橡膠瀝青復合材料動態剪切流變特性*

安文靜,盛冬發,張思成,王怡楠,朱 軍

(西南林業大學 土木工程學院 ,昆明 650224)

0 引 言

橡膠瀝青復合材料作為一種典型的黏彈性材料，其動態流變力學性能比其他類型的瀝青復合材料更復雜，在抗路面高溫變形中起著重要作用[1-2]。同時，橡膠瀝青復合材料也是一種較典型的溫敏材料，不同工藝材料的路用性能差異較大。橡膠瀝青復合材料是先將廢舊輪胎原質加工成橡膠粉，同時加入各種高分子改性劑，并在高溫條件下與基質瀝青充分溶脹反水損壞性等特點，是一種理想的環保型路面材料。橡膠瀝青復合材料由于加入了橡膠粉使得瀝青材料的黏性和彈性提高，抗車轍能力提升，因此可廣泛應用于道路結構中的應力吸收層和表面層中[4]。早在1845年，英國就開始在瀝青中摻加橡膠以改善其力學性能。此后，日本、法國等國家也開始對橡膠瀝青復合料的力學性能進行研究[5]。因此，橡膠瀝青復合材料在國外早已得到廣泛地應用[6]。在20世紀90年代之前，由于國內社會發展相對落后，汽車數量較少，舊輪胎總量不大，對環境污染影響較小。此外，廢舊輪胎粉碎處理技術不太成熟，設備相對落后，復雜的社會環境等因素導致這項技術在國內沒有受到足夠重視。隨著經濟和社會發展，我國廢舊輪胎的數量已躍居世界第二，橡膠回收利用迫在眉睫[7]。在綠色環保和橡膠瀝青復合材料廣泛應用的大背景下，我國也開展了橡膠瀝青復合材料應用方面的研究。然而，國內對橡膠瀝青復合材料動態剪切流變性能方面的研究仍然較少。因此，研究橡膠瀝青復合材料動態流變性能具有重要意義。

黏度是橡膠瀝青復合材料主要性能指標，在橡膠瀝青復合材料應用更普及的國家和地區，黏度作為重要的溫度控制指標而被使用[8]。黏度與橡膠瀝青復合材料動態穩定性有著較強的相關性。載荷相同條件下，橡膠瀝青復合材料黏度越高產生剪切變形越小，材料彈性性能恢復越好。另外，溫度對橡膠瀝青復合材料黏彈性影響顯著。因此，想要有效提升路面抗變形能力，還需考慮橡膠瀝青復合材料的變溫黏彈性問題。國外通常使用Brookfield方法測定不同溫度下橡膠瀝青復合材料的黏度，且規范中提出橡膠瀝青復合材料在135 ℃溫度下的黏度不應超過3 Pa·s，用來控制規范橡膠瀝青復合材料施工性能[9]。

韓麗麗等[10]通過頻率掃描實驗確定了儲存模量、耗損模量等參數，研究結果表明在瀝青混合料中添加納米材料可以改善瀝青彈性從而提高其抗車轍能力。王淋等[11]采用動態剪切流變儀對巖瀝青改性瀝青和SSB改性瀝青等進行疲勞性能分析，研究結果表明添加5%巖瀝青和18%膠粉可以提升材料的抗疲勞性能。邢明亮等[12]通過改變材料配比、溫度等影響因素觀察高黏瀝青膠漿動態剪切流變特性，動態剪切流變試驗結果表明增加瀝青的黏度或增大礦粉表面積可提升高黏瀝青膠漿的溫敏性和抗變形性能。

本文介紹了橡膠瀝青復合材料黏彈性基本理論，應用該理論和動態剪切流變實驗對不同橡膠含量的瀝青復合材料的動態剪切流變特性進行了研究。通過動態剪切流變儀在不同溫度下對不同膠粉含量的橡膠瀝青復合材料試樣進行測試，得到橡膠瀝青復合材料的黏度、儲存模量和損耗模量，將理論與實驗的結果進行對比發現理論值與實驗值吻合較好。

