橡膠瀝青粘溫性能及疲勞性能評價分析

覃保盛

文章將不同制備方法的橡膠瀝青與基質(zhì)瀝青以及SBS改性瀝青進行對比分析，并通過旋轉(zhuǎn)黏度試驗和動態(tài)剪切流變儀試驗評價其粘溫性能與疲勞性能。分析結(jié)果表明：在135 ℃～190 ℃范圍內(nèi)，橡膠瀝青的黏度和溫度穩(wěn)定性均高于SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青;在0 ℃、5 ℃、15 ℃時，橡膠瀝青的疲勞性能均優(yōu)于SBS改性瀝青以及基質(zhì)瀝青。

橡膠瀝青;疲勞性能;動態(tài)剪切流變儀

U416.218-A-14-043-4

0?引言

橡膠瀝青作為一種新型的環(huán)保材料，通過將廢舊輪胎磨碎為膠粉，加入到基質(zhì)瀝青中，可同時提高基質(zhì)瀝青的粘彈性能和高溫性能，同時又能夠改善廢舊輪胎丟棄、焚燒等帶來的黑色污染問題。橡膠瀝青具有降低道路建設(shè)及養(yǎng)護成本、緩解環(huán)境壓力、實現(xiàn)資源再生利用、提高瀝青混合料路用性能等諸多優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。

本文選用兩種橡膠瀝青，分別是成品采購的穩(wěn)定型橡膠瀝青和試驗室制備的膠粉改性瀝青，將其與目前應(yīng)用較為成熟的基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青進行對比，通過旋轉(zhuǎn)黏度試驗與動態(tài)剪切流變儀試驗評價橡膠瀝青的粘溫性能和疲勞性能。

1?試驗材料

本文采用四種瀝青，瀝青的種類及編號如表1所示。

穩(wěn)定型橡膠瀝青為成品采購，其采用特殊工藝實現(xiàn)廢膠粉與基質(zhì)瀝青的融合，并通過摻加劑等提高了混合物的穩(wěn)定性，避免了膠粉在瀝青中的離析，提高了貯存穩(wěn)定性。膠粉改性瀝青的制備工藝為：采用70#基質(zhì)瀝青，40目膠粉為子午胎低溫破碎而成，摻量為20%，在180 ℃的條件下用高速剪切機剪切45 min，剪切速度為5 000轉(zhuǎn)/min，之后在180 ℃烘箱中發(fā)育45 min。

2?試驗方案

首先進行四種瀝青（基質(zhì)瀝青、SBS改性、穩(wěn)定型橡膠瀝青、膠粉改性瀝青）的常規(guī)性能試驗，包括三大指標試驗與旋轉(zhuǎn)黏度試驗，了解四種瀝青的基本性能和粘溫性能，然后通過動態(tài)剪切流變儀的時間掃描功能，分析四種瀝青在不同應(yīng)變水平下的疲勞性能。

四種瀝青的三大指標試驗參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的試驗方法[3]，針入度的試驗溫度為25 ℃，延度的試驗溫度為5 ℃。

四種瀝青的旋轉(zhuǎn)黏度試驗采用布洛克菲爾德法，在135 ℃、145 ℃、160 ℃、170 ℃、177 ℃、190 ℃下分別進行試驗，并繪制粘溫曲線。

四種瀝青的動態(tài)剪切流變儀時間掃描試驗的樣品直徑為8 mm，厚度為2 mm。時間掃描以控制應(yīng)變的形式加載，加載波形采用正弦波。

瀝青膠結(jié)料疲勞壽命的定義為：復數(shù)模量下降為初始復數(shù)模量的50%時所對應(yīng)的加載次數(shù)（見圖1）。初始復數(shù)模量為試驗開始后所記錄的第5個數(shù)據(jù)點，以排除試驗開始階段儀器調(diào)整對試驗結(jié)果造成的影響[1]。

3?試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

3.1?三大指標試驗

四種瀝青的三大指標的試驗結(jié)果見表2。

3.2?粘溫性能

在135 ℃、145 ℃、160 ℃、170 ℃、177 ℃、190 ℃下分別進行試驗。四種瀝青的粘溫曲線如圖2所示。

在試驗溫度范圍內(nèi)（135 ℃～190 ℃），隨著溫度的升高，四種瀝青的黏度均下降，但是下降的速度越來越慢。同一溫度下，膠粉改性瀝青的黏度大于穩(wěn)定型橡膠瀝青，而且遠大于SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青。

