橡膠瀝青膠漿低溫流變特性灰關(guān)聯(lián)分析

徐鷗明，侯德華，王士珩，魏　穎

(1.長(zhǎng)安大學(xué)交通鋪面材料教育部工程研究中心， 陜西西安710061； 2.長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西西安710061； 3.西安公路研究院， 陜西西安710054)

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橡膠瀝青膠漿低溫流變特性灰關(guān)聯(lián)分析

徐鷗明1，2，侯德華1，2，王士珩1，2，魏穎3

(1.長(zhǎng)安大學(xué)交通鋪面材料教育部工程研究中心， 陜西西安710061； 2.長(zhǎng)安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西西安710061； 3.西安公路研究院， 陜西西安710054)

摘要：為評(píng)價(jià)不同組成因素對(duì)橡膠瀝青膠漿低溫流變特性的影響，采用彎曲梁流變儀，測(cè)出了3種膠粉摻量、3種膠粉細(xì)度以及8種粉膠質(zhì)量比(0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.3，1.4)的橡膠瀝青膠漿蠕變勁度和蠕變曲線斜率，并運(yùn)用灰色理論分析了不同因素的影響程度。研究結(jié)果表明： 橡膠瀝青膠漿低溫蠕變勁度模量隨膠粉摻量的增加而減小，蠕變曲線斜率則呈增大趨勢(shì)；20目膠粉具有最低的蠕變勁度模量和最大的蠕變曲線斜率；粉膠比增大會(huì)導(dǎo)致蠕變勁度模量增大和蠕變曲線斜率減??；粉膠比對(duì)橡膠瀝青膠漿低溫蠕變勁度模量影響最大，其次是橡膠粉摻量；基于橡膠瀝青膠漿低溫流變特性，建議粉膠比小于1.2，采用22%的膠粉摻量和20目膠粉。

關(guān)鍵詞：道路工程；橡膠瀝青；膠漿；粉膠質(zhì)量比；蠕變勁度；蠕變曲線斜率；灰關(guān)聯(lián)

1原材料技術(shù)性質(zhì)

1.1瀝青

基質(zhì)瀝青選用90號(hào)道路石油瀝青，主要技術(shù)性質(zhì)如表1所示，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40—2004)要求。

表1　基質(zhì)瀝青主要技術(shù)性質(zhì)

1.2橡膠粉

橡膠粉采用20目、40目和60目3種，物理技術(shù)指標(biāo)滿足表2要求。

表2　橡膠粉的物理技術(shù)指標(biāo)

1.3礦粉

填料采用石灰?guī)r礦粉，其主要技術(shù)性質(zhì)如表3所示。

應(yīng)用SPSS Statistics軟件對(duì)HPLC-ELSD法和HPIC-CD法測(cè)得的硫酸鹽的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用配對(duì)樣品t檢驗(yàn)，P＞0.05，表明用兩種方法測(cè)得硫酸鹽的結(jié)果無顯著性差異。

表3　礦粉主要技術(shù)性質(zhì)

2試驗(yàn)方案

2.1橡膠瀝青膠漿制備

①橡膠瀝青:首先將基質(zhì)瀝青加熱融化，在180 ℃～185 ℃加入廢舊橡膠粉，高速剪切60 min，并恒溫發(fā)育4 h，并用玻璃棒人工攪拌，防止橡膠瀝青發(fā)生離析；發(fā)育完成后即制成橡膠瀝青。

