橡膠瀝青的低溫應(yīng)力松弛特性

韓麗麗 韓紅紅 鄭木蓮

(陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路與鐵道工程學(xué)院1) 西安 710018)(長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程重點實驗室2) 西安 710064) (華邦建設(shè)投資集團(tuán)有限公司3) 廣州 510030)

0 引 言

低溫開裂是瀝青路面最常見的病害之一，主要原因在于低溫下瀝青黏結(jié)料變脆變硬、應(yīng)力松弛能力降低.因此，合理科學(xué)地評價瀝青結(jié)合料的低溫性能對認(rèn)識瀝青混合料抗裂性能至關(guān)重要.橡膠瀝青已成為近年來應(yīng)用較廣泛的改性瀝青技術(shù)之一，具有良好的高溫抗變形性能和耐疲勞開裂能力，還能充分消化汽車工業(yè)產(chǎn)生的大量廢棄輪胎，是一種可持續(xù)發(fā)展的改性瀝青技術(shù)[1-2].橡膠瀝青是由膠粉和基質(zhì)瀝青在高溫下共混得到的熱力學(xué)不相容的共混體系，盡管在國內(nèi)外工程中已得到大量應(yīng)用，但由于膠粉和基質(zhì)瀝青物理性質(zhì)的差異、膠粉在基質(zhì)瀝青中溶脹反應(yīng)的復(fù)雜性等因素，目前尚未開發(fā)出有效的路用性能試驗與評價方法，對橡膠瀝青仍采用同聚合物改性瀝青相同的方法進(jìn)行路用性能評價.

我國現(xiàn)行規(guī)范仍采用延度指標(biāo)評價低溫時橡膠瀝青的抗裂性能，采用延度指標(biāo)評價橡膠瀝青低溫性能，具有很強(qiáng)的經(jīng)驗性，在理論依據(jù)、試驗溫度等方面存在局限性.橡膠瀝青屬于黏彈性材料，基于黏彈性理論科學(xué)地表征其應(yīng)力松弛特性對評價橡膠瀝青低溫抗裂性能具有重要意義[3-4].應(yīng)力松弛試驗是給試樣施加恒定應(yīng)變，測定應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律，是評價材料黏彈性質(zhì)的一種重要方法.由于低溫時瀝青性質(zhì)硬脆，直接施加應(yīng)變做應(yīng)力松弛試驗比較困難，因此本研究借助BBR彎曲蠕變試驗，測定了三種橡膠瀝青的彎曲蠕變勁度，基于黏彈性力學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)擬合，預(yù)估得到不同橡膠瀝青的應(yīng)力松弛函數(shù)，以評價其低溫應(yīng)力松弛特性.此外，還分析了橡膠瀝青低溫黏彈性參數(shù)與常規(guī)低溫性能指標(biāo)之間的關(guān)系.

1 Zener模型及應(yīng)力松弛函數(shù)

1.1 Zener模型

Zener模型又稱標(biāo)準(zhǔn)線性固體模型，由一個Kelvin-Voight單元(一個彈簧和一個黏壺并聯(lián))和一個彈簧串聯(lián)而成，見圖1.

圖1 Zener模型示意圖

該模型的應(yīng)變、應(yīng)力為

利用Laplace變換、逆變換可推導(dǎo)得出其本構(gòu)方程為[5]

(1)

其中模型參數(shù)分別為

式中：p1為Zener模型的松弛時間，表達(dá)了模型在恒定變形下，勢能消失時間的長短，對材料變形具有決定性影響.彈性固體無應(yīng)力松弛現(xiàn)象，高黏度流體松弛時間較長.黏彈性材料黏度越小，松弛時間越短.

1.2 應(yīng)力松弛函數(shù)

應(yīng)力松弛和蠕變試驗是反映材料靜態(tài)黏彈特性的兩類重要試驗.應(yīng)力松弛試驗是對試樣施加恒定應(yīng)變，研究材料內(nèi)部應(yīng)力隨時間逐漸衰減的現(xiàn)象.研究材料應(yīng)力松弛特性時，常定義松弛模量E(t)為

應(yīng)力松弛試驗中施加的恒定應(yīng)變?yōu)棣?t)=ε0H(t)，ε0為初應(yīng)變，H(t)為Heaviside函數(shù).

