橡膠瀝青的動態(tài)剪切流變性能影響因素分析

支鵬飛， 馮小偉， 張新雨

(1.甘肅省道路材料工程實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730050； 2.甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730050)

橡膠瀝青的動態(tài)剪切流變性能影響因素分析

支鵬飛1,2， 馮小偉1， 張新雨1

(1.甘肅省道路材料工程實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730050； 2.甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730050)

橡膠瀝青中由于廢胎膠粉顆粒的存在，使得橡膠瀝青的性能與基質(zhì)瀝青及其它類型的改性瀝青有很大的區(qū)別，按SHRP指標(biāo)評定的高溫性能與膠結(jié)料的實(shí)際性能有較大出入。為此，選取用不同粒徑制造的橡膠瀝青、不同的瀝青膜厚度、不同的溫度、不同性能的橡膠瀝青(原樣、RTFOT樣、PAV樣)，進(jìn)行橡膠瀝青的動態(tài)剪切流變參數(shù)—瀝青相位角δ、復(fù)數(shù)剪切模量G*、車轍因子G*/sinδ的分析研究。結(jié)果表明上述廢胎膠粉的粒徑、瀝青膜厚度、溫度對橡膠瀝青的流變性能有較大影響，不同性能橡膠瀝青(原樣、RTFOT樣、PAV樣)的流變參數(shù)變化較小。得到的成果能為橡膠瀝青高溫性能的評價(jià)提供借鑒。

橡膠瀝青； 動態(tài)剪切流變； 粒徑； 瀝青膜厚度； 變異系數(shù)

0 引言

橡膠瀝青作為一種特殊的粘彈性材料，有著比其它類型的瀝青材料更為復(fù)雜的高溫流變特性，在抵抗路面高溫變形的過程中發(fā)揮著重要作用。目前，我國對橡膠瀝青高溫動態(tài)剪切流變性能方面的研究還相對較少。橡膠瀝青膠結(jié)料是一種較典型的溫感性材料，不同溫度時(shí)性能不同，而且在材料相同，不同制作工藝下橡膠瀝青膠結(jié)料的路用性能差別很大。溫度較低時(shí)，橡膠瀝青的流動性降低，粘度增大，在極低氣溫下會顯示出較強(qiáng)的彈性性質(zhì)和明顯的脆性；溫度較高時(shí)，橡膠瀝青的粘度降低，彈性也降低，表現(xiàn)出明顯的塑性流動，這也是導(dǎo)致橡膠瀝青路面在高溫下車轍形成的主要原因之一；常溫條件下，橡膠瀝青是一種較典型的粘彈性結(jié)合體，其性能隨著儀器加載時(shí)間和溫度的變化而變化[1-4]。SHRP計(jì)劃開發(fā)的動態(tài)剪切流變儀(DSR)綜合考慮了加載情況和溫度對膠結(jié)料性能的影響，通過試驗(yàn)確定橡膠瀝青的相位角δ、復(fù)數(shù)模量G*，并計(jì)算G*/sinδ來評價(jià)橡膠瀝青膠結(jié)料的高溫性能[5]。

目前，在橡膠瀝青廣泛研究及應(yīng)用于工程建設(shè)中的大背景下，對瀝青的高溫流變性能的研究顯得很有意義[6]。但是用美國SHRP計(jì)劃評價(jià)瀝青膠結(jié)料高溫動態(tài)剪切流變性能的方法來評價(jià)橡膠瀝青卻使得試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況有很大的出入。首先，橡膠瀝青里由于膠粉顆粒的存在而使得其彈性大大增加，線粘彈性區(qū)間范圍增大；其次，膠粉的存在使得原動態(tài)剪切流變試驗(yàn)中瀝青膜厚度1 mm在橡膠瀝青試驗(yàn)中捉襟見肘，試驗(yàn)結(jié)果的誤差也在不斷的增大。因此，筆者認(rèn)為通過對影響橡膠瀝青動態(tài)剪切流變性能因素的研究來更客觀、實(shí)際的評價(jià)橡膠瀝青的高溫性能很有必要性。

