短期老化對橡膠粉改性瀝青流變性能的影響

王　嵐，王　宇，邢永明，胡江三

(內蒙古工業大學 土木工程學院，呼和浩特010051)

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短期老化對橡膠粉改性瀝青流變性能的影響

王嵐，王宇，邢永明，胡江三

(內蒙古工業大學 土木工程學院，呼和浩特010051)

為探究短期老化作用對橡膠粉(CR)改性瀝青性能的影響，針對經旋轉薄膜烘箱實驗(RTFOT)老化前后的CR改性瀝青，進行動態剪切流變實驗(DSR)和重復蠕變恢復實驗(RCRT)得出相應流變參數，并結合掃描電子顯微鏡(SEM)從細觀的角度觀察瀝青內部結構變化及其對瀝青流變性能的影響。結果表明：老化作用引起瀝青組分的變化，使瀝青表現出硬化現象；老化作用對CR改性瀝青的變形恢復能力和變形影響隨溫度升高而減小；老化作用和溫度的影響大于應力對其影響；隨溫度的升高，老化作用對CR改性瀝青流變性能影響變弱。

流變性能；動態剪切流變實驗；重復蠕變恢復實驗；短期老化；變形恢復能力

道路瀝青的流變性能直接影響道路在高溫與低溫環境下的使用性能及其使用壽命，同時它也是瀝青研制與生產中的重要參數，因此對瀝青流變性能進行研究具有重要意義。

由于瀝青路面拌和與攤鋪等施工過程中溫度較高而產生的短期老化是影響瀝青流變性能主要因素之一[1-3]，因此研究短期老化作用對瀝青流變性能的影響對于改善路面使用性能具有一定意義[4-6]。目前，國內外學者多采用瀝青三大指標以及傳統的路用性能指標對其流變性能進行分析，Yamada與Shashidhar等早在1995年就利用軟化點和脆點以及車轍和疲勞實驗研究了瀝青的流變學特性[7,8]，Huang等在2013年利用瀝青三大指標對基質瀝青和改性瀝青在短期老化后的流變性能進行研究，并得出改性瀝青抗老化能力優于基質瀝青的結論[9,10]；部分學者從微觀角度分析老化作用的機理及微觀變化對瀝青流變性能的影響研究，Rojas等在2010年從微觀結構特征研究了聚合物改性瀝青的流變學性能，得出改性瀝青的改性機理并發現聚合物可以有效地提高瀝青的高溫穩定性[11]；Xiao等在2013年從微觀角度分析研究了老化對橡膠粉(Crumb Rubber, CR)改性瀝青結構的影響，并對CR改性瀝青的抗老化性能進行評價[12,13]。

目前將宏觀與微觀相結合，從微觀角度分析宏觀現象、從宏觀現象表征微觀特征，進而評價老化作用對兩種改性瀝青影響的研究還不多見[14,15]。本工作通過動態剪切流變(Dynamic Shear Rheological ，DSR)實驗和重復蠕變恢復實驗(Repeated Creep Recovery Test, RCRT)以及掃描電子顯微鏡(SEM)將宏觀和微觀分析相結合，研究了老化作用對相應流變指標在不同溫度時的敏感程度及老化作用對瀝青流變性能的影響規律。

橡膠粉顆粒具有分子量大、彈性好的特點，作為一種改性劑用于瀝青改性既能顯著提高瀝青的彈性性能，降低瀝青的高低溫敏感性，又能提高車輛的行駛安全及路面使用壽命，降低噪聲影響；同時能使作為固體廢棄物的廢舊輪胎得到有效利用，達到既環

保又經濟的效果。

1　實驗材料與方法

1.1實驗材料

實驗用的CR改性瀝青是在90#基質瀝青中摻入質量分數為20%的30目膠粉顆粒經濕法加工制成， 90#基質瀝青和CR改性瀝青的性能參數如表1所示。CR改性劑是以汽車廢舊輪胎為原料采用常溫粉碎法加工而成的硫化膠粉，橡膠粉目數為30目。

