橡膠粉改性瀝青路面抗車轍性能試驗(yàn)

劉新亞

（新疆那巴高速公路發(fā)展有限責(zé)任公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

一、序言

橡膠瀝青因良好的耐溫變性能、抗疲勞和抗滑性能等受到道路施工單位的高度關(guān)注[1]。把利用廢舊汽車輪胎生產(chǎn)的橡膠用于道路瀝青改性，不但賦予了瀝青更好的柔韌性，而且有利于環(huán)保，可二次利用[2]。許多學(xué)者嘗試將污染物廢橡膠與瀝青拌和制成橡膠改性瀝青，使得橡膠瀝青的拌和技術(shù)得到發(fā)展，考慮到熱拌技術(shù)施工過程中溫度過高、環(huán)境污染物排放嚴(yán)重的問題[3]，故采用溫拌技術(shù)制作的橡膠改性瀝青混合料，重點(diǎn)分析溫度降低條件下混合料的抗車轍性能[4,5]。

溫拌橡膠瀝青混合料是一種典型具備黏彈塑性的復(fù)合材料，其在常溫范圍內(nèi)為一般黏彈性體[6]，隨著荷載頻率升高和溫度降低，其靠近所謂的“玻璃態(tài)”呈現(xiàn)典型彈性特性；當(dāng)溫度升高和頻率降低，其又表現(xiàn)出明顯的黏性性質(zhì)。因此，溫拌橡膠瀝青混合料黏彈性顯著影響服役后的路用性能，尤其是高溫永久變形[7]。國(guó)內(nèi)研究者也探究了橡膠改性改性瀝青的施工工藝和溫拌性能[8,9]。橡膠改性瀝青對(duì)施工溫度要求不高，國(guó)內(nèi)研究者將其與SBS瀝青復(fù)合改性，取得了良好的效果[9]。

盡管國(guó)內(nèi)對(duì)橡膠粉改性瀝青研究較多，但多是針對(duì)橡膠粉改性瀝青的施工性能及與SBS改性瀝青的復(fù)合改性效果，較少關(guān)注其優(yōu)秀的高溫流變性，多采用常規(guī)指標(biāo)如針入度、軟化點(diǎn)、60℃動(dòng)力黏度等表征其高溫性能[10,11]。上述傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法用于工程實(shí)踐尚可，但用于科學(xué)研究往往不能準(zhǔn)確區(qū)分不同摻量改性瀝青的高溫流變性能的差別。室內(nèi)動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)不能完全反映真實(shí)路面行車過程中的車轍發(fā)生過程，為研究溫拌添加劑的摻入對(duì)橡膠SMA瀝青混合料（ARSMA-13型）的高溫變形發(fā)展過程的影響，本文擬通過不同溫度及不同圍壓條件下的單軸壓縮黏彈性蠕變?cè)囼?yàn)研究溫拌橡膠瀝青混合料與橡膠瀝青混合料的蠕變特性。

現(xiàn)有研究表明，表面活性類溫拌劑不會(huì)明顯改變?yōu)r青混合料的基本路用性能，而有機(jī)降黏型溫拌劑則能在一定程度上提高抗車轍能力[7]。因此，本文選取了一種有機(jī)降黏性溫拌劑代表產(chǎn)品Sasobit，著重分析有機(jī)降黏溫拌劑、加載溫度、加載時(shí)間與圍壓大小等因素對(duì)橡膠改性瀝青混合料蠕變應(yīng)變行為的影響，并采用通用黏彈性Burgers模型分析溫拌橡膠瀝青混合料的力學(xué)特性，評(píng)價(jià)溫拌橡膠瀝青混合料的實(shí)際路用性能。