1 試驗(yàn)簡介

1.1 試驗(yàn)理論介紹

參考普通瀝青膠結(jié)料的動態(tài)剪切流變試驗(yàn)，本部分試驗(yàn)在10 rad/s的角速度下測定橡膠瀝青的相位角δ、復(fù)數(shù)模量G*，并通過計(jì)算車轍因子G*/sinδ來評價(jià)橡膠瀝青膠結(jié)料的高溫性能。同一溫度下，車轍因子越大，瀝青抵抗變形的能力也越大，高溫穩(wěn)定性能也就越好[7]。

相位角δ是作用在膠結(jié)料上的應(yīng)力和由此產(chǎn)生應(yīng)變間的時(shí)間滯后，是不可恢復(fù)的變形量與可恢復(fù)的變形量的相對指標(biāo)。對于純彈性體，在外荷載作用下，將產(chǎn)生相應(yīng)的變形，此時(shí)相位角δ為0°；而對于完全粘性體，相位角δ則為90°[8]。對于橡膠瀝青膠結(jié)料，則處于粘性和彈性之間，為粘彈性綜合體，相位角在0°～90°之間。復(fù)數(shù)剪切模量G*是橡膠瀝青在重復(fù)剪切變形作用下產(chǎn)生的阻力的度量，以全剪應(yīng)力(τmax-τmin)與全剪應(yīng)變(γmax-γmin)的比值來表示，G*值包含了彈性和粘性兩部分[9]。

考慮到橡膠瀝青在鋪筑過程中的短期老化和使用過程中由于氣候及交通荷載作用下產(chǎn)生的老化，其流變性能也會發(fā)生變化，直接影響到混合料的路用性能。為了對上述性能進(jìn)行分析，本文除采用原樣橡膠瀝青樣進(jìn)行分析外，還采用模擬短期老化的RTFOT樣和長期老化的PAV樣來分析橡膠瀝青的動態(tài)剪切流變性能。

1.2 原材料

試驗(yàn)所用的橡膠瀝青是由陜西長大華礎(chǔ)工程材料科技股份有限公司生產(chǎn)的30目、40目80目廢胎膠粉，SK — 90號基質(zhì)瀝青通過20%摻量、190 ℃反應(yīng)溫度、60 min反應(yīng)時(shí)間、高速攪拌的條件下制備的，RTFOT和PAV均按標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)進(jìn)行，其中PAV試驗(yàn)溫度選取110 ℃，樣品各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 試驗(yàn)用橡膠瀝青技術(shù)性能表Table1 Thetechnicalparameterstableofasphaltrubber橡膠瀝青180℃旋轉(zhuǎn)黏度/(Pa·s)彈性恢復(fù)/%25℃針入度/(0．1mm)軟化點(diǎn)/℃5℃延度/cm30目樣2．11465．644．966．810．040目樣2．86268．643．767．710．880目樣3．38670．050．468．611．040目RTFOT樣2．90168．743．068．210．540目PAV樣2．43163．541．570．49．2

1.3 試驗(yàn)方法

將按上面生產(chǎn)工藝制作的30目、40目、80目橡膠瀝青樣分別進(jìn)行溫度52、58、64、70、76、82、88 ℃以及瀝青膜厚度0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm的動態(tài)剪切流變試驗(yàn)，將40目橡膠瀝青和40目RTFOT老化樣以及40目PAV老化樣進(jìn)行瀝青膜厚度2.0 mm的動態(tài)剪切流變試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 膠粉粒徑對動態(tài)剪切流變參數(shù)的影響

從影響橡膠瀝青性能因素來看，目數(shù)對其各方面性能的影響都是顯著的。橡膠瀝青在高溫下是一種黏度較高的混合體，廢胎膠粉在瀝青中是分散的，一般目數(shù)越大，越容易分散，與瀝青的反應(yīng)也就越充分。按照設(shè)計(jì)，本文選取同等條件下制備的30、40、80目橡膠瀝青在溫度82 ℃、瀝青膜厚度2.0 mm的條件下進(jìn)行動態(tài)剪切流變試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

