錐入度抗剪強度評價橡膠瀝青性能的試驗研究

王鐵慶,　楊人鳳,　李愛國，　陳　磊，　周　波

(1.長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,陜西 西安　710064; 2.西北農林科技大學 機械與電子工程學院,陜西 楊凌　712100; 3.陜西省交通建設集團公司，陜西 西安　710075； 4.中國中鐵十局集團有限公司，山東 濟南　250101)

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錐入度抗剪強度評價橡膠瀝青性能的試驗研究

王鐵慶1,2,楊人鳳1,李愛國3，陳磊4，周波4

(1.長安大學 道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,陜西 西安710064; 2.西北農林科技大學 機械與電子工程學院,陜西 楊凌712100; 3.陜西省交通建設集團公司，陜西 西安710075； 4.中國中鐵十局集團有限公司，山東 濟南250101)

摘要:為了研究橡膠瀝青錐入度抗剪強度的規律特點及與其他性能指標的相關性,文章進行了不同膠粉摻量和不同反應溫度條件下的橡膠瀝青錐入度試驗及其他性能指標試驗,研究得到了膠粉摻量和反應溫度對橡膠瀝青錐入度和抗剪強度的影響情況,以及抗剪強度與其他性能指標的相關關系。結果表明:隨著膠粉摻量增加,橡膠瀝青的25 ℃錐入度減小而抗剪強度增大;反應溫度對橡膠瀝青25 ℃錐入度和抗剪強度的影響規律不明顯;相比于錐入度,抗剪強度對橡膠瀝青性能影響因素的變化反應更靈敏;不同膠粉摻量條件下橡膠瀝青抗剪強度與其他幾個指標相關性較好,不同反應溫度條件下抗剪強度與177 ℃黏度和25 ℃回彈恢復率有一定的相關性,與軟化點相關性不明顯。在試驗研究基礎上初步提出了橡膠瀝青25 ℃錐入度抗剪強度的指標要求為75～169 kPa。

關鍵詞:橡膠瀝青;錐入度試驗;抗剪強度;膠粉摻量;反應溫度;性能指標

橡膠瀝青材料不但具有良好的路用性能,而且能夠獲得廢物利用、環境保護的綜合效益,因而受到越來越多的關注和重視[1-5]。橡膠瀝青除了具有較強的高低溫性能和抗老化性能等路用性能以外,當其用于應力吸收層時還具有良好的防水性、高彈性和抗疲勞性能[6]。在橡膠瀝青的應用過程中,對于橡膠瀝青的技術要求無論國外還是國內均不統一。橡膠瀝青的技術指標究竟怎樣才算合理,這應該與橡膠瀝青的用途和當地的氣候環境有關,例如當橡膠瀝青用于開級配混合料,不使用礦粉,就需要橡膠瀝青比較黏稠一些;而如果用于間斷級配的SMA混合料,礦粉用量比較大,則橡膠瀝青黏度就不需要太高[3]。雖然橡膠瀝青技術指標不統一,但其核心技術指標主要為黏度、針入度(錐入度)、軟化點和彈性恢復率。

針入度(錐入度)反映了橡膠瀝青結合料的稠度,代表了結合料的軟、硬程度,我國關于橡膠瀝青技術的地方標準中大多數采用的是與SBS改性瀝青一致的25 ℃針入度指標。由于橡膠瀝青在宏觀上是兩相混合的非均質材料,常含有較大的橡膠顆粒,針入度試驗的標準針較細,針扎到橡膠顆粒上和未扎到橡膠顆粒上會產生較大的誤差,從而會影響測試結果的可靠性,因此,有些地區如美國California、Texas州用25 ℃錐入度取代了針入度。25 ℃錐入度比針入度對影響橡膠瀝青結合料性能的因素更為敏感,其測量穩定性也比后者更好,因而可以更真實地反映橡膠瀝青結合料這種兩相材料在常溫下的稠度[2]。

錐入度試驗有錐入度和抗剪強度2個評價指標,在用于研究評價各種瀝青膠漿的高溫性能方面取得了較好的效果[7-11]。然而關于用錐入度抗剪強度來評價橡膠瀝青結合料性能方面的研究很少。本文通過不同條件下橡膠瀝青制備及性能檢測試驗,研究了橡膠瀝青錐入度抗剪強度的特點以及抗剪強度與橡膠瀝青其他性能指標之間的相關關系,并在試驗研究的基礎上初步提出了錐入度抗剪強度的指標要求。

