橡膠瀝青的低溫應力松弛特性

韓麗麗 韓紅紅 鄭木蓮

(陜西交通職業技術學院公路與鐵道工程學院1) 西安 710018)(長安大學特殊地區公路工程重點實驗室2) 西安 710064) (華邦建設投資集團有限公司3) 廣州 510030)

0 引 言

低溫開裂是瀝青路面最常見的病害之一，主要原因在于低溫下瀝青黏結料變脆變硬、應力松弛能力降低.因此，合理科學地評價瀝青結合料的低溫性能對認識瀝青混合料抗裂性能至關重要.橡膠瀝青已成為近年來應用較廣泛的改性瀝青技術之一，具有良好的高溫抗變形性能和耐疲勞開裂能力，還能充分消化汽車工業產生的大量廢棄輪胎，是一種可持續發展的改性瀝青技術[1-2].橡膠瀝青是由膠粉和基質瀝青在高溫下共混得到的熱力學不相容的共混體系，盡管在國內外工程中已得到大量應用，但由于膠粉和基質瀝青物理性質的差異、膠粉在基質瀝青中溶脹反應的復雜性等因素，目前尚未開發出有效的路用性能試驗與評價方法，對橡膠瀝青仍采用同聚合物改性瀝青相同的方法進行路用性能評價.

我國現行規范仍采用延度指標評價低溫時橡膠瀝青的抗裂性能，采用延度指標評價橡膠瀝青低溫性能，具有很強的經驗性，在理論依據、試驗溫度等方面存在局限性.橡膠瀝青屬于黏彈性材料，基于黏彈性理論科學地表征其應力松弛特性對評價橡膠瀝青低溫抗裂性能具有重要意義[3-4].應力松弛試驗是給試樣施加恒定應變，測定應力隨時間的變化規律，是評價材料黏彈性質的一種重要方法.由于低溫時瀝青性質硬脆，直接施加應變做應力松弛試驗比較困難，因此本研究借助BBR彎曲蠕變試驗，測定了三種橡膠瀝青的彎曲蠕變勁度，基于黏彈性力學模型進行參數擬合，預估得到不同橡膠瀝青的應力松弛函數，以評價其低溫應力松弛特性.此外，還分析了橡膠瀝青低溫黏彈性參數與常規低溫性能指標之間的關系.

1 Zener模型及應力松弛函數

1.1 Zener模型

Zener模型又稱標準線性固體模型，由一個Kelvin-Voight單元(一個彈簧和一個黏壺并聯)和一個彈簧串聯而成，見圖1.

圖1 Zener模型示意圖

該模型的應變、應力為

利用Laplace變換、逆變換可推導得出其本構方程為[5]

(1)

其中模型參數分別為

式中：p1為Zener模型的松弛時間，表達了模型在恒定變形下，勢能消失時間的長短，對材料變形具有決定性影響.彈性固體無應力松弛現象，高黏度流體松弛時間較長.黏彈性材料黏度越小，松弛時間越短.

1.2 應力松弛函數

應力松弛和蠕變試驗是反映材料靜態黏彈特性的兩類重要試驗.應力松弛試驗是對試樣施加恒定應變，研究材料內部應力隨時間逐漸衰減的現象.研究材料應力松弛特性時，常定義松弛模量E(t)為

應力松弛試驗中施加的恒定應變為ε(t)=ε0H(t)，ε0為初應變，H(t)為Heaviside函數.

將ε(t)=ε0H(t)代入Zener模型本構方程(1)，并進行Laplace變換得到：

(2)

式中：s為Laplace變換變量.

對式(2)再取逆變換,解得應力為

根據松弛模量的定義，有：

圖2 Zener模型的應力松弛曲線

2 材料與試驗方案

2.1 原材料

試驗所用基質瀝青為中海70#道路瀝青，膠粉為山東產的細度為380 μm路用廢胎硫化膠粉，相對密度1.16，橡膠烴含量≥48%，膠粉顆粒級配見表1.用于橡膠瀝青改性的納米材料為山東某公司生產納米粉末A，粒徑80 nm，比表面積20-45 m2/g，Fe2O3含量<1%，燒失量<8%.

表1 試驗所用膠粉的顆粒級配

2.2 改性瀝青制備

橡膠瀝青樣本為采用濕法Terminal blend工藝的低黏度膠粉改性瀝青，其具體制備工藝見文獻[6].其中對照組樣本為膠粉摻量10%的橡膠瀝青，另外兩組改性瀝青樣本為納米材料增韌的橡膠瀝青，膠粉摻量、納米材料摻量分別為8%+4%及8%+6%.