表2 不同粒徑的橡膠瀝青在規(guī)定條件下的動態(tài)剪切流變參數(shù)Table2 ThedifferentparticlesizeofasphaltrubberDSRparametersunderspecifiedconditions30目橡膠瀝青40目橡膠瀝青80目橡膠瀝青相位角(δ)80．2178．9475．31復(fù)數(shù)剪切模量(G?)95410171258車轍因子(G?/sinδ)0．9681．0361．301

可以看出: 廢胎膠粉對瀝青高溫性能的改性效果是非常明顯的，按照美國SHRP計(jì)劃里的PG分級標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)中的橡膠瀝青高溫分級比基質(zhì)瀝青提高了至少三級，其提高幅度不亞于當(dāng)前國內(nèi)外最常用的SBS改性瀝青。從上面的數(shù)據(jù)還可知，在溫度一定，瀝青膜厚度一定的條件下，隨著橡膠瀝青中廢胎膠粉粒徑從30目到80目變細(xì)，橡膠瀝青的相位角δ逐漸變小，復(fù)數(shù)剪切模量G*逐漸增大，車轍因子G*/sinδ逐漸增大，說明80目橡膠瀝青在該條件下的彈性性能表現(xiàn)的最強(qiáng)，因而抵抗變形的能力也最強(qiáng)。這種現(xiàn)象可以理解為，隨著廢胎膠粉粒徑變小，在與瀝青的反應(yīng)過程中溶脹進(jìn)行的更徹底，期間的化學(xué)反應(yīng)也更多，形成的瀝青—廢胎膠粉網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)物也更多，彈性性能表現(xiàn)的更充分[10，11]，因而相位角δ更小，車轍因子G*/sinδ更大。

2.2 瀝青膜厚度對動態(tài)剪切流變參數(shù)的影響

瀝青薄膜的厚度對膠結(jié)料高溫動態(tài)剪切流變性能具有較大影響。為了深入研究橡膠瀝青薄膜厚度對動態(tài)剪切流變性能的影響，本部分選取按照前面生產(chǎn)工藝制造的30目、40目、80目橡膠瀝青樣品，在溫度82 ℃下，分別在橡膠瀝青膜厚度0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm的條件下分析其動態(tài)剪切流變性能，如圖1，圖2。

圖1 橡膠瀝青膜厚度對相位角的影響Figure 1 The influence of rubber asphalt film thickness to phase angle

圖2 橡膠瀝青膜厚度對車轍因子的影響Figure 2 The influence of rubber asphalt film thickness to rut factor

從上圖可知: 隨著橡膠瀝青膜厚度從0.5 mm到2.5 mm增加，無論是30目、40目還是80目橡膠瀝青，其相位角的變化趨勢基本都是先減后增，薄膜厚度2.0 mm為其極小值點(diǎn)，粘彈性表征上說明隨著瀝青膜厚度增加，其彈性逐漸增加，在厚度2.0 mm時(shí)彈性表征的最強(qiáng)，其后粘性開始增強(qiáng)。其它條件相同情況下，幾種不同粒徑的相位角δ的大小規(guī)律是30目>40目>80目，說明等同條件下80目橡膠瀝青的彈性最強(qiáng)，30目橡膠瀝青的粘性最強(qiáng)。

橡膠瀝青膜厚度對車轍因子G*/sinδ的影響和對相位角δ的影響恰好相反，隨著橡膠瀝青膜厚度增加，30目、40目、80目橡膠瀝青車轍因子G*/sinδ的變化規(guī)律均是先增后減，在2.0 mm處達(dá)到極大值。同等條件下，車轍因子越大，橡膠瀝青抵抗變形的能力越強(qiáng)，性能也就越優(yōu)越。但在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，隨著瀝青膜厚度的變化，結(jié)果出現(xiàn)的誤差也有較大的變化，就試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的誤差歸納見圖3。

圖3 試驗(yàn)過程中的變異系數(shù)隨瀝青膜厚度的變化情況Figure 3 The variation coefficient changes with the film thickness of the asphalt during the test