二、瀝青的Burgers黏彈性本構(gòu)模型

Burgers黏彈性本構(gòu)模型能夠綜合反映瀝青和瀝青混合料等黏彈性材料的瞬時(shí)彈性變形、蠕變變形、蠕變恢復(fù)和應(yīng)力松弛四個(gè)力學(xué)行為特征，相較于其他黏彈性模型，如Maxwell、Kelvin等能夠在更大頻域范圍內(nèi)更近似地描述瀝青混合料的黏彈性能[12]。因此，本研究基于Burgers模型得到相關(guān)的黏彈模型參數(shù)來擬合橡膠改性瀝青混合料的黏彈性行為。Burgers模型的本構(gòu)模型如圖1左所示，典型的時(shí)間-應(yīng)力/應(yīng)變關(guān)系如圖1右所示。該模型的本構(gòu)方程如式（1）所示：

圖1 Burgers模型及其蠕變曲線

基于式（1），若在t＝0時(shí)刻，給整個(gè)模型系統(tǒng)輸入應(yīng)力σ0，通過求解微分方程得到Burgers模型，在初始應(yīng)力σ0下的蠕變行為方程為

在t＝t0時(shí)刻的卸載位置，則有

該模型中包括四個(gè)參數(shù)，即所謂的典型四參數(shù)Burgers模型。其中E1和E2為彈性系數(shù)，η1和η2為黏性系數(shù)。

其中E1為瞬時(shí)彈性模量，其大小反映了瞬時(shí)荷載作用下材料對(duì)抗變形行為能力；而η1則為材料在瞬時(shí)荷載作用后，產(chǎn)生的不可恢復(fù)的殘余變形的黏性系數(shù)，通過對(duì)比不同材料該值的大小，就可以判斷材料的抗變形能力[13]，它們共同組成了Maxwell元件。其中τt1=η1/E1稱為松弛時(shí)間，材料的松弛時(shí)間越長(zhǎng)則表明材料越接近理想彈性體[14]。

E2、η2則是在持久荷載作用下，材料的變形發(fā)展與恢復(fù)速度的黏彈性指標(biāo)，表征瀝青混合料的蠕變和延遲彈性能力。它們共同組成了Kelvin元件，其中τt2=η2/E2稱為延遲時(shí)間，是一個(gè)材料常數(shù)，本質(zhì)上反應(yīng)了Kelvin元件中黏性與彈性成分的比例大小，同時(shí)也可用來對(duì)比不同材料的延遲彈性特征，延遲時(shí)間越短，則說明材料越符合彈性變形的特性。

三、ARSMA混合料設(shè)計(jì)參數(shù)

本試驗(yàn)采用新疆石河子提供的玄武巖集料，根據(jù)溫拌ARSMA13混合料級(jí)配與體積指標(biāo)溫拌橡膠瀝青混合料設(shè)計(jì)與成型，出料溫度為180℃，實(shí)測(cè)空隙率為4%，且礦料間隙率≥18%，溫拌劑Sasobit摻量為2%，混合料的油石比為6.5%，通過穩(wěn)定性試驗(yàn)測(cè)得動(dòng)穩(wěn)定度為6750次/mm，設(shè)計(jì)級(jí)配如表1所示。

表1 ARSMA13合成級(jí)配

四、混合料高溫性能試驗(yàn)分析

（一）蠕變特性試驗(yàn)

對(duì)Sasobit溫拌改性橡膠瀝青混合料（SAR-SMA13）與非溫拌的橡膠瀝青混合料（AR-SMA13），在規(guī)定的不同溫度和不同圍壓水平條件下進(jìn)行單軸靜載壓縮蠕變?cè)囼?yàn)。試驗(yàn)參考《殼牌瀝青手冊(cè)》[15,16]推薦的單軸靜載壓縮蠕變?cè)囼?yàn)方法。

采用應(yīng)力控制模式加載試驗(yàn)，應(yīng)力水平設(shè)為0.1MPa，平行試驗(yàn)試件數(shù)3個(gè)；旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件尺寸為180mm×150mm，然后鉆芯取樣，芯樣試件尺寸為150mm×100mm；試驗(yàn)溫度分別取40℃、60℃；圍壓分別取0kPa、20kPa；蠕變時(shí)間為60min；試驗(yàn)采用簡(jiǎn)單性能試驗(yàn)機(jī)(簡(jiǎn)稱SPT)[17]。