2.3 低溫性能試驗

橡膠瀝青屬于黏彈性材料，研究其低溫應力松弛特性對合理評價瀝青抗裂性能具有重要意義.應力松弛試驗是給試樣施加恒定應變，測定應力隨時間的變化.由于低溫時瀝青性質硬脆，施加應變較困難，因此本研究借助BBR彎曲蠕變試驗[7]，測定了三種橡膠瀝青的彎曲蠕變勁度(試驗溫度-18和-24 ℃)，然后基于黏彈性力學模型進行參數擬合，預估得到不同橡膠瀝青的應力松弛函數，以評價其低溫應力松弛特性.此外，還測定了上述試樣的5 ℃延度、25 ℃彈性恢復率，以考察橡膠瀝青低溫黏彈性參數與常規低溫性能指標之間的關系.

3 橡膠瀝青低溫黏彈性參數擬合

改性瀝青為典型黏彈性體，高溫時接近牛頓流體，低溫時性質更接近于彈性固體.有研究者采用Burgers模型對瀝青材料BBR試驗結果進行擬合，Burgers模型是黏彈性流體模型，盡管與蠕變曲線擬合度較高，但在表征負溫下瀝青應力松弛特性時，其穩態松弛模量趨于零，即應力完全松弛，這與材料在試驗中表現出的變形特性不符.BBR試驗溫度很低，在極低溫度下瀝青表現出黏彈性固體特性，即穩態松弛模量趨于一個非零的有限值，因此采用固體模型表征BBR試驗中橡膠瀝青的應力松弛特性更符合實際情況.

本研究采用采用Zener黏彈性固體模型評價橡膠瀝青的應力松弛特性，為了驗證模型對試驗數據的吻合性，采用Zener模型對蠕變曲線進行擬合，結果見圖3.由圖3可知，Zener模型對橡膠瀝青BBR蠕變數據擬合度很高，擬合系數0.991 4，因此可用其預估橡膠瀝青的應力松弛特性.

圖3 橡膠瀝青低溫蠕變曲線

為了得到橡膠瀝青低溫黏彈性參數，采用BBR試驗測得三組橡膠瀝青試樣的低溫蠕變曲線，見圖4.基于Zener固體模型的蠕變函數，對試驗蠕變曲線進行非線性擬合，得到不同橡膠瀝青的低溫黏彈性參數p1，q0，q1，作為評價應力松弛特性的依據.

圖4 橡膠瀝青低溫蠕變曲線

圖4表明溫度對橡膠瀝青低溫彎曲蠕變柔量影響較為顯著，溫度越低，蠕變柔量越小.其次，在溫度相同時，兩組摻加納米材料的橡膠瀝青蠕變柔量略小于未經納米增韌的橡膠瀝青試樣，且納米摻量對蠕變柔量影響不明顯，這主要是由于兩組膠粉+納米改性瀝青試樣膠粉摻量低于對照組造成.事實上，橡膠瀝青彈性主要來源于顆粒較粗、彈性較好的膠粉顆粒.且膠粉含量越高，彈性越好，蠕變柔量越大.摻入的納米尺度增韌材料主要從微觀角度對膠粉-基質瀝青共混體系的相態結構產生作用.圖4說明，納米摻量變化對柔量的影響不及膠粉摻量變化的影響顯著.

基于線性黏彈性理論，利用Zener模型蠕變函數關系，對三組橡膠瀝青樣本BBR試驗數據進行擬合進而得到不同溫度、不同橡膠瀝青樣本的低溫黏彈性參數p1，q0，q1，見表2.

表2 橡膠瀝青低溫黏彈性參數

由表2可知，溫度對三個黏彈性參數影響較顯著.溫度越低，同一瀝青試樣的松弛時間p1值越大，表示應力松弛速率越慢.黏彈性原理認為松弛時間表征了材料在應力松弛試驗中從初始時刻開始到大部分應力已經衰減經過的時間.松弛時間由材料性質決定.一般而言，理想彈性固體不發生應力松弛現象.黏彈性流體黏度越小，松弛時間越短，松弛速率越快.高黏度流體松弛時間較長.就本文橡膠瀝青樣本而言，在改性方案和改性劑用量一定時，溫度越低，松弛時間越長，瀝青越硬越脆，性質越接近彈性固體，路面內部由于溫度降低而產生的收縮應力松弛過程越緩慢，因此潛在的開裂風險越大.表2數據說明:松弛時間可以用來定量評價橡膠瀝青的低溫彈性和抗開裂性能.