1錐入度試驗方法

錐入度試驗可以采用瀝青針入度儀來進行,但需要將針入度儀的標準針取下換成特制的標準錐。標準錐的尺寸和技術要求參見文獻[12], 整個運動體(包括錐頭、針入度儀的主軸和附件)的總質量為(150±0.1)g,錐針頂角角度為30°。盛樣皿采用內徑為70 mm、深度為45 mm的大盛樣皿。試驗前首先將制備好的橡膠瀝青倒入盛樣皿內,橡膠瀝青應裝填至盛樣皿的邊緣,并讓試樣在標準的室溫(23±2)℃下養生冷卻2 h,然后將盛樣皿放入溫度為(25±0.1)℃的恒溫水浴中養生2 h,取出后吸干試樣表面水分,進行錐入度試驗。試驗步驟同瀝青針入度試驗方法,試驗進行時應保持實驗室的環境溫度在標準室溫(23±2)℃下,試樣的溫度應始終控制在(25±0.5)℃的范圍內。錐入度抗剪強度根據所測得的錐入度值計算，公式為:

其中,τ為抗剪強度;Q為貫入質量(錐頭、針入度儀的主軸和附件的總質量,150g);α為錐針頂角角度(30°);h為錐入度。

2試驗原材料

制備橡膠瀝青的基質瀝青采用國外進口SK-90# A級道路石油瀝青,其主要技術指標見表1所列。廢胎膠粉采用陜西產30目常溫研磨粉碎的貨車子午胎膠粉,其物理和化學技術指標分別見表2、表3所列(表中含量為質量分數)。

表1　基質瀝青主要技術指標

表2　廢胎膠粉物理指標

表3　廢胎膠粉化學指標質量分數　　　　%

3試驗研究方案

為了研究橡膠瀝青錐入度抗剪強度的特性及與其他性能指標的關系,首先進行了不同廢胎膠粉摻量的橡膠瀝青制備及性能檢測試驗。在濕法工藝制備橡膠瀝青常用的膠粉摻量范圍內,選取18%、20%、21%、22%、24% 5種橡膠粉摻量(占基質瀝青質量),用強力攪拌器將瀝青與橡膠粉混合攪拌,反應溫度嚴格控制在180 ℃,反應時間統一設定為50 min,橡膠瀝青制備好后進行25 ℃錐入度試驗及其他技術指標的檢測。其次,考慮反應溫度對橡膠瀝青性能的影響較大,根據項目依托工程的實際情況,分別進行了170、180、190、200 ℃ 4種反應溫度下橡膠瀝青制備和性能檢測試驗。除了25 ℃錐入度試驗外,其他檢測項目包括177 ℃旋轉黏度、25 ℃回彈恢復率(ASTM D5329)和軟化點(T0606)。

4試驗結果與分析

4.1橡膠瀝青錐入度試驗

4.1.1膠粉摻量對錐入度和抗剪強度的影響

在反應溫度為180 ℃、反應時間為50 min條件下，不同膠粉摻量橡膠瀝青的錐入度試驗結果見表4所列,錐入度和抗剪強度與橡膠粉摻量關系的擬合曲線如圖1所示。

表4　不同膠粉摻量橡膠瀝青錐入度和抗剪強度

圖1　膠粉摻量對橡膠瀝青錐入度和抗剪強度的影響

從表4和圖1中可以看出:

(1) 25 ℃錐入度隨著橡膠瀝青中膠粉摻量的增加而逐漸減小,錐入度與膠粉摻量接近冪函數關系,相關系數超過了0.94。這表明隨著膠粉摻量增加，橡膠瀝青稠度增加,逐漸變硬。同時該試驗結果也說明,25 ℃錐入度指標能夠反映橡膠瀝青中膠粉摻量的變化。

(2) 抗剪強度隨著橡膠瀝青中膠粉摻量的增加而逐漸增大,抗剪強度與膠粉摻量的對數近似為線性關系,相關系數接近0.96。這表明隨著膠粉摻量增加,橡膠瀝青常溫抗擠壓和抗剪切的能力增大。該試驗結果說明錐入度抗剪強度也能夠反映橡膠瀝青中膠粉摻量的變化。