②橡膠瀝青膠漿:將礦粉干燥；同時(shí)，將制備好的橡膠瀝青加熱到175 ℃，再加入礦粉時(shí),用玻璃棒攪拌均勻，制成橡膠瀝青膠漿。

2.2橡膠瀝青膠漿低溫流變特性測(cè)試

對(duì)瀝青低溫性能評(píng)價(jià)，歐盟推薦采用經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化后的瀝青的弗拉斯脆點(diǎn)和低溫延度來表征；而我國一般采用原樣瀝青和經(jīng)短期老化瀝青的低溫延度來表征瀝青低溫抗裂性能。美國SHRP計(jì)劃提出采用彎曲梁流變儀(BBR)來測(cè)量瀝青在低溫下的蠕變勁度S，若瀝青的蠕變勁度S太大，則呈現(xiàn)出脆性，如果用這種瀝青鋪筑路面則容易產(chǎn)生開裂破壞；同時(shí)，表征瀝青蠕變勁度隨時(shí)間變化的曲線斜率m值越大，則意味著當(dāng)由于溫度下降而使路面產(chǎn)生收縮時(shí)，膠結(jié)料的響應(yīng)如同降低了勁度的材料，從而導(dǎo)致材料的拉應(yīng)力松弛增大，故低溫開裂的可能性會(huì)隨之減小。因此，SHRP認(rèn)為選用較小蠕變勁度模量值和較大蠕變斜率的瀝青膠結(jié)料可獲得較好的低溫抗裂性。SHRP的瀝青膠結(jié)料規(guī)范要求使用經(jīng)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化和壓力老化后的瀝青來進(jìn)行BBR試驗(yàn)；本文主要是分析不同因素對(duì)橡膠瀝青膠漿低溫性能影響程度，因此直接采用原樣瀝青制成的瀝青膠漿進(jìn)行試驗(yàn)。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1膠粉摻量對(duì)橡膠瀝青膠漿低溫流變特性的影響

選用40目膠粉，以膠粉摻量18%、20%、22%(質(zhì)量比)分別制成橡膠瀝青，再與礦粉按不同粉膠比(0.8、1.0和1.2)攪拌均勻后制成橡膠瀝青膠漿小梁，然后在-12 ℃采用BBR進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果如圖1所示。

圖1　膠粉摻量與膠漿的低溫流變特性關(guān)系

由圖1可以看出，橡膠瀝青膠漿的勁度模量隨膠粉摻量的增加而顯著降低，而蠕變曲線斜率則緩慢增加。這表明隨著膠粉摻量的增加，橡膠瀝青膠漿脆性降低、應(yīng)力松弛能力提高，故而低溫抗裂性能提高。

3.2膠粉細(xì)度對(duì)橡膠瀝青膠漿低溫流變特性的影響

20%摻量下不同細(xì)度(20目、40目、60目)的橡膠瀝青膠漿低溫流變特性試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　細(xì)度與橡膠瀝青膠漿的低溫流變特性關(guān)系

由圖2可以看出，橡膠瀝青膠漿勁度模量隨橡膠粉細(xì)度減小而增大，即目數(shù)越大，勁度越大。這表明，摻加的橡膠粉粒徑大，低溫變形能力強(qiáng)，對(duì)提高瀝青膠漿低溫抗裂能力有利；蠕變速率則隨著橡膠粉細(xì)度減小而減小，即膠粉越細(xì)蠕變速率越小。這表明，在低溫時(shí)，采用大粒徑橡膠粉制備的瀝青膠漿具有較高的應(yīng)力響應(yīng)，降低了拉應(yīng)力，因而降低了開裂風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，就提高橡膠瀝青膠漿低溫抗裂性來說，宜采取粒徑較大的橡膠粉制備橡膠瀝青。

3.3粉膠比對(duì)橡膠瀝青膠漿低溫流變特性的影響

40目膠粉20%摻量下不同粉膠比膠漿低溫流變特性試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3　粉膠比與橡膠瀝青膠漿的低溫流變特性關(guān)系

由圖3可以看出，橡膠瀝青膠漿勁度模量隨粉膠比的增大而緩慢增大，蠕變速率則呈減小趨勢(shì)。這表明，隨粉膠比的增大，橡膠瀝青膠漿低溫變形能力和應(yīng)力松弛能力降低，低溫抗裂性能變?nèi)?。這是因?yàn)?，橡膠瀝青與礦粉混合后，礦粉吸附瀝青，在表面形成一層結(jié)構(gòu)瀝青；在此結(jié)構(gòu)層外的瀝青則是自由瀝青。結(jié)構(gòu)瀝青具有很強(qiáng)的粘結(jié)力，促使礦粉顆粒相互接觸，阻礙自由流動(dòng)。隨著礦粉增加，結(jié)構(gòu)瀝青數(shù)量增多，自由瀝青數(shù)量降低，膠漿流動(dòng)性降低，柔性變差，勁度增大，蠕變曲線斜率減小，變形能力降低。綜合橡膠瀝青膠漿的勁度和蠕變曲線斜率，粉膠比宜小于1.2。

3.4不同因素對(duì)橡膠瀝青膠漿低溫流變特性的灰關(guān)聯(lián)分析

近年來，灰色理論被廣泛用于工程中[14]。本文也采用灰色理論分析橡膠瀝青膠漿組成指標(biāo)對(duì)橡膠瀝青膠漿低溫流變特性的影響：

①確定分析數(shù)列。橡膠瀝青膠漿蠕變勁度描述了在某一溫度下瀝青膠漿的變形能力，蠕變勁度越小，柔性越好，抗開裂能力越強(qiáng)。因此以橡膠瀝青膠漿蠕變勁度作為參考數(shù)列，以橡膠粉細(xì)度、摻量和粉膠比作為比較數(shù)列，原始數(shù)據(jù)如表4所示。

