和圖2中可以看出,反應(yīng)溫度在170～200 ℃范圍內(nèi)變化時(shí),橡膠瀝青的錐入度和抗剪強(qiáng)度與反應(yīng)溫度之間并不存在單調(diào)遞增或者遞減的關(guān)系;從試驗(yàn)結(jié)果來看,反應(yīng)溫度為190 ℃時(shí)其錐入度較小,抗剪強(qiáng)度較大,表明此時(shí)橡膠瀝青較硬;其余3個(gè)反應(yīng)溫度時(shí)的錐入度和抗剪強(qiáng)度值均變化不大。此外,對(duì)比表5中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖2中2條折線在各段的斜率可知,通過錐入度計(jì)算得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)能夠把較小的錐入度差值放大,從而對(duì)橡膠瀝青制備過程的反應(yīng)溫度變化反應(yīng)更靈敏。

4.2抗剪強(qiáng)度與其他技術(shù)指標(biāo)的相關(guān)性分析

4.2.1不同膠粉摻量條件

不同膠粉摻量橡膠瀝青的其他性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表6所列。

表6　不同膠粉摻量橡膠瀝青其他技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

旋轉(zhuǎn)黏度代表了橡膠瀝青結(jié)合料在外力作用下抵抗流動(dòng)的阻力,它反映了結(jié)合料的施工和易性,同時(shí)也在一定程度上反映了結(jié)合料的黏彈性;25 ℃回彈恢復(fù)率代表了橡膠瀝青結(jié)合料在常溫下的彈性性質(zhì),它反映了結(jié)合料抗疲勞破壞和抗反射裂縫的能力;軟化點(diǎn)則代表了橡膠瀝青結(jié)合料在瀝青路面工作溫度下的高溫性能[2]。

從表6可知,橡膠瀝青的177 ℃黏度、25 ℃回彈恢復(fù)率和軟化點(diǎn)均隨著膠粉摻量的增加而增大,同抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律一致。根據(jù)表4和表6中的數(shù)據(jù),繪制橡膠瀝青25 ℃錐入度抗剪強(qiáng)度與177 ℃黏度、25 ℃回彈恢復(fù)率、軟化點(diǎn)的關(guān)系曲線如圖3所示。

從圖3a可知,隨著膠粉摻量增加,橡膠瀝青抗剪強(qiáng)度與177 ℃黏度近似為冪函數(shù)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.98以上。

從圖3b、圖3c可知,隨著膠粉摻量增加,橡膠瀝青的抗剪強(qiáng)度與25 ℃回彈恢復(fù)率和軟化點(diǎn)的對(duì)數(shù)近似為線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.93和0.83，說明膠粉摻量的變化對(duì)橡膠瀝青25 ℃錐入度抗剪強(qiáng)度和其他幾個(gè)指標(biāo)的影響具有較高程度的一致性。即在區(qū)分不同膠粉摻量對(duì)橡膠瀝青性能的影響方面,錐入度抗剪強(qiáng)度與其他幾個(gè)指標(biāo)具有較好的一致性。

(a)　抗剪強(qiáng)度與177 ℃黏度

(b)　抗剪強(qiáng)度與25 ℃回彈恢復(fù)率

(c)　抗剪強(qiáng)度與軟化點(diǎn)

4.2.2不同反應(yīng)溫度條件

不同反應(yīng)溫度橡膠瀝青的其他性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表7所列。反應(yīng)溫度對(duì)橡膠瀝青錐入度抗剪強(qiáng)度和其他指標(biāo)的影響情況對(duì)比如圖4所示。從圖4中折線的變化趨勢(shì)看,總體上反應(yīng)溫度對(duì)橡膠瀝青抗剪強(qiáng)度的影響和對(duì)177 ℃黏度、25 ℃回彈恢復(fù)率的影響存在一定程度的一致性,而對(duì)橡膠瀝青抗剪強(qiáng)度的影響和對(duì)軟化點(diǎn)的影響之間則無明顯的相關(guān)性。