(3) 從表4中錐入度和抗剪強度的數值對比中可知,不同膠粉摻量橡膠瀝青的錐入度差值比較小(尤其當膠粉摻量在20%～24%范圍內變化時),而不同摻量橡膠瀝青的抗剪強度差值相對較大。因而相對于錐入度而言,抗剪強度指標更容易反映出橡膠瀝青中膠粉摻量的變化。

4.1.2反應溫度對錐入度和抗剪強度的影響

根據前期試驗情況和依托工程的施工要求,對21%膠粉摻量的情況進行了4種不同反應溫度的橡膠瀝青制備和錐入度試驗,反應時間均為50 min。錐入度試驗結果見表5所列,相應的變化曲線如圖2所示。

表5　不同反應溫度橡膠瀝青錐入度和抗剪強度

圖2　反應溫度對橡膠瀝青錐入度和抗剪強度的影響

從表5和圖2中可以看出,反應溫度在170～200 ℃范圍內變化時,橡膠瀝青的錐入度和抗剪強度與反應溫度之間并不存在單調遞增或者遞減的關系;從試驗結果來看,反應溫度為190 ℃時其錐入度較小,抗剪強度較大,表明此時橡膠瀝青較硬;其余3個反應溫度時的錐入度和抗剪強度值均變化不大。此外,對比表5中的試驗數據和圖2中2條折線在各段的斜率可知,通過錐入度計算得到的抗剪強度指標能夠把較小的錐入度差值放大,從而對橡膠瀝青制備過程的反應溫度變化反應更靈敏。

4.2抗剪強度與其他技術指標的相關性分析

4.2.1不同膠粉摻量條件

不同膠粉摻量橡膠瀝青的其他性能指標檢測結果見表6所列。

表6　不同膠粉摻量橡膠瀝青其他技術指標檢測結果

旋轉黏度代表了橡膠瀝青結合料在外力作用下抵抗流動的阻力,它反映了結合料的施工和易性,同時也在一定程度上反映了結合料的黏彈性;25 ℃回彈恢復率代表了橡膠瀝青結合料在常溫下的彈性性質,它反映了結合料抗疲勞破壞和抗反射裂縫的能力;軟化點則代表了橡膠瀝青結合料在瀝青路面工作溫度下的高溫性能[2]。

從表6可知,橡膠瀝青的177 ℃黏度、25 ℃回彈恢復率和軟化點均隨著膠粉摻量的增加而增大,同抗剪強度的變化規律一致。根據表4和表6中的數據,繪制橡膠瀝青25 ℃錐入度抗剪強度與177 ℃黏度、25 ℃回彈恢復率、軟化點的關系曲線如圖3所示。

從圖3a可知,隨著膠粉摻量增加,橡膠瀝青抗剪強度與177 ℃黏度近似為冪函數關系,相關系數達到了0.98以上。

從圖3b、圖3c可知,隨著膠粉摻量增加,橡膠瀝青的抗剪強度與25 ℃回彈恢復率和軟化點的對數近似為線性關系,相關系數分別達到了0.93和0.83，說明膠粉摻量的變化對橡膠瀝青25 ℃錐入度抗剪強度和其他幾個指標的影響具有較高程度的一致性。即在區分不同膠粉摻量對橡膠瀝青性能的影響方面,錐入度抗剪強度與其他幾個指標具有較好的一致性。

(a)　抗剪強度與177 ℃黏度

(b)　抗剪強度與25 ℃回彈恢復率

(c)　抗剪強度與軟化點

4.2.2不同反應溫度條件

不同反應溫度橡膠瀝青的其他性能指標檢測結果見表7所列。反應溫度對橡膠瀝青錐入度抗剪強度和其他指標的影響情況對比如圖4所示。從圖4中折線的變化趨勢看,總體上反應溫度對橡膠瀝青抗剪強度的影響和對177 ℃黏度、25 ℃回彈恢復率的影響存在一定程度的一致性,而對橡膠瀝青抗剪強度的影響和對軟化點的影響之間則無明顯的相關性。