1 橡膠瀝青復合材料黏彈性基本理論

橡膠瀝青復合材料的三參量流變模型[13]是由一個Kelvin模型和一個彈簧串聯而成，如圖1所示。

圖1 橡膠瀝青復合材料三參量流變模型

該模型的應力σ和應變ε可用元件參量表示為

(1)

式中：ε1為蠕變應變，ε2為彈性應變。E1、E2為彈性模量，η1為黏度。由Laplace變換與逆變換可導出該力學模型的本構關系為

(2)

式中各物理參數為p1=η1/(E1+E2)，q0=E1E2/(E1+E2)，q1=E2η1/(E1+E2)。

對該模型的本構方程(2)作Laplace變換與逆變換，可導出橡膠瀝青復合材料的蠕變過程與松弛過程的表達式為

(3)

(4)

令

(5)

(6)

通過實驗數據發現橡膠瀝青復合材料的黏度η1與溫度T呈現二次冪函數關系，與橡膠粉摻量M呈現指數關系，而與時間的關系較為復雜，并未發現明顯的規律。因此，利用DSR黏度預估模型得到橡膠瀝青復合材料的理論黏度η1為

η1=a(T+b)2·ecM+d

(7)

式中，a、b、c、d為待定常數。以橡膠粉摻量M=5%為例，由不同溫度下的DSR黏度數據，采用Origin軟件的函數擬合功能，對黏度預估模型的4個待定參數進行了擬合，得到待定常數a、b、c、d分別為1、-93.31、-264.17和0.0013。其擬合曲線如圖2所示。

圖2 黏度預估模型溫度譜

將待定常數代入黏度目標預估模型，即可得到DSR黏度預估模型為

η1=(T-93.31)2·e-264.17M+0.0013

(8)

從該預估模型相關性分析可知其相關系數為0.979，說明該黏度預估模型具有較高的精度。對于不同橡膠粉摻量，由其得到的待定常數和由橡膠數摻量M=5%得到的待定常數相同。限于篇幅原因，這里不再對其他橡膠粉摻量的黏度目標預估模型進行擬合。

由松弛模量與復模量的轉換關系式，可得到復模量的實部(儲存模量G′)和復模量的虛部(損耗模量G″)即

(9)

(10)

式中，ω為實驗頻率，其值取1.59156 Hz。并且可以定義損耗因子(即損耗角正切值)為

(11)

表1為3種橡膠瀝青復合材料在不同時刻下的應變量，{εi}為其對應的應變列陣。由式(6)采用最小二乘法原理對實驗數據進行曲線擬合，即

表1 3種橡膠瀝青復合材料不同時刻的應變量

{|δ|}2={|Δε|}2=(Δε)TΔε=({εi}-{J(ti)}σ0)T({εi}-{J(ti)}σ0)

(12)

為了求得3種橡膠瀝青復合材料的彈性模量E1、E2，可對式(12)隱含的未知量p1、q1分別求導，并令其導數等于零，可得到未知量p1、q1。再根據由實驗確定的黏度η1可得到材料的兩個彈性模量E1和E2，如表2所示。

表2 3種橡膠瀝青復合材料的彈性參量

將所求得的流變參量E1、E2、η1代入式(9)～(11)，可得到不同溫度下橡膠瀝青復合材料的儲存模量、損耗模量以及損耗因子的理論值。

2 實驗與結果分析

2.1 動態剪切流變實驗

實驗所用橡膠粉為常溫研磨法生產的廢胎膠粉，取自上海(大貨子午胎)；基質瀝青為70號A級道路石油瀝青，由上海宏潤建設集團股份有限公司生產。橡膠瀝青制備采用濕法工藝，將3份相同基質瀝青加熱到180～185 ℃，分別加入5%、10%和15%橡膠粉(外摻)，均采用高速剪切機分別進行攪拌，速度為1 000 r/min，反應時間為60 min。實驗儀器為動態剪切流變儀，型號為Smart Pave 92，由上海商貿有限公司安東帕公司生產。