表2還表明:在橡膠瀝青樣本中摻加納米材料對其應力松弛特性有一定影響.在兩種溫度條件下，摻加納米材料增韌后，松弛時間均顯著降低，說明橡膠瀝青黏性韌性增加.作者前期研究證明在橡膠瀝青中摻加納米材料后，其高溫性能指標均有所改善，本文試驗數據表明納米材料不僅會改善高溫路用性能，還會降低橡膠瀝青低溫應力松弛時間，如果應用在寒冷地區瀝青路面，可減輕路面潛在開裂的風險.

4 橡膠瀝青低溫應力松弛函數預估

瀝青材料的低溫應力松弛特性與瀝青混合料抗開裂性能有一定關聯[8]，因此研究應力松弛特性有助于更好地評價瀝青的低溫路用性能.由于目前規范尚未推薦瀝青材料應力松弛試驗方法，大部分國家采用BBR低溫彎曲蠕變試驗來評價瀝青的低溫抗開裂性能.因此本文基于線性黏彈性理論，利用BBR試驗數據，根據Zener模型預估了橡膠瀝青的應力松弛曲線.

圖5 不同溫度下橡膠瀝青預估應力松弛曲線

有研究者采用Burgers模型對瀝青BBR試驗數據進行擬合計算，根據PG瀝青性能規范要求，BBR實驗溫度較低，多在-12～-24 ℃，甚至更低.在負溫下，基質瀝青及改性瀝青彈性固體效應非常明顯，采用流體模型如Maxwell模型、Burgers模型評價其低溫黏彈性有一定的缺陷：因為流體模型應力是完全松弛的，其穩態松弛模量趨于零.圖5預測結果說明:橡膠瀝青穩態松弛模量是一個非零值，因此采用Zener固體模型評價低溫應力松弛特性更符合瀝青材料在BBR試驗中的變形特性.

5 松弛時間與延度、彈性回復率的相關性分析

我國現行規范仍采用延度指標評價低溫時基質瀝青與改性瀝青的抗裂性能.對基質瀝青通常測定10、15 ℃延度，測定結果不得小于規范規定值；對聚合物改性瀝青，則測定5 ℃延度，測定值不得小于規定值.延度指標實質上表達了瀝青在低溫拉伸時的延展能力，采用延度指標評價瀝青低溫性能存在以下缺點：①試驗方法及評價指標具有很強的經驗性，無明確的理論依據；②限于試驗方法，延度測試溫度一般在零度以上，目前最低可做到4 ℃，若溫度再低試樣非常硬脆，延度值無法測定；③延度指標不容易區分不同瀝青改性劑間的差異.

基于黏彈性理論采用松弛時間表征橡膠瀝青的低溫抗裂性能，物理力學意義明確、試驗溫度與路面低溫開裂溫度接近，且能明顯區分不同改性方案之間的差異.為了分析松弛時間與常規物理性質指標的關聯性，圖6以10%膠粉摻量的橡膠瀝青為例，給出了基于BBR試驗預估的松弛時間與5 ℃延度、25 ℃彈性恢復率之間的相關性分析結果.分析表明：松弛時間與延度之間無明顯相關性，進一步證明延度指標無法準確反映橡膠瀝青的低溫黏彈性能.圖6還給出了25 ℃彈性回復率與松弛時間的相關關系，分析表明二者存在較好的線性關系，且松弛時間越長，彈性恢復率越大.

圖6 橡膠瀝青松弛時間與低溫指標相關性

6 結 論

1)橡膠瀝青摻入納米材料后，蠕變柔量略小于未摻試樣，且納米摻量對柔量的影響不及膠粉摻量顯著.

2)用松弛時間表征橡膠瀝青低溫抗裂性，力學意義明確、試驗溫度與路面開裂溫度接近，能區分不同改性方案之間的差異.

3)橡膠瀝青穩態松弛模量是一個非零值，溫度越低，橡膠瀝青瞬時松弛模量越大，穩態松弛模量也越高，松弛時間越長，彈性固體效應越顯著.

4)松弛時間與延度之間無相關性，證明延度無法反映橡膠瀝青低溫黏彈性能；彈性回復率與松弛時間存在較好的線性相關性，且松弛時間越長，彈性恢復率越大.