基于SHRP高低溫分級指標的橡膠瀝青性能研究

黃 松

(1.廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007)

0 引言

美國戰略公路研究計劃(Strategic Highway of America Research Program簡稱SHRP)提出采用動態剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer，簡稱DSR)作為瀝青膠結料高溫穩定性的評價儀器。SHRP規范中分別采用平均最高路面設計溫度時的原樣瀝青的G*/sinδ和薄膜加熱后殘留瀝青的G*/sinδ作為瀝青高溫穩定性評價指標。試驗在高溫設計溫度和10 rad/s的剪切速率下進行，必須滿足兩個條件：(1)原始狀態的瀝青抗車轍因子G*/sinδ≥1.0 kPa；(2)經過旋轉薄膜老化試驗(RTFOT)的瀝青車轍因子G*/sinδ≥2.2 kPa。G*為動態剪切模量，隨著G*的增大，瀝青材料抵抗流變的能力逐漸增強。G*/sinδ定義為損失剪切柔量的倒數，它可以用于評價瀝青材料抵抗永久變形的能力。隨著G*/sinδ的增大，高溫時瀝青膠結料的流動變形減小，抗車轍能力逐漸增強。因此，G*/sinδ又稱車轍因子，是DSR試驗的主要技術指標。

彎曲梁流變儀(BBR)是SHRP規范中評價瀝青膠結料低溫性能最常用的方法，通過工程梁的相關理論檢測在蠕變荷載作用下小梁試件的低溫勁度(s)。研究發現，勁度s太大時，瀝青材料呈現出較大的脆性，路面容易在溫度和車輛荷載作用下發生開裂而破壞。m值則表征了瀝青勁度隨時間的變化情況，即蠕變斜率，m值越大，瀝青膠結料能夠在溫度下降時產生材料勁度降低的響應，降低材料內部的拉應力，從而減少了低溫開裂的風險。因此要保證瀝青膠結料的低溫抗裂性能，需要瀝青的勁度模量值小，且蠕變斜率大。為限制路面結構開裂，SHRP規定：m值(60 s)≥0.30；勁度模量s≤300 MPa。

1 原材料選擇及加工方法

1.1 原材料

廣西北部灣地區常用的路用廢舊輪胎橡膠粉以30～40目為主，多源于大車(900～1 200mm)輪胎；大車輪胎生產的橡膠粉中橡膠烴含量能保證>48%，能保證橡膠瀝青具有穩定的性能。試驗選用的膠粉為廣西區某企業生產的路用橡膠粉，橡膠粉物理指標及化學指標如表1～2所示。

表1 橡膠粉檢測結果表(物理指標)

表2 橡膠粉檢測結果表(化學指標)

試驗采用TIPCO-70#A級道路石油瀝青，該基質瀝青的技術性能指標測試結果如表3所示。

表3 TIPCO-70#A級道路石油瀝青各項性能試驗結果表

1.2 橡膠瀝青摻量及加工工藝

本次試驗中，膠粉摻量依次為18%、20%及22%(基質瀝青重量比)。橡膠粉改性瀝青室內制備工藝如下：基質瀝青快速升溫至185 ℃左右，加入烘干的橡膠粉；400 r/min下低速攪拌溶脹30 min；加入穩定劑，啟動剪切機，以5 000～6 000 r/min剪切速率剪切5 min；繼續以400 r/min低速攪拌發育60 min，保證橡膠粉顆粒分布均勻，完全分散于瀝青中。整個加工過程保持溫度不變，加工完成后取樣進行試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 橡膠瀝青DSR試驗結果及分析

本次DSR試驗采用英國Malvern生產的100D-ADS型動態剪切流變儀，該儀器可進行溫度、頻率、旋轉速率及應變控制范圍的精確控制；溫度控制區間為5 ℃～95 ℃，頻率范圍為10μHz～100 Hz，旋轉速率范圍為0.1μrad/s～320 rad/s，應變控制范圍為1%～100%。試驗結果見表4。

表4 瀝青動態剪切流變(DSR)試驗結果對比表

從表4看出：

(1)本項試驗70#基質瀝青的PG高溫分級為64，膠粉摻量分別為18%、20%、22%的橡膠瀝青高溫PG分級分別至少為76、82、82。橡膠粉的摻入可以極大提高基質瀝青的高溫抗剪切變形能力，針對本次試驗用基質瀝青和橡膠粉，可以提高至少2個高溫PG分級。

(2)隨著膠粉摻量的逐漸增加，橡膠瀝青在各個試驗溫度條件下的車轍因子均呈現出增大的趨勢，說明橡膠瀝青的高溫抗車轍性能隨橡膠粉摻量的增加而增加。可見，在實際施工過程中，在條件允許的情況下，適當提高橡膠瀝青的膠粉摻量有利于其高溫穩定性的提高。同時，18%摻量的橡膠瀝青在82 ℃條件下的車轍因子小于SHRP規范的規定值，其高溫PG分級比20%摻量和22%摻量的橡膠瀝青小1個PG分級。