將ε(t)=ε0H(t)代入Zener模型本構(gòu)方程(1)，并進(jìn)行Laplace變換得到：

(2)

式中：s為Laplace變換變量.

對式(2)再取逆變換,解得應(yīng)力為

根據(jù)松弛模量的定義，有：

圖2 Zener模型的應(yīng)力松弛曲線

2 材料與試驗方案

2.1 原材料

試驗所用基質(zhì)瀝青為中海70#道路瀝青，膠粉為山東產(chǎn)的細(xì)度為380 μm路用廢胎硫化膠粉，相對密度1.16，橡膠烴含量≥48%，膠粉顆粒級配見表1.用于橡膠瀝青改性的納米材料為山東某公司生產(chǎn)納米粉末A，粒徑80 nm，比表面積20-45 m2/g，F(xiàn)e2O3含量<1%，燒失量<8%.

表1 試驗所用膠粉的顆粒級配

2.2 改性瀝青制備

橡膠瀝青樣本為采用濕法Terminal blend工藝的低黏度膠粉改性瀝青，其具體制備工藝見文獻(xiàn)[6].其中對照組樣本為膠粉摻量10%的橡膠瀝青，另外兩組改性瀝青樣本為納米材料增韌的橡膠瀝青，膠粉摻量、納米材料摻量分別為8%+4%及8%+6%.

2.3 低溫性能試驗

橡膠瀝青屬于黏彈性材料，研究其低溫應(yīng)力松弛特性對合理評價瀝青抗裂性能具有重要意義.應(yīng)力松弛試驗是給試樣施加恒定應(yīng)變，測定應(yīng)力隨時間的變化.由于低溫時瀝青性質(zhì)硬脆，施加應(yīng)變較困難，因此本研究借助BBR彎曲蠕變試驗[7]，測定了三種橡膠瀝青的彎曲蠕變勁度(試驗溫度-18和-24 ℃)，然后基于黏彈性力學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)擬合，預(yù)估得到不同橡膠瀝青的應(yīng)力松弛函數(shù)，以評價其低溫應(yīng)力松弛特性.此外，還測定了上述試樣的5 ℃延度、25 ℃彈性恢復(fù)率，以考察橡膠瀝青低溫黏彈性參數(shù)與常規(guī)低溫性能指標(biāo)之間的關(guān)系.

3 橡膠瀝青低溫黏彈性參數(shù)擬合

改性瀝青為典型黏彈性體，高溫時接近牛頓流體，低溫時性質(zhì)更接近于彈性固體.有研究者采用Burgers模型對瀝青材料BBR試驗結(jié)果進(jìn)行擬合，Burgers模型是黏彈性流體模型，盡管與蠕變曲線擬合度較高，但在表征負(fù)溫下瀝青應(yīng)力松弛特性時，其穩(wěn)態(tài)松弛模量趨于零，即應(yīng)力完全松弛，這與材料在試驗中表現(xiàn)出的變形特性不符.BBR試驗溫度很低，在極低溫度下瀝青表現(xiàn)出黏彈性固體特性，即穩(wěn)態(tài)松弛模量趨于一個非零的有限值，因此采用固體模型表征BBR試驗中橡膠瀝青的應(yīng)力松弛特性更符合實際情況.

本研究采用采用Zener黏彈性固體模型評價橡膠瀝青的應(yīng)力松弛特性，為了驗證模型對試驗數(shù)據(jù)的吻合性，采用Zener模型對蠕變曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖3.由圖3可知，Zener模型對橡膠瀝青BBR蠕變數(shù)據(jù)擬合度很高，擬合系數(shù)0.991 4，因此可用其預(yù)估橡膠瀝青的應(yīng)力松弛特性.