（二）溫度對(duì)混合料蠕變特性的影響

溫拌橡膠改性瀝青混合料蠕變特征隨著溫度的改變而改變。在高溫環(huán)境下，溫拌橡膠瀝青混合料彈性減弱，而黏性提高。圖2顯示了不同溫度、無(wú)圍壓條件下溫拌橡膠瀝青混合料單軸靜載壓縮蠕變?cè)囼?yàn)得到的蠕變變形曲線。

圖2 不同溫度下單軸靜載壓縮蠕變

由圖2（a）可知：當(dāng)溫度為40℃時(shí)，在無(wú)圍壓條件下，Sasobit溫拌橡膠瀝青與橡膠瀝青混合料蠕變應(yīng)變均表現(xiàn)為隨時(shí)間增加而緩慢增加，但二者間的偏差總體不明顯，表明在此溫度下，Sasobit對(duì)橡膠瀝青混合料高溫性能提升有限，總體影響不明顯。

由圖2（b）可知：當(dāng)60℃時(shí)，兩種改性瀝青混合料的蠕變應(yīng)變均隨荷載持續(xù)作用的時(shí)間增加而增加，其中橡膠瀝青混合料在加載2000s后出現(xiàn)破壞（應(yīng)變瞬時(shí)增大），而Sasobit溫拌橡膠瀝青的蠕變應(yīng)變比較穩(wěn)定，這說明在較高溫度時(shí)，Sasobit降低了橡膠瀝青的溫度敏感性，因此混合料整體高溫抗蠕變能力提升了。同時(shí)可以看出溫拌橡膠瀝青混合料的破壞狀態(tài)，試件中部的“鼓型”壓壞，表明隨著溫度的增加Sasobit增強(qiáng)了橡膠瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

根據(jù)蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果，美國(guó)國(guó)家公路合作研究計(jì)劃的研究項(xiàng)目NCHRP9-19指出：瀝青混合料軸向應(yīng)變存在最小變化率，最小變化率經(jīng)歷的時(shí)間被定義為流變時(shí)間(Flow time)，其反應(yīng)了瀝青混合料對(duì)于緩慢蠕變的抵抗能力。NCHRP的研究指出流變時(shí)間Ft、馬歇爾動(dòng)穩(wěn)定度與車轍深度都能反映混合料的高溫性能，但其中Ft與混合料的高溫性能相關(guān)性最高，能夠代表實(shí)際的抗車轍性能，若Ft越大，則表明混合料勁度越大，其相應(yīng)高溫抗車轍性能也越好[18]。

圖3 60℃試件的流變時(shí)間Ft

兩種混合料的Ft如圖3所示，Sasobit橡膠瀝青混合料的Ft約為橡膠瀝青混合料的3倍，證明了有機(jī)降黏溫拌劑在更高溫度下增強(qiáng)了混合料的高溫抗車轍性能。

（三）圍壓對(duì)混合料蠕變特性的影響

Kaliush[19]研究表明，骨支撐型瀝青混合料，例如SMA，由于其集料骨架的交叉嵌擠作用需要側(cè)限提供穩(wěn)定的反力支點(diǎn)。因此，采用無(wú)側(cè)限的抗壓測(cè)試通常難以反應(yīng)其真實(shí)的抗壓蠕變性能，且和實(shí)際路面無(wú)側(cè)限的受荷狀態(tài)是相互違背的。因此，本研究進(jìn)一步引入圍壓，在有側(cè)限情況下考察混合料的蠕變特性。

圖4 有側(cè)限靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)