采用美國材料協(xié)會ASTMD中的Saal公式loglog（η×103）=n-mlogT，在雙對數(shù)坐標下對四種瀝青的粘溫曲線進行擬合，結(jié)果如圖3和表3所示。

從圖3和表3中可知：（1）雙對數(shù)坐標下，旋轉(zhuǎn)黏度與溫度呈良好的線性關(guān)系，具有較高的擬合度;（2）Saal公式中的m反映曲線的斜率，斜率越大，瀝青的溫度敏感性越高，即隨著溫度的增加，黏度下降得越快;（3）四種瀝青中，穩(wěn)定型橡膠瀝青的溫度敏感性最低，即溫度穩(wěn)定性最好，往后依次為膠粉改性瀝青、SBS改性瀝青、基質(zhì)瀝青。

3.3?疲勞性能

初始試驗條件如下：溫度為15 ℃，加載頻率為10 Hz，應(yīng)變水平分別為3%、4%、5%。試驗結(jié)果見圖4和表4。

在此溫度和應(yīng)力水平下，SBS改性瀝青、穩(wěn)定型橡膠瀝青和膠粉改性瀝青一直未達到疲勞壽命，筆者將其中斷。因此在此溫度和應(yīng)力水平下，在疲勞性能方面，兩種橡膠瀝青和SBS改性瀝青，遠大于基質(zhì)瀝青。

為區(qū)分SBS改性瀝青和橡膠瀝青的疲勞性能，調(diào)整試驗條件如下：溫度為5 ℃，應(yīng)變水平分別為5%、6%、7%。試驗結(jié)果見圖5和表5。

從圖5和表5可知：（1）隨著應(yīng)變水平的增加，SBS改性瀝青和穩(wěn)定型橡膠瀝青的初始復數(shù)模量減小，疲勞壽命減小;（2）在5 ℃下，穩(wěn)定型橡膠瀝青的疲勞壽命長于SBS改性瀝青，即其疲勞性能更優(yōu)。

為區(qū)分穩(wěn)定型橡膠瀝青與膠粉改性瀝青的疲勞性能，調(diào)整試驗條件如下：溫度為0 ℃，應(yīng)變水平分別為6%、7%、8%。試驗結(jié)果如圖6和表6～7所示。

從圖6和表6～7可知，在此溫度下，隨著應(yīng)變水平的增加，穩(wěn)定型橡膠瀝青的初始復數(shù)模量減小，疲勞壽命減小。但對于膠粉改性瀝青，當應(yīng)變水平從7%增加至8%時，其初始模量和疲勞壽命同時減小。由此可見，初始模量與疲勞壽命呈現(xiàn)良好的相關(guān)性，在0 ℃下，穩(wěn)定型橡膠瀝青的疲勞壽命優(yōu)于膠粉改性瀝青。

4?結(jié)語

（1）135 ℃～190 ℃范圍內(nèi)，在旋轉(zhuǎn)黏度方面：膠粉改性瀝青>穩(wěn)定型橡膠瀝青>SBS改性瀝青>基質(zhì)瀝青;在溫度穩(wěn)定性方面：穩(wěn)定型橡膠瀝青>膠粉改性瀝青>SBS改性瀝青>基質(zhì)瀝青。

（2）基于動態(tài)剪切流變儀試驗中的時間掃描功能，通過調(diào)整溫度、應(yīng)變水平等不同的試驗條件，發(fā)現(xiàn)在疲勞性能方面：穩(wěn)定型橡膠瀝青>膠粉改性瀝青>SBS改性瀝青>基質(zhì)瀝青。

[1]李?廉.廢舊輪胎膠粉改性瀝青混合料低溫與疲勞性能研究[D]西安：長安大學， 2012.

[2]施正銀， 劉聰慧， 李雙霞， 等.瀝青膠漿疲勞特性研究[J].國外建材科技， 2008（6）：82-85.

[3]JTGE20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].