(3)膠粉摻量由20%增加到22%以后，車轍因子增加的幅度相對減小。當膠粉摻量繼續增加時，其車轍因子是否繼續增加，有待于進一步深入研究，但從國內相關研究和工程實踐經驗來看，橡膠粉的摻量一般在22%以內。

(4)隨著試驗溫度的提高，各個摻量條件下的橡膠瀝青車轍因子均呈現出減小的趨勢，3個不同摻量橡膠瀝青車轍因子隨溫度變化的幅度基本相當。

由圖1～3，橡膠瀝青老化前后的車轍因子相比較而言，老化后車轍因子均比老化前有所增加，特別是當溫度82 ℃后，車轍因子相對老化前的增加幅度較大。摻量從18%、20%、22%都有相似的規律，也證明了橡膠瀝青在高溫狀況下的耐老化性能。

圖1 摻量18%橡膠瀝青老化前后車轍因子對比圖

圖2 摻量20%橡膠瀝青老化前后車轍因子對比圖

圖3 摻量22%橡膠瀝青老化前后車轍因子對比圖

2.2 橡膠瀝青BBR試驗結果及分析

本次BBR試驗采用美國產的ATS BBR彎曲梁流變儀，載荷：標準0～200 g可調系統在測試過程中保持±0.5 g的精度；試件支撐：直徑25 mm的不銹鋼間距101.6 mm；位移傳感器：6.35 mm，在標定范圍內分辨率為2μm。

進行低溫彎曲流變試驗時，采用的試驗溫度分別為-16 ℃、-22 ℃、-28 ℃，主要用來分析和評價膠粉摻量對蠕變勁度模量及蠕變速率的影響程度。評價標準為：m值(60 s)≥0.30；勁度模量s≤300 MPa。其中，橡膠瀝青采用旋轉薄膜老化后的瀝青試樣。試驗結果如表5所示。

表5 PAV殘留瀝青彎曲流變(BBR)試驗結果

從表5結果可知：

(1)70#基質瀝青的低溫PG分級溫度高于-16 ℃(從表中數據可預測為-10 ℃)，摻量18%、摻量20%的橡膠瀝青低溫PG分級為-16 ℃，摻量為22%的橡膠瀝青低溫PG分級為-22 ℃。可見橡膠粉的摻入可以極大提高瀝青的低溫彈性，從而提高低溫的抗裂性。

(2)隨著橡膠粉摻量的增加，在各個試驗溫度內的低溫蠕變勁度模量降低、蠕變速率增大，說明橡膠粉的增加可以增加瀝青的低溫彈性，摻量越大，瀝青的低溫彈性越好，低溫抗裂性越強。特別是當膠粉摻量在由20%增加到22%時，蠕變勁度模量和蠕變速率可以滿足SHRP規范規定的-22 ℃技術要求。

(3)膠粉摻量增加2%，可提供低溫PG分級一個等級。膠粉摻量18%和膠粉摻量20%的橡膠瀝青的低溫勁度模量、蠕變速率基本相當，摻量為20%的橡膠瀝青低溫性能略好于18%膠粉摻量的橡膠瀝青。

(4)隨著溫度的降低，各摻量的橡膠瀝青低溫蠕變勁度模量呈現不同程度的增加趨勢，同時蠕變速率逐漸變小，材料質地變脆。

2.3 橡膠瀝青PG分級結果

根據上述橡膠瀝青的DSR試驗和BBR試驗結果，以及SHRP的瀝青分級技術要求，18%、20%、22%膠粉摻量的橡膠瀝青PG分級結果如表6所示。

表6 橡膠瀝青PG分級結果匯總

廣西北部灣地區高溫多雨，氣候條件嚴苛，水泥路面加鋪橡膠瀝青面層的復合式路面及半剛性基層橡膠瀝青路面經受較大的考驗，對改性瀝青膠結料的高溫性能、低溫性能及彈性變形性能提出了較高要求。根據上述研究結果，建議在綜合考慮實際施工條件、經濟條件允許時，選用的橡膠瀝青中膠粉摻量可以適當增加。但同時要考慮到路面施工的和易性，保證施工效率，建議橡膠瀝青中膠粉摻量不宜超過22%。

3 結語

(1)在工程實際應用中，基質瀝青中添加橡膠粉制備改性瀝青，可提高瀝青的高溫抗車轍性能及低溫抗裂性能。

(2)橡膠粉改性瀝青，隨著膠粉的摻量增加，其高低溫性能都大幅度提升，但隨著膠粉摻量的增加，提升的幅度有所減小，膠粉的最佳摻量有待于進一步深入研究。

(3)采用SHRP分級的相關測試方法及指標適宜用量進行橡膠瀝青性能評價，橡膠瀝青在北部灣地區使用時，其SHRP分級指標宜滿足PG82-16的技術要求。

(4)橡膠瀝青的制備使用，既要考慮其路用性能的要求，又要考慮經濟的合理性及施工的和易性。