圖3 橡膠瀝青低溫蠕變曲線

為了得到橡膠瀝青低溫黏彈性參數(shù)，采用BBR試驗測得三組橡膠瀝青試樣的低溫蠕變曲線，見圖4.基于Zener固體模型的蠕變函數(shù)，對試驗蠕變曲線進(jìn)行非線性擬合，得到不同橡膠瀝青的低溫黏彈性參數(shù)p1，q0，q1，作為評價應(yīng)力松弛特性的依據(jù).

圖4 橡膠瀝青低溫蠕變曲線

圖4表明溫度對橡膠瀝青低溫彎曲蠕變?nèi)崃坑绊戄^為顯著，溫度越低，蠕變?nèi)崃吭叫?其次，在溫度相同時，兩組摻加納米材料的橡膠瀝青蠕變?nèi)崃柯孕∮谖唇?jīng)納米增韌的橡膠瀝青試樣，且納米摻量對蠕變?nèi)崃坑绊懖幻黠@，這主要是由于兩組膠粉+納米改性瀝青試樣膠粉摻量低于對照組造成.事實上，橡膠瀝青彈性主要來源于顆粒較粗、彈性較好的膠粉顆粒.且膠粉含量越高，彈性越好，蠕變?nèi)崃吭酱?摻入的納米尺度增韌材料主要從微觀角度對膠粉-基質(zhì)瀝青共混體系的相態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用.圖4說明，納米摻量變化對柔量的影響不及膠粉摻量變化的影響顯著.

基于線性黏彈性理論，利用Zener模型蠕變函數(shù)關(guān)系，對三組橡膠瀝青樣本BBR試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合進(jìn)而得到不同溫度、不同橡膠瀝青樣本的低溫黏彈性參數(shù)p1，q0，q1，見表2.

表2 橡膠瀝青低溫黏彈性參數(shù)

由表2可知，溫度對三個黏彈性參數(shù)影響較顯著.溫度越低，同一瀝青試樣的松弛時間p1值越大，表示應(yīng)力松弛速率越慢.黏彈性原理認(rèn)為松弛時間表征了材料在應(yīng)力松弛試驗中從初始時刻開始到大部分應(yīng)力已經(jīng)衰減經(jīng)過的時間.松弛時間由材料性質(zhì)決定.一般而言，理想彈性固體不發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象.黏彈性流體黏度越小，松弛時間越短，松弛速率越快.高黏度流體松弛時間較長.就本文橡膠瀝青樣本而言，在改性方案和改性劑用量一定時，溫度越低，松弛時間越長，瀝青越硬越脆，性質(zhì)越接近彈性固體，路面內(nèi)部由于溫度降低而產(chǎn)生的收縮應(yīng)力松弛過程越緩慢，因此潛在的開裂風(fēng)險越大.表2數(shù)據(jù)說明:松弛時間可以用來定量評價橡膠瀝青的低溫彈性和抗開裂性能.

表2還表明:在橡膠瀝青樣本中摻加納米材料對其應(yīng)力松弛特性有一定影響.在兩種溫度條件下，摻加納米材料增韌后，松弛時間均顯著降低，說明橡膠瀝青黏性韌性增加.作者前期研究證明在橡膠瀝青中摻加納米材料后，其高溫性能指標(biāo)均有所改善，本文試驗數(shù)據(jù)表明納米材料不僅會改善高溫路用性能，還會降低橡膠瀝青低溫應(yīng)力松弛時間，如果應(yīng)用在寒冷地區(qū)瀝青路面，可減輕路面潛在開裂的風(fēng)險.

4 橡膠瀝青低溫應(yīng)力松弛函數(shù)預(yù)估

瀝青材料的低溫應(yīng)力松弛特性與瀝青混合料抗開裂性能有一定關(guān)聯(lián)[8]，因此研究應(yīng)力松弛特性有助于更好地評價瀝青的低溫路用性能.由于目前規(guī)范尚未推薦瀝青材料應(yīng)力松弛試驗方法，大部分國家采用BBR低溫彎曲蠕變試驗來評價瀝青的低溫抗開裂性能.因此本文基于線性黏彈性理論，利用BBR試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)Zener模型預(yù)估了橡膠瀝青的應(yīng)力松弛曲線.

