基于流變特性的橡膠瀝青性能研究

崔 頔

(遼寧省交通建設(shè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

瀝青作為一種高分子材料,是一種典型的粘彈性材料,其流變性能與路用性能有著密切的聯(lián)系,而橡膠瀝青由于不同目數(shù)橡膠粉的加入,與普通瀝青在物理形態(tài)和化學(xué)性質(zhì)方面均具有明顯差別[1-3],其評價指標(biāo)和評價方法與基質(zhì)瀝青較為不同。因此,為了更好的研究橡膠瀝青的性能,從流變學(xué)角度出發(fā),利用流變學(xué)原理研究橡膠瀝青的性能。

1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用三種輪胎橡膠粉,細(xì)度分別為28目、40目、60目三種,膠粉摻量為20%,選擇內(nèi)摻方式。試驗(yàn)采用基質(zhì)瀝青分別為70#、90#、110#三種瀝青,其基本性能指標(biāo)如表1所示。本研究所用橡膠瀝青代號如表2所示。

表1 基質(zhì)瀝青基本技術(shù)性能指標(biāo)數(shù)據(jù)

表2 橡膠瀝青所用代號

2 動態(tài)剪切流變(DSR)試驗(yàn)

瀝青在較低溫度下接近完全彈性體狀態(tài),滿足胡克定律,在高溫狀態(tài)下,呈現(xiàn)出完全粘性狀態(tài),此時屬于非牛頓流體。采用動態(tài)剪切流變儀獲得瀝青流變學(xué)指標(biāo)時,對瀝青試樣分別在-15℃、0℃、15℃、30℃、45℃及60℃溫度下進(jìn)行動態(tài)頻率掃描試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為:采用應(yīng)變控制方式,掃描頻率為0.1～30Hz,測試的溫度低于45℃時,采用8mm的平行鋼板,板間距為2mm;測試溫度在45℃及45℃以上時采用25mm平行鋼板,板間距為1mm。

與此同時,文章選用改進(jìn)CAM模型研究基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青復(fù)數(shù)模量主曲線的差別,以及橡膠粉細(xì)度及瀝青標(biāo)號對橡膠瀝青復(fù)數(shù)模量主曲線的影響。并以15℃為參考溫度,按照CAM模型擬合得到了各瀝青的復(fù)數(shù)模量主曲線,各瀝青擬合得到的主曲線模型參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

3 基于CAM模型的復(fù)數(shù)模量主曲線研究

3.1 基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青流變特性差異

為了更方便的研究基質(zhì)瀝青復(fù)數(shù)剪切模量和橡膠瀝青復(fù)數(shù)剪切模量的差異,因90#、70#兩種瀝青體現(xiàn)出來的規(guī)律和110#瀝青一樣,文章僅以110#系列瀝青復(fù)數(shù)模量主曲線為例進(jìn)行分析[4],其復(fù)數(shù)模量主曲線如圖1所示。

圖1 110#系列瀝青復(fù)數(shù)模量主曲線

從圖1可以看出,基質(zhì)瀝青主曲線得到的曲線斜率要陡,說明基質(zhì)瀝青復(fù)數(shù)剪切模量對頻率的敏感性要大,也就是基質(zhì)瀝青溫度敏感性要大。不同細(xì)度下的橡膠瀝青復(fù)數(shù)模量主曲線之間的形狀基本類似。

通常來說,瀝青的頻率主曲線在高頻段反映的是瀝青材料低溫時的性質(zhì),在低頻段反映的是瀝青材料高溫時的性質(zhì)。分析各個頻率段瀝青的模量可以發(fā)現(xiàn),基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青各個頻率段的復(fù)數(shù)剪切模量有著顯著差別,特別是在低頻區(qū)和高頻區(qū)。同時可以看出,在高頻區(qū)基質(zhì)瀝青的模量高于由同標(biāo)號下不同細(xì)度膠粉改性得到的橡膠瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量。說明不同細(xì)度的膠粉,均能在一定程度上改善瀝青的低溫性能。同時還可以發(fā)現(xiàn),在低頻區(qū),基質(zhì)瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量顯著小于各橡膠瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量。此時說明橡膠瀝青材料在高溫低頻條件下有著更大的復(fù)數(shù)剪切模量,表明其抗永久變形能力優(yōu)于基質(zhì)瀝青。上述分析表明,膠粉的加入,顯著地改變了瀝青的流變特性,使瀝青材料在高頻下有較小的模量,有利于增強(qiáng)瀝青的低溫抗裂性能;在高頻時,增大了瀝青的模量,有助于提高其高溫抗變形能力。