表1　90#基質瀝青與CR改性瀝青性能參數

1.2實驗過程與方案

為了研究短期老化作用對CR改性瀝青流變性能的影響，首先通過旋轉薄膜烘箱實驗(Rolling Thin Film Oven Test, RTFOT)對改性瀝青進行短期老化，RTFOT實驗時取CR改性瀝青試樣各35g，裝入高140mm，直徑64mm的開口玻璃瓶中，盛樣瓶插入旋轉烘箱中，一邊接受以4000mL/min流量吹入的熱空氣，一邊在163℃的高溫下以15r/min的速率旋轉，老化75min，模擬瀝青短期老化(此實驗溫度與老化時間條件下，能較好地對道路施工過程中的短期老化程度進行模擬)。然后采用Hitachi S-3400NⅡ型掃描電子顯微鏡(SEM)分別對老化前后的CR改性瀝青進行掃描，對其內部結構進行觀察分析。最后采用Physical MCR 101型動態剪切流變儀對老化前后的CR改性瀝青和SBS改性瀝青進行動態剪切流變實驗，選用直徑為 20mm的底盤，瀝青試樣厚度為1.5mm，控制應力目標值為120Pa進行實驗，以10rad/s的荷載作為掃描頻率，溫度步長為10℃，對老化前后的CR改性瀝青進行20～80℃溫度掃描，測定瀝青的復數剪切模量G*和相位角。

2　結果與分析

2.1短期老化對瀝青微觀結構影響

圖1(a)，(b)分別為CR改性瀝青老化前后的掃描電鏡圖片。可以看出，老化后瀝青在膠粉顆粒表面的包裹情況明顯差于老化前，老化前瀝青膠漿將膠粉顆粒很好地覆蓋，瀝青與膠粉顆粒達到較好的共混，而老化后共混程度明顯下降，結合情況劣化。

CR改性瀝青中膠粉顆粒與瀝青能夠共混一方面是因為橡膠粉的分子受到瀝青輕組分的作用發生溶脹和溶解；另一方面是因為膠粉顆粒表面呈網狀結構，具有較大的比表面積，可以很好地吸附瀝青。瀝青老化使其化學組分發生變化[16]，結合處輕質油分揮發，瀝青組分中輕質組分不斷聚合成膠質并進一步轉化為瀝青質，使瀝青輕質組分減少，從而使瀝青與膠粉顆粒的共混程度下降。圖1(c)為橡膠粉顆粒在老化前的掃描電鏡圖片，對比圖1(a)與圖1(c)可以看出，經過短期老化作用后CR改性瀝青中橡膠粉顆粒的結構并未發生較大的變化，這意味著其受短期老化的影響較小，因此橡膠粉顆粒仍能保持較大的彈性性能。短期老化作用使橡膠粉顆粒與瀝青的結合情況劣化，整體性變差，導致瀝青的彈性性能降低，但由于橡膠粉顆粒對自身彈性性能的保持，可以使CR改性瀝青經過短期老化作用后仍能保持一定的彈性性能。圖1(d)為90#基質瀝青在短期老化后的掃描電鏡圖片，可以看到老化后的基質瀝青外觀并無明顯變化，但由于短期老化作用使瀝青成分中膠質含量降低、瀝青質含量增高，在瀝青組分中膠質可賦予瀝青可塑性、流動性和黏結性，而瀝青質決定瀝青的溫度敏感性、硬度等特性，因此短期老化作用使瀝青變得硬脆。由于短期老化對瀝青產生的影響大于對橡膠粉產生的影響，而CR改性瀝青中橡膠粉顆粒的加入可以降低老化作用對改性瀝青整體彈性性能的影響，因此無論短期老化前后，CR改性瀝青中橡膠粉顆粒的加入都可以對瀝青的流變性能有所改善。

圖1　瀝青及改性劑老化前后掃描電鏡圖片　(a)膠粉改性瀝青老化前；(b)膠粉改性瀝青老化后；(c)橡膠粉顆粒老化前；(d)90#基質瀝青老化后Fig.1　The SEM photos of asphalt and modifier before and after aging　(a)modified asphalt before aging;(b)modified asphalt after aging;(c)CR before aging;(d)90#base asphalt after aging

2.2短期老化作用對瀝青流變參數的影響

2.2.1短期老化對復數剪切模量G*的影響

復數剪切模量G*是瀝青抵抗變形的總能力[17]，圖2為CR改性瀝青在老化前后G*隨溫度的變化關系。由圖2可知，在60℃之前老化后的G*值明顯大于老化前的G*值，且都隨溫度的升高而下降；而在60℃之后兩條曲線幾乎趨于重合且相對平穩。這是由于瀝青在溫度相對較低時處于彈性為主的狀態，隨著溫度的升高逐漸向黏流狀態轉變；因此隨溫度升高彈性成分減少，黏性成分增多，瀝青的抗變形能力相應減小，產生的變形增大，從而導致G*值減小。在60℃之前短期老化作用使G*增大，說明老化作用增加了瀝青的彈性及硬脆性，這與掃描電鏡結果一致，老化作用使瀝青結構接近凝膠型結構，彈性增強，延性變差，對瀝青的抗變形能力是有利的；60℃之后短期老化前后G*幾乎一致，這主要是由于瀝青組分中蠟分含量變化的影響，蠟在瀝青中常溫下以固體形式存在，高溫時融化。在60℃之后隨溫度的升高蠟含量隨之增多，使瀝青黏度降低、針入度增加即瀝青變軟；老化作用使瀝青組分中重質成分增加，重質組分(如瀝青質)使瀝青高溫黏度增大導致瀝青變硬；兩種組分的變化形成中和作用，使得老化作用對CR改性瀝青的黏彈性影響較小。由此可知，老化作用引起的瀝青組分變化對G*在60℃前較敏感，在60℃之后不太敏感。