表7　不同反應溫度橡膠瀝青其他技術指標檢測結果

(a)　對橡膠瀝青抗剪強度和黏度影響

(b)　對橡膠瀝青抗剪強度和回彈恢復影響

(c)　對橡膠瀝青抗剪強度和軟化點影響

4.3錐入度抗剪強度指標要求的確定

由前面的試驗分析可知,錐入度抗剪強度可以在一定程度上表示橡膠瀝青的塑性強度,并且與橡膠瀝青的旋轉黏度、回彈恢復率等指標具有良好相關性,因此,應研究確定其技術指標的要求,以便于工程實際應用。參考目前國內外技術標準以及我國的應用經驗,橡膠瀝青177 ℃旋轉黏度的技術要求范圍一般為1.5～4.0 Pa·s,根據圖3a中抗剪強度與177 ℃旋轉黏度的擬合公式,可以得出25 ℃錐入度抗剪強度對應的數值范圍為139～169 kPa;根據橡膠瀝青25 ℃回彈恢復率的技術要求(≥18%)[2],利用圖3b中抗剪強度與25 ℃回彈恢復率的擬合曲線,可以得出25 ℃錐入度抗剪強度的要求為大于等于75 kPa。綜合考慮我國各地材料、氣候環境等的差異性,指標要求宜適當寬泛,因此初步確定橡膠瀝青25 ℃錐入度抗剪強度的指標要求范圍為75～169 kPa。

5結論

橡膠瀝青的25 ℃錐入度抗剪強度隨著橡膠瀝青中膠粉摻量的增加而增大,而受橡膠瀝青反應溫度影響的規律不明顯。相比于25 ℃錐入度指標,抗剪強度對橡膠瀝青性能影響因素的變化反應更靈敏。不同膠粉摻量條件下橡膠瀝青的25 ℃錐入度抗剪強度與177 ℃黏度、25 ℃回彈恢復和軟化點相關性較好;不同反應溫度條件下橡膠瀝青的25 ℃錐入度抗剪強度與177 ℃黏度、25 ℃回彈恢復率有一定的相關性,與軟化點相關性不明顯。通過試驗初步確定了橡膠瀝青25 ℃錐入度抗剪強度的指標要求范圍為75～169 kPa。

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(責任編輯張镅)

Experimental research on applying shear strength of cone penetration to performance evaluation of rubber asphalt

WANG Tie-qing1,2,YANG Ren-feng1,LI Ai-guo3，CHEN Lei4，ZHOU Bo4

(1.Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2.College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3.Shaanxi Provincial Communication Construction Group, Xi’an 710075, China; 4.China Railway No.10 Engineering Group Co., Ltd., Jinan 250101， China)

Abstract:In order to investigate the regularity of shear strength of cone penetration and the correlations with other performance indexes of rubber asphalt, cone penetration tests and other performance tests of rubber asphalt were operated under the conditions of different crumb rubber contents and different reaction temperatures. The regularities of rubber asphalt cone penetration and shear strength were obtained, and the correlations between shear strength and other performance indexes were acquired. The results show that the cone penetration at 25 ℃ decreases and the shear strength increases with increase of crumb rubber content, while there is no obvious regularity in the effect of reaction temperature on asphalt rubber cone penetration at 25 ℃ and shear strength. Compared to the cone penetration, the shear strength is more sensitive to the changes of factors affecting rubber asphalt performance. Rubber asphalt shear strength has relatively strong correlations with other indexes under the conditions of different crumb rubber contents, but has weak correlations with viscosity at 177 ℃ and resilience at 25 ℃ and no correlation with softening point under the conditions of different reaction temperatures. Based on the experimental research, the technical requirement of shear strength at 25 ℃ was proposed as 75-169 kPa.

Key words:rubber asphalt; cone penetration test; shear strength; crumb rubber content; reaction temperature; performance index

中圖分類號:U414

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5060(2016)03-0380-05

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.03.019

作者簡介：王鐵慶(1980-),男,河北文安人,長安大學博士生,西北農林科技大學講師;楊人鳳(1960-),女,山西河津人,博士,長安大學教授,博士生導師.

基金項目：陜西省交通廳科技資助項目(14-02K)

收稿日期：2015-04-12；修回日期：2015-07-22