表7　不同反應(yīng)溫度橡膠瀝青其他技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

(a)　對(duì)橡膠瀝青抗剪強(qiáng)度和黏度影響

(b)　對(duì)橡膠瀝青抗剪強(qiáng)度和回彈恢復(fù)影響

(c)　對(duì)橡膠瀝青抗剪強(qiáng)度和軟化點(diǎn)影響

4.3錐入度抗剪強(qiáng)度指標(biāo)要求的確定

由前面的試驗(yàn)分析可知,錐入度抗剪強(qiáng)度可以在一定程度上表示橡膠瀝青的塑性強(qiáng)度,并且與橡膠瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度、回彈恢復(fù)率等指標(biāo)具有良好相關(guān)性,因此,應(yīng)研究確定其技術(shù)指標(biāo)的要求,以便于工程實(shí)際應(yīng)用。參考目前國內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及我國的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),橡膠瀝青177 ℃旋轉(zhuǎn)黏度的技術(shù)要求范圍一般為1.5～4.0 Pa·s,根據(jù)圖3a中抗剪強(qiáng)度與177 ℃旋轉(zhuǎn)黏度的擬合公式,可以得出25 ℃錐入度抗剪強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的數(shù)值范圍為139～169 kPa;根據(jù)橡膠瀝青25 ℃回彈恢復(fù)率的技術(shù)要求(≥18%)[2],利用圖3b中抗剪強(qiáng)度與25 ℃回彈恢復(fù)率的擬合曲線,可以得出25 ℃錐入度抗剪強(qiáng)度的要求為大于等于75 kPa。綜合考慮我國各地材料、氣候環(huán)境等的差異性,指標(biāo)要求宜適當(dāng)寬泛,因此初步確定橡膠瀝青25 ℃錐入度抗剪強(qiáng)度的指標(biāo)要求范圍為75～169 kPa。

5結(jié)論

橡膠瀝青的25 ℃錐入度抗剪強(qiáng)度隨著橡膠瀝青中膠粉摻量的增加而增大,而受橡膠瀝青反應(yīng)溫度影響的規(guī)律不明顯。相比于25 ℃錐入度指標(biāo),抗剪強(qiáng)度對(duì)橡膠瀝青性能影響因素的變化反應(yīng)更靈敏。不同膠粉摻量條件下橡膠瀝青的25 ℃錐入度抗剪強(qiáng)度與177 ℃黏度、25 ℃回彈恢復(fù)和軟化點(diǎn)相關(guān)性較好;不同反應(yīng)溫度條件下橡膠瀝青的25 ℃錐入度抗剪強(qiáng)度與177 ℃黏度、25 ℃回彈恢復(fù)率有一定的相關(guān)性,與軟化點(diǎn)相關(guān)性不明顯。通過試驗(yàn)初步確定了橡膠瀝青25 ℃錐入度抗剪強(qiáng)度的指標(biāo)要求范圍為75～169 kPa。

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(責(zé)任編輯張镅)

Experimental research on applying shear strength of cone penetration to performance evaluation of rubber asphalt

WANG Tie-qing1,2,YANG Ren-feng1,LI Ai-guo3，CHEN Lei4，ZHOU Bo4

(1.Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2.College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3.Shaanxi Provincial Communication Construction Group, Xi’an 710075, China; 4.China Railway No.10 Engineering Group Co., Ltd., Jinan 250101， China)

Abstract:In order to investigate the regularity of shear strength of cone penetration and the correlations with other performance indexes of rubber asphalt, cone penetration tests and other performance tests of rubber asphalt were operated under the conditions of different crumb rubber contents and different reaction temperatures. The regularities of rubber asphalt cone penetration and shear strength were obtained, and the correlations between shear strength and other performance indexes were acquired. The results show that the cone penetration at 25 ℃ decreases and the shear strength increases with increase of crumb rubber content, while there is no obvious regularity in the effect of reaction temperature on asphalt rubber cone penetration at 25 ℃ and shear strength. Compared to the cone penetration, the shear strength is more sensitive to the changes of factors affecting rubber asphalt performance. Rubber asphalt shear strength has relatively strong correlations with other indexes under the conditions of different crumb rubber contents, but has weak correlations with viscosity at 177 ℃ and resilience at 25 ℃ and no correlation with softening point under the conditions of different reaction temperatures. Based on the experimental research, the technical requirement of shear strength at 25 ℃ was proposed as 75-169 kPa.

Key words:rubber asphalt; cone penetration test; shear strength; crumb rubber content; reaction temperature; performance index

中圖分類號(hào):U414

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-5060(2016)03-0380-05

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.03.019

作者簡(jiǎn)介：王鐵慶(1980-),男,河北文安人,長(zhǎng)安大學(xué)博士生,西北農(nóng)林科技大學(xué)講師;楊人鳳(1960-),女,山西河津人,博士,長(zhǎng)安大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

基金項(xiàng)目：陜西省交通廳科技資助項(xiàng)目(14-02K)

收稿日期：2015-04-12；修回日期：2015-07-22