圖2　老化前后復數剪切模量G*與溫度關系曲線Fig.2　Relationship curves between G* and temperature before and after aging

2.2.2短期老化對相位角δ的影響

相位角δ是瀝青黏性和彈性變形數量的相對指標，δ越小，tanδ越小，瀝青越接近于彈性體。圖3為老化作用前后tanδ與溫度的變化關系，由圖3可知，短期老化前后tanδ在20～40℃溫度范圍內均呈接近直線上升，且老化前的值要明顯大于老化后的值；40℃之后老化前后tanδ曲線開始逐漸靠攏，到60℃時接近重合。在20～40℃溫度范圍內隨溫度的升高，瀝青逐漸由彈性態向黏性態轉變，導致tanδ呈上升趨勢。而老化使瀝青組分的膠質向瀝青質轉變，其流動性變差、延性降低，抵抗變形的能力增強，即老化作用使瀝青更接近彈性體。由于蠟在低溫時以晶體析出，高溫融化。當蠟含量少于某一范圍時蠟對瀝青性能的影響很小，當含量超出這一范圍時影響將十分顯著，因此20～40℃時蠟對瀝青彈性影響較小，此時主要表現為老化作用的影響使老化前后tanδ值產生較大變化。40℃之后蠟的融化對瀝青的影響開始顯現，隨蠟含量的增加瀝青中黏性成分的增大與老化作用產生的硬脆性相抵消，導致兩曲線開始靠攏，老化作用影響開始減小；到60℃時兩曲線接近重合說明此時由于溫度變化引起蠟含量的增加對瀝青的影響已經與老化作用對瀝青的影響基本相當。這說明在40～60℃時老化作用對相位角的影響逐漸減小，60℃之后老化作用幾乎不再對其產生影響。因此老化作用引起的瀝青組分變化對相位角δ也是在60℃之前比較敏感，在60℃之后不太敏感。

圖3　老化前后tanδ與溫度關系曲線Fig.3　Relationship curves between tanδ and temperature before and after aging

2.3短期老化作用對重復蠕變恢復實驗參數影響

2.3.1短期老化作用對變形恢復能力εL/εP的影響

εL/εP可一定程度上反映瀝青的變形恢復能力，其中εL為恢復階段的初始應變即卸載瞬時應變，εP為恢復階段末未能恢復的殘余應變。本工作將100次蠕變恢復中第25,50,75,100次的εL/εP值進行了分析比較，由于在實際道路工程中夏季瀝青路面溫度可達60℃左右，因此本工作取55℃和65℃作為實驗溫度對瀝青混合料的重復蠕變能力進行分析。

圖4為變形恢復能力指標εL/εP隨加載次數的變化關系。εL/εP表示總應變與殘余應變的比值，εP越小則εL/εP越大，表明未恢復應變在總應變中所占比例越少即恢復得越多，恢復能力越強。由圖4可知，不同溫度老化前后的εL/εP值都隨加載次數增加而減小，說明變形恢復能力隨加載次數的增加而減小，這主要是由于隨加載次數的增加瀝青出現疲勞現象，累積變形逐漸增大，其變形恢復能力越差。

圖4　老化前后εL/εP與加載次數的關系Fig.4　The relationship between εL/εP and loading times before and after aging

從圖4還可以看出，55℃時短期老化后的恢復能力明顯較老化前的恢復能力強，這是由于老化作用使瀝青變硬，其抵抗變形能力增強，因此在加載時變形較老化之前會減小，但老化作用并未使瀝青中的彈性成分減少，因此其彈性性能并未減弱即加載后恢復的變形并未減少，因此恢復的部分在總變形中的比例增加，其變形恢復能力有所增強。由65℃時老化前后曲線變化可知，其變形恢復能力在老化前后相差較小，這是由于瀝青在高溫時融化的蠟含量增多，瀝青變軟，老化又使瀝青組分中瀝青質含量增加導致瀝青變硬，最終表現為對瀝青黏彈性影響較小，變形恢復能力變化不大。而55℃時瀝青中融化的蠟含量較65℃時少因此瀝青相對更硬，加之老化作用使瀝青變硬，所以55℃時老化對瀝青黏彈性影響較大，變形恢復能力相差較大。這說明55℃時短期老化作用引起的瀝青組分變化對變形影響較65℃時要敏感。