②初始化數(shù)據(jù)。對(duì)表4中的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，使各指標(biāo)無量綱化。

③計(jì)算灰關(guān)聯(lián)系數(shù)。由初始化數(shù)據(jù)表計(jì)算得到灰關(guān)聯(lián)系數(shù)，如表5所示。

④各因素關(guān)聯(lián)度。計(jì)算各因素的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如表6所示。

表4　橡膠瀝青膠漿低溫蠕變勁度原始數(shù)列

表5　不同因素關(guān)聯(lián)系數(shù)

表6　各因素關(guān)聯(lián)度

由表6可以看出，各組成因素關(guān)聯(lián)度大小順序?yàn)椋悍勰z比>橡膠粉摻量>細(xì)度。這表明，以膠漿蠕變勁度為考察對(duì)象時(shí)，粉膠比影響程度最大，其次是膠粉摻量，而細(xì)度影響最小。因此，為了確保橡膠瀝青混合料具有較好的低溫性能，首先應(yīng)控制粉膠比不宜過大；同時(shí)，在滿足工藝性前提條件下盡量采用大的橡膠粉摻量。

4結(jié)語

①橡膠瀝青膠漿的低溫變形能力隨著膠粉摻量的增大而增強(qiáng)。22%摻量的橡膠瀝青膠漿的低溫抗裂性最好，20%摻量的橡膠瀝青膠漿次之，18%摻量的橡膠瀝青膠漿最差。

②橡膠瀝青膠漿的低溫變形能力隨著膠粉細(xì)度的減小而增強(qiáng)。20目膠粉制成的橡膠瀝青膠漿低溫變形性能最優(yōu)60目膠粉制成的橡膠瀝青膠漿低溫變形性能最差。

③橡膠瀝青膠漿低溫變形能力隨粉膠比增大而降低。

④基于橡膠瀝青膠漿低溫蠕變勁度和灰關(guān)聯(lián)分析，粉膠比影響最大，其次是橡膠粉摻量；綜合考慮，建議粉膠比不宜大于1.2，膠粉摻量22%，膠粉細(xì)度為20目。

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(責(zé)任編輯唐漢民梁碧芬)

收稿日期：2016-01-11；

修訂日期：2016-01-21

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578076)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(310831161019)

通訊作者：徐鷗明(1979—),男,安徽巢湖人，長(zhǎng)安大學(xué)副教授, 博士，博士后；E-mail: omxu@chd.edu.cn。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0651

中圖分類號(hào)：U415.75

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-7445(2016)03-0651-07

Gray relationship analysis of the low-temperature rheological properties of asphalt rubber mortar

XU Ou-ming1,2, HOU De-hua1,2, WANG Shi-heng1,2, WEI Ying3

(1.Engineering Research Center of Transportation Materials，Ministry of Education，Chang’an University，Xi’an 710061，China； 2.School of Materials Science and Engineering，Chang’an University,Xi’an 710061, China； 3.Xi’an Highway Research Institute, Xi’an 710054, China)

Abstract：In order to evaluate the effect of different factors on the low-temperature rheological properties of asphalt rubber mortar, creep stiffness modules and creep rate of asphalt rubber mortars with three types of crumb rubber dosage, three types of size, and eight types of mass ratio of filler/asphalt (0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, and 1.4) were studied by using bending beam rheometer. Based on the gray theory, the gray relationship of size, dosage, and mass ratio of filler/asphalt were acquired. The results show that the creep stiffness modules decrease with the increase of addition content of crumb rubber. While the creep rate increases with the increase of dosage of crumb rubber. And the size of 20-mesh crumb rubber has the lowest creep stiffness module and the highest creep rate. It can also be found that the low-temperature cracking resistance of asphalt rubber mortar decreases with the increase of mass ratio of filler/asphalt. In view of the low-temperature rheological properties of asphalt rubber mortar, the mass ratio of filler/asphalt should be less than 1.2, and the 22% addition and 20-mesh crumb rubber are recommended.

Key words:road engineering; asphalt rubber; mortar; mass ratio of filler/asphalt; creep stiffness; creep curve slope; gray relationship

引文格式：徐鷗明，侯德華，王士珩,等.橡膠瀝青膠漿低溫流變特性灰關(guān)聯(lián)分析[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(3)：651-657.