圖5 不同溫度下橡膠瀝青預(yù)估應(yīng)力松弛曲線

有研究者采用Burgers模型對瀝青BBR試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計算，根據(jù)PG瀝青性能規(guī)范要求，BBR實驗溫度較低，多在-12～-24 ℃，甚至更低.在負(fù)溫下，基質(zhì)瀝青及改性瀝青彈性固體效應(yīng)非常明顯，采用流體模型如Maxwell模型、Burgers模型評價其低溫黏彈性有一定的缺陷：因為流體模型應(yīng)力是完全松弛的，其穩(wěn)態(tài)松弛模量趨于零.圖5預(yù)測結(jié)果說明:橡膠瀝青穩(wěn)態(tài)松弛模量是一個非零值，因此采用Zener固體模型評價低溫應(yīng)力松弛特性更符合瀝青材料在BBR試驗中的變形特性.

5 松弛時間與延度、彈性回復(fù)率的相關(guān)性分析

我國現(xiàn)行規(guī)范仍采用延度指標(biāo)評價低溫時基質(zhì)瀝青與改性瀝青的抗裂性能.對基質(zhì)瀝青通常測定10、15 ℃延度，測定結(jié)果不得小于規(guī)范規(guī)定值；對聚合物改性瀝青，則測定5 ℃延度，測定值不得小于規(guī)定值.延度指標(biāo)實質(zhì)上表達(dá)了瀝青在低溫拉伸時的延展能力，采用延度指標(biāo)評價瀝青低溫性能存在以下缺點：①試驗方法及評價指標(biāo)具有很強(qiáng)的經(jīng)驗性，無明確的理論依據(jù)；②限于試驗方法，延度測試溫度一般在零度以上，目前最低可做到4 ℃，若溫度再低試樣非常硬脆，延度值無法測定；③延度指標(biāo)不容易區(qū)分不同瀝青改性劑間的差異.

基于黏彈性理論采用松弛時間表征橡膠瀝青的低溫抗裂性能，物理力學(xué)意義明確、試驗溫度與路面低溫開裂溫度接近，且能明顯區(qū)分不同改性方案之間的差異.為了分析松弛時間與常規(guī)物理性質(zhì)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)性，圖6以10%膠粉摻量的橡膠瀝青為例，給出了基于BBR試驗預(yù)估的松弛時間與5 ℃延度、25 ℃彈性恢復(fù)率之間的相關(guān)性分析結(jié)果.分析表明：松弛時間與延度之間無明顯相關(guān)性，進(jìn)一步證明延度指標(biāo)無法準(zhǔn)確反映橡膠瀝青的低溫黏彈性能.圖6還給出了25 ℃彈性回復(fù)率與松弛時間的相關(guān)關(guān)系，分析表明二者存在較好的線性關(guān)系，且松弛時間越長，彈性恢復(fù)率越大.

圖6 橡膠瀝青松弛時間與低溫指標(biāo)相關(guān)性

6 結(jié) 論

1)橡膠瀝青摻入納米材料后，蠕變?nèi)崃柯孕∮谖磽皆嚇?，且納米摻量對柔量的影響不及膠粉摻量顯著.

2)用松弛時間表征橡膠瀝青低溫抗裂性，力學(xué)意義明確、試驗溫度與路面開裂溫度接近，能區(qū)分不同改性方案之間的差異.

3)橡膠瀝青穩(wěn)態(tài)松弛模量是一個非零值，溫度越低，橡膠瀝青瞬時松弛模量越大，穩(wěn)態(tài)松弛模量也越高，松弛時間越長，彈性固體效應(yīng)越顯著.

4)松弛時間與延度之間無相關(guān)性，證明延度無法反映橡膠瀝青低溫黏彈性能；彈性回復(fù)率與松弛時間存在較好的線性相關(guān)性，且松弛時間越長，彈性恢復(fù)率越大.