與相位角δ的變化規(guī)律相近，30目、40目和80目橡膠瀝青的變異系數(shù)均是先減后增，2.0 mm厚度為一分界點(diǎn)，也就是說在2.0 mm厚度時(shí)各粒徑的橡膠瀝青動態(tài)剪切流變試驗(yàn)產(chǎn)生的誤差最小?？v向比較，80目橡膠瀝青試驗(yàn)的變異系數(shù)最小，30目最大。上述變異系數(shù)產(chǎn)生的規(guī)律可以理解為，在瀝青膜厚度較小時(shí)，試驗(yàn)時(shí)由于膠粉顆粒的支托作用使得試驗(yàn)的偶然誤差驟增，后隨瀝青膜厚度增大而減少。而當(dāng)瀝青膜厚度增加到2.5 mm時(shí)，由于刮膜等一系列試驗(yàn)操作中產(chǎn)生的不可避免的誤差增大，變異系數(shù)也就隨之增大。

綜上，選取膜厚度2.0 mm進(jìn)行橡膠瀝青的動態(tài)剪切流變性能試驗(yàn)是最為適宜的，在此厚度下膠結(jié)料的相位角δ最小，彈性性能凸顯；車轍因子最大，抵抗變形的能力最強(qiáng)；產(chǎn)生的誤差最小，易于試驗(yàn)操作和分析。

2.3 溫度對動態(tài)剪切流變參數(shù)的影響

與其它類型的瀝青一樣橡膠瀝青也是一種感溫性的典型的粘、彈、塑性綜合體，在低溫小變形范圍內(nèi)接近現(xiàn)彈性體，在高溫大變形范圍內(nèi)表現(xiàn)為粘塑性體，而在通常溫度的過渡范圍內(nèi)則為一般粘彈性體。本部分選取52、58、64、70、76、82、88 ℃不同的溫度進(jìn)行30目、40目、80目橡膠瀝青動態(tài)剪切流變性能的分析，結(jié)果見圖4。

圖4 車轍因子隨溫度的變化情況Figure 4 Rutting factor changes with temperature

從上圖可以看出: 無論那種粒徑的橡膠瀝青其車轍因子G*/sinδ均是溫度的敏感性參數(shù)，溫度越高，橡膠瀝青的粘性越大，彈性越小，也就是車轍因子越小。對上述30目、40目、80目橡膠瀝青隨溫度變化的車轍因子進(jìn)行指數(shù)回歸，發(fā)現(xiàn)車轍因子均是溫度的相關(guān)系數(shù)R2在0.99以上的函數(shù)，其中80目橡膠瀝青的車轍因子G*/sinδ隨溫度的變化更為敏感，30目的G*/sinδ最為遲鈍。

2.4 老化作用對動態(tài)剪切流變參數(shù)的影響

由于制作出來的橡膠瀝青在生產(chǎn)和服務(wù)周期內(nèi)都要不可避免經(jīng)過短期老化和長期老化，為了對其性能進(jìn)行研究，本部分將40目橡膠瀝青分別進(jìn)行RTFOT老化(老化溫度選擇為183 ℃)和RTFOT老化后的PAV老化，模擬其老化性能。然后將40目原樣橡膠瀝青、RTFOT老化樣、PAV老化樣進(jìn)行動態(tài)剪切流變試驗(yàn)，參數(shù)見表3。

從表3可以看出: RTFOT老化后和PAV老化后其動態(tài)剪切流變參數(shù)的變化為：RTFOT老化后的相位角δ小于原樣橡膠瀝青的相位角，PAV老化后的相位角64 ℃之前大于RTFOT樣，64 ℃之后小于RTFOT樣。相位角δ減小，說明橡膠瀝青內(nèi)部彈性成分增強(qiáng)，粘性部分減弱，抵抗剪切變形的能力增強(qiáng)[12-14]。與之相對應(yīng)的，PAV老化后車轍因子最大，RTFPT次之，原樣橡膠瀝青最小。這也反應(yīng)出了橡膠瀝青具有較好的荷載響應(yīng)能力，在高溫低頻(10 rad/s)下具有較低的相位角，因而表現(xiàn)出更好的抗車轍能力。但總體來看，橡膠瀝青在老化前后性能隨溫度的變化趨勢基本相同，變化幅度也不大，再次證明了橡膠瀝青具有優(yōu)良的抗疲勞老化能力。