2.3.2短期老化對累積應變的影響

累積應變反映瀝青在加卸載全過程中的總應變，圖5為老化前后兩種溫度下膠粉改性瀝青加卸載100次的累積應變。可以看出，無論老化前后，65℃時的累積應變都大于55℃時的值。55℃時老化后的累積應變要比老化前小很多，但是在65℃時老化前后的累積應變曲線幾乎重合。這是因為一方面溫度與老化作用導致瀝青組分的變化，使瀝青在55℃時相對于65℃時更硬，抵抗變形能力增強；另一方面55℃時瀝青老化后的變形恢復能力有所增強，因此55℃時老化后的累積應變降低，而在65℃時短期老化對其影響很小。說明55℃時短期老化對減小膠粉改性瀝青的累積變形有所幫助，使其最終的應變值減小，隨溫度的升高老化作用對瀝青的累積應變影響減弱。

圖5　老化前后累積應變與加載次數的關系Fig.5　The relationship between accumulative strain and loading times before and after aging

2.3.3短期老化對蠕變勁度的黏性部分GV的影響

為消除延遲彈性變異的影響，采用重復蠕變恢復實驗的第50次和第51次結果通過Burgers四單元流變模型擬合得到蠕變勁度的黏性部分GV評價瀝青老化前后流變性能[18]。圖6為老化前后GV與溫度/應力的關系圖。由圖6可知，四種情況下老化后的GV均比老化前的大，說明老化使CR改性瀝青的抗變形能力有所增加。溫度為55℃時不同應力下老化后GV增大的比例明顯要大于65℃時的情況，而在溫度相同時150Pa和300Pa兩種不同應力條件下短期老化的影響很小。這說明CR改性瀝青的黏性成分主要受溫度和老化作用的影響，應力對其影響相對較弱。

圖6　老化前后GV與溫度/應力的關系Fig.6　The relationship between GV and temperature/stress before and after aging

3　結論

(1)由掃描電鏡對CR改性瀝青的微觀結構分析可知，老化前瀝青與膠粉顆粒達到較好的共混，老化后瀝青與膠粉顆粒的結合情況劣化。

(2)老化作用使瀝青組分的變化對復數剪切模量G*、相位角δ的影響均在60℃之前較敏感，60℃之后不太敏感，總體表現為在一定溫度區間內隨溫度的升高老化作用對其影響減弱。

(3)老化作用對瀝青的變形恢復能力以及累積應變的影響隨溫度的升高而減弱；蠕變勁度的黏性部分GV變化主要受溫度和老化作用的影響，應力對其影響相對較小。

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Effect of Short-term Aging on Rheological Properties of Rubber Powder Modified Asphalt

WANG Lan,WANG Yu,XING Yong-ming,HU Jiang-san

(College of Civil Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China)

In order to explore the effect of short-term aging on crumb rubber (CR) powder modified asphalt, the rheological parameter of before and after aging CR modified asphalt by rolling thin film oven test(RTFOT) was obtained through dynamic shear rheological(DSR) and repeated creep recovery test(RCRT). The change in the internal structure of asphalt was observed from microscopic perspective by SEM and the effect of asphalt rheological properties was analysed. Results show that the component of asphalt changes after aging and asphalt shows hardening phenomenon.The effect of aging on the deformation recovery capability and deformation of CR modified asphalt decreases as the temperature increases. The influence of aging and temperature on the CR modified asphalt is greater than that of the stress;with the temperature increasing, the effect of aging on the rheological property of CR modified asphalt is weakened.

rheological property;dynamic shear rheological test;repeated creep recovery test;short-term aging;deformation recovery capability

國家自然科學基金資助項目(51475162,51405153)；湖南省自然科學基金重點項目(14JJ5015)

2014-08-11；

2015-07-25

劉文輝(1978-)，男，博士，副教授，主要從事輕合金加工工藝與性能、損傷疲勞與斷裂等方面的研究工作，聯系地址：湖南省湘潭市雨湖區桃園路湖南科技大學機電工程學院(411201)，E-mail:lwh@hnust.edu.cn

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.01.008

U414

A

1001-4381(2016)01-0054-06