參考國(guó)外圍壓設(shè)置與我國(guó)規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)軸載[20,21]，我國(guó)有側(cè)限蠕變?cè)囼?yàn)一般取軸向壓力0.7MPa，與此同時(shí)，在三向壓縮測(cè)試儀中設(shè)置圍壓為138kPa，溫度為40℃。本試驗(yàn)的目的是獲取擬合黏彈性Burgers本構(gòu)模型的相關(guān)參數(shù)，因此，參照《殼牌瀝青手冊(cè)》的試驗(yàn)方法要求[15]取0.1MPa，圍壓應(yīng)力也按照此方法等比例縮小取20kPa，溫度始終保持40℃，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)，隨著圍壓增加混合料的高溫蠕變變形不斷降低，這更符合瀝青路面服役條件下實(shí)際受力狀態(tài)；Sasobit溫拌橡膠瀝青混合料在有圍壓條件下相對(duì)于橡膠瀝青混合料蠕變變形大幅減小，最終蠕變?nèi)崃咳鐖D5所示，說明其在實(shí)際路面中的高溫性能會(huì)相當(dāng)優(yōu)異。

圖5 不同圍壓水平下混合料最終蠕變?nèi)崃?/p>

（四）黏彈性Burgers模型參數(shù)分析

本文擬采用Burgers模型定量描述上述加載過程的力學(xué)行為，分析瀝青混合料在各個(gè)蠕變階段的實(shí)際彈性變形、黏彈性變形和不可恢復(fù)的黏塑性變形大小。對(duì)于Burgers模型的求解，目前研究比較多，本文采用數(shù)學(xué)分析與制圖軟件Origin非線性回歸擬合計(jì)算，結(jié)果如表2所示，松弛時(shí)間與延遲時(shí)間如表3所示。

表2 40℃各參數(shù)擬合結(jié)果

表3 40℃松弛時(shí)間τt1與延遲時(shí)間τt2

由圖6可知，加上圍壓后，松弛時(shí)間隨著圍壓的出現(xiàn)而增長(zhǎng)，延遲時(shí)間有所下降。這說明材料更接近理想彈性體，其力學(xué)行為也更接近彈性體的變形特性[13]。

綜合表2和表3可知，Sasobit溫拌橡膠瀝青混合料的延遲時(shí)間和松弛時(shí)間均優(yōu)于未加溫拌劑的橡膠瀝青混合料；同時(shí)，加上圍壓后，Sasobit溫拌橡膠瀝青混合料的延遲時(shí)間相較橡膠瀝青混合料降幅更大，說明在實(shí)際路況下Sasobit溫拌橡膠瀝青路面高溫穩(wěn)定性會(huì)更好。

圖6 Burgers模型參數(shù)分析

結(jié)合Sasobit溫拌橡膠瀝青混合料其他路用性能結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Sasobit溫拌劑能大幅度地提高橡膠瀝青混合料的高溫性能，對(duì)低溫性能略有影響。

五、結(jié)語(yǔ)

本文通過單軸靜載壓縮試驗(yàn)研究了有機(jī)降黏溫拌劑、溫度、時(shí)間與圍壓等因素對(duì)高溫蠕變應(yīng)變的影響，基于黏彈性Burgers模型擬合分析了溫拌橡膠瀝青混合料的力學(xué)特性，主要結(jié)論如下：

一是通過單軸靜載壓縮試驗(yàn)可知，Sasobit橡膠瀝青混合料的流變時(shí)間約為橡膠瀝青混合料的3倍，說明隨著環(huán)境溫度的增高有機(jī)降黏溫拌劑提升混合料高溫穩(wěn)定性的能力增強(qiáng)。

二是隨著圍壓的增加混合料的蠕變變形減小，更符合瀝青路面實(shí)際受力狀態(tài)；Sasobit溫拌橡膠瀝青混合料在有圍壓條件下相較橡膠瀝青混合料蠕變變形大幅減小。

三是基于Burgers模型參數(shù)分析，Sasobit溫拌橡膠瀝青混合料的兩個(gè)參數(shù)均為最優(yōu)；同時(shí)，溫拌橡膠改性瀝青混合料的延遲時(shí)間受圍壓影響降幅比橡膠改性瀝青混合料大，在實(shí)際路況下Sasobit溫拌橡膠瀝青路面高溫穩(wěn)定性會(huì)更好。

四是溫拌橡膠粉改性瀝青溫拌效果顯著，溫度敏感性較低，一定程度上可以降低能耗且具備抗車轍性能，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。