3.2 橡膠粉細(xì)度對其流變特性影響

為研究橡膠粉細(xì)度對其流變性能的影響,文章仍以110#系列橡膠瀝青為例分析。瀝青的復(fù)數(shù)模量主曲線結(jié)果如圖2所示。

圖2 110#系列橡膠瀝青復(fù)數(shù)剪切模量主曲線

如圖2可以看出,在高頻區(qū),加入40目廢胎膠粉的橡膠瀝青復(fù)數(shù)剪切模量相比于加入28目和60目膠粉的橡膠瀝青的復(fù)數(shù)模量要小。說明加入40目膠粉的橡膠瀝青有著更好的低溫性能。產(chǎn)生此結(jié)果的原因與不同瀝青間的輕質(zhì)油分比例和不同膠粉在瀝青中的分布形態(tài)差異等有直接的關(guān)系。說明40目膠粉與瀝青中的輕質(zhì)油分溶脹反應(yīng)最為充分。而在低頻區(qū),可以看出加入28目膠粉得到的橡膠瀝青復(fù)數(shù)剪切模量顯著大于加入40目和60目廢胎膠粉得到的橡膠瀝青,此時說明摻入28目膠粉改性得到的橡膠瀝青有著更好的高溫性能。這是因?yàn)?8目的膠粉顆粒較粗,不易在高溫下發(fā)生脫硫降解反應(yīng),同時也更容易體現(xiàn)出橡膠顆粒高溫時的物理性能,因此在高溫時,28目的橡膠瀝青有著更高的模量。

3.3 瀝青標(biāo)號對橡膠瀝青流變特性的影響

為研究瀝青標(biāo)號對橡膠瀝青流變特性的影響,在基質(zhì)瀝青中加入40目和60目的膠粉,其瀝青勁度模量主曲線如圖3所示。

圖3 40目膠粉及60目膠粉系列橡膠瀝青勁度模量主曲線

由圖3可以看出,在荷載作用初期,90#和110#瀝青在低溫改性能力上體現(xiàn)出來的差別明顯小于70#和90#之間改性能力的差別。隨著荷載作用時間的增長,110#瀝青與70#及90#瀝青的勁度模量上的差別開始體現(xiàn)出來,此時瀝青基為110#的橡膠瀝青的勁度模量顯著小于由70#及90#改性得到的橡膠瀝青的勁度模量,這說明110#橡膠瀝青有著更好的變形能力和應(yīng)力松弛能力,在低溫條件下,有著更好的路用性能。

4 橡膠瀝青高溫性能評價研究

文章利用動態(tài)剪切流變儀(DSR)開展多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)(MSCR)試驗(yàn),選用不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?non-recoverable creep compliance,)和變形恢復(fù)率(R%)來表征瀝青在重復(fù)荷載作用下累積變形來表征橡膠瀝青的高溫性能[5]?？紤]到我國大部分地區(qū)夏季路面溫度為60～70℃之間,因此對各瀝青材料在60℃條件進(jìn)行重復(fù)蠕變試驗(yàn)。各瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)及變形恢復(fù)率(R%)如表4所示。

表4 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)及變形恢復(fù)率(R%)匯總表

由表4可以看出,基質(zhì)瀝青的變形恢復(fù)率(R%)很低,基本只在4%左右,而橡膠瀝青的變形恢復(fù)率(R%)可高達(dá)80%。這說明重復(fù)荷載作用于橡膠瀝青所引發(fā)的變形,大部分都可以恢復(fù),這對于減少瀝青的永久變形有著積極的意義。進(jìn)一步分析上述數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn),隨著應(yīng)力水平的增加瀝青材料的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)顯著增大,變形恢復(fù)率(R%)顯著減小。這表明,瀝青材料的抗變形能力對應(yīng)力的變化較為敏感,因此當(dāng)路面上大量出現(xiàn)超載、重載時,瀝青路面更易發(fā)生車轍。

與此同時,隨著膠粉目數(shù)的增加,橡膠瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)增大,變形恢復(fù)率(R%)減小。即隨著膠粉目數(shù)的減小,橡膠瀝青的高溫性能越好,這與前文的模量主曲線分析結(jié)果類似。各橡膠瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)及變形恢復(fù)率(R%)有明顯差異,可區(qū)分出不同橡膠瀝青的高溫性能,因此上述兩指標(biāo)可作為橡膠瀝青高溫性能的評價指標(biāo)。

5 結(jié)論

(1)通過CAM模型獲得了基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青的復(fù)數(shù)模量主曲線。通過復(fù)數(shù)模量主曲線分析得出:橡膠瀝青相比于基質(zhì)瀝青在高頻下有著較小的復(fù)數(shù)模量,在低頻下有著較大的勁度模量,體現(xiàn)出更好的高低溫性能。

(2)膠粉細(xì)度對橡膠瀝青復(fù)數(shù)模量主曲線影響:在高頻區(qū),40目膠粉橡膠瀝青有著較小復(fù)數(shù)剪切模量模量,體現(xiàn)出好的低溫性能;在低頻區(qū),28目膠粉有著較大的復(fù)數(shù)剪切模量,體現(xiàn)出較好的高溫性能。

(3)摻入瀝青中膠粉細(xì)度一樣時,瀝青標(biāo)號對橡膠瀝青復(fù)數(shù)模量主曲線影響:隨著標(biāo)號增大,整個頻率范圍內(nèi)復(fù)數(shù)模量主曲線向下平移,說明110#橡膠瀝青有著較好的低溫性能,高溫性能相對較差。

(4)通過多應(yīng)力重復(fù)蠕變恢復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),膠粉的引入可明顯改善瀝青的高溫性能,不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)及變形恢復(fù)率(R%)可作為橡膠瀝青高溫性能評價指標(biāo)。