表3 原樣和老化作用下的橡膠瀝青動態(tài)剪切流變參數(shù)比較Table3 ThecomparisonoforiginalandagingasphaltrubberDSRparameters試驗(yàn)溫度T/℃原樣橡膠瀝青RTFOT樣PAV樣δG?G?/sinδδG?G?/sinδδG?G?/sinδ5263．671589017．7360．812020023．1361．853028034．345866．0189819．83062．161154013．0562．571660018．706469．1050975．45664．3966687．39463．71934910．437072．3128913．03567．1939314．26565．3454105．9537675．0017171．77769．9323552．50867．2031763．4458278．9410171．03672．4114461．51669．4818752．0028878．90630．10．64274．51929．40．96471．1011811．249

3 結(jié)論

本文通過對影響橡膠瀝青動態(tài)剪切流變性能參數(shù)的試驗(yàn)研究，通過理論介紹與試驗(yàn)結(jié)果，主要得到如下結(jié)論：

① 廢胎膠粉粒徑對橡膠瀝青動態(tài)剪切流變參數(shù)的影響是顯著的，粒徑越小，相同試驗(yàn)條件下得到的相位角δ就越小，車轍因子G*/sinδ越大。說明廢胎膠粉粒徑越小的橡膠瀝青抵抗剪切變形的能力就越強(qiáng)。

② 橡膠瀝青膜厚度對動態(tài)剪切流變性能的影響體現(xiàn)在，隨著瀝青膜厚度從0.5 mm到2.5 mm變化，各粒徑橡膠瀝青的相位角δ基本上都呈先減后增的變化趨勢，2.0 mm為其極小值點(diǎn)；車轍因子呈先增后減的趨勢，2.0 mm為其極大值點(diǎn)，說明隨著膜厚度增加，試驗(yàn)得到的橡膠瀝青的彈性成分是先增后減的趨勢。且在膜厚度為2.0 mm時(shí)試驗(yàn)誤差也最小，因此，建議在進(jìn)行橡膠瀝青動態(tài)剪切流變試驗(yàn)時(shí)取膜的厚度為2.0 mm。

③ 橡膠瀝青是一種溫感型材料，溫度越高，其粘性成分表現(xiàn)的越突出，彈性成分越弱，車轍因子G*/sinδ隨溫度T基本呈指數(shù)函數(shù)的規(guī)律變化。

④ RTFOT和PAV老化后，橡膠瀝青的相位角δ變小，車轍因子G*/sinδ變大，但老化前后其性能隨溫度的變化趨勢總體基本相同，變化幅度也不大，再次證明了橡膠瀝青具有優(yōu)良的抗疲勞老化能力。

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Research on the Dynamic Shear Rheologic Properties and Influencing Factors of Asphalt Rubber

ZHI Pengfei1,2, FENG Xiaowei1, ZHANG Xinyu1

(1.GanSu Provincial Engineering Laboratory For Road Materials，Lanzhou, Gansu 730050， China； 2.Gansu Provincial Transportation Research Institute Co., Ltd, Lanzhou, Gansu 730050，China)

Due to the exist of rubber powder in asphalt rubber, makes asphalt rubber performance are very different from base asphalt and other types of modified asphalt, and its high temperature performance in SHRP plan has great gap with the actual performance of cement. In this paper, by selecting different size of rubber asphalt, different thickness of asphalt film, different temperatures, different properties of asphalt rubber (original sample, RTFOT sample, PAV sample), testing its Dynamic Shear Rheologic parameters-asphalt phase angleδ, complex shear modulusG*,andrutfactorG*/sinδ, as well as analysis its performance. The results show that the rubber powder, thickness of asphalt film, temperatures has a great influence to Dynamic Shear Rheologic parameters, different properties of rubber asphalt (original sample, RTFOT sample, PAV sample) has small changes in rheological parameters. The fruit can provide a reference for the evaluation of high-temperature performance of rubber asphalt.

asphalt rubber； dynamic shear rheologic； particle size；a sphalt film thickness； coefficient of variation

2016 — 01 — 29

甘肅省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(1305TCYA024)

支鵬飛(1982 — )，男，陜西寶雞人，碩士，主要從事道路方面的研究工作。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0107 — 05