采用動態剪切流變儀對橡膠瀝青復合材料的黏度(η)、儲存模量(G′)、損耗模量(G″)和損耗因子(tanδ)進行測定。溫度變化范圍為20～100 ℃，升溫速度約為1 ℃/min，測量頻率為1.59156 Hz。采用實驗模具分別制作5%、10%和15%橡膠瀝青復合材料試樣，然后分別將試樣放于DSR儀器的旋轉軸和固定板間。將超出旋轉軸邊緣的試樣部分修正規整，然后再消除試樣之間的間隙。將橡膠瀝青復合材料試件放置好，試驗溫度穩定后等待溫度同測試溫度平衡，為了方便控制參數和記錄實驗結果將計算機同DSR相連。隨后在不同溫度下對橡膠瀝青復合材料的動態剪切流變力學特性進行測試。利用DSR分析儀對膠瀝青復合材料進行動態黏彈性測定，分別得到橡膠瀝青復合材料的黏度、儲存模量、損耗模量和損耗因子等參數。

2.2 結果與討論

將實驗測得的黏度、儲存模量、損耗模量和損耗因子等參數與理論值進行對比分析。圖3、圖4分別為測量頻率1.59156 Hz下，5%、10%和15%橡膠瀝青復合材料黏度η與儲存模量G′溫度譜的實驗值與理論值對比。由圖3可知，在DSR測試下，隨著測試溫度升高，橡膠瀝青復合材料的黏度都呈現降低趨勢；而隨著膠粉含量增大，橡膠瀝青復合材料的黏度均呈現增大的趨勢。由圖4可知，在DSR測試下，隨著測試溫度升高，橡膠瀝青復合材料試樣的儲存模量都有降低趨勢；而隨著膠粉含量增大，橡膠瀝青復合材料的儲存模量均呈現增大的趨勢。

圖3 不同粉膠含量材料黏度的溫度譜

圖4 不同粉膠含量材料儲存模量的溫度譜

圖5、6分別為測量頻率為1.59156 Hz下，5%、10%和15%橡膠瀝青復合材料試件損耗模量G″與損耗因子溫度譜的實驗值與理論值對比。由圖5可知，在DSR測試下，隨著測試溫度升高，橡膠瀝青復合材料試樣的損耗模量都有降低趨勢；而隨著膠粉含量增大，橡膠瀝青復合材料的損耗模量均呈現增大的趨勢。由圖6可知，在DSR測試下，隨著測試溫度升高橡膠瀝青復合材料試樣的損耗因子均有增大的趨勢；而隨著膠粉含量增大，橡膠瀝青復合材料的損耗因子卻呈現降低的趨勢。

圖5 不同粉膠含量材料損耗模量的溫度譜

圖6 不同粉膠含量材料損耗模量的溫度譜

3 結 論

利用Origin軟件函數擬合功能,對黏度預估模型的4個待定參數進行了擬合。利用三參量流變模型，推導了橡膠瀝青復合材料黏彈性的動態剪切流變參數。采用動態剪切流變儀(DSR)對5%、10%和15%橡膠瀝青復合材料試件進行剪切流變實驗，將實驗結果與理論結果進行比較，得到如下結論：

(1)通過Origin軟件函數擬合功能得到DSR黏度目標預估模型的4個待定參數，該模型與實驗結果的擬合相關系數為0.979，表明該模型可為橡膠瀝青復合材料黏度受溫度影響提供一定參考依據。

(2)利用三參量流變模型，推導了橡膠瀝青復合材料黏彈性的動態剪切流變參數。利用三參量流變模型和DSR黏度目標預估模型求出了橡膠瀝青復合材料黏度、儲存模量和損耗模量和損耗因子。

(3)隨著溫度升高，橡膠瀝青復合材料黏度、儲存模量和損耗模量呈現降低趨勢，而其損耗因子呈增大趨勢。而隨著膠粉含量增大，膠瀝青復合材料黏度、儲存模量和損耗模量均呈現增大趨勢，而損耗因子卻呈現降低趨勢。由于材料儲存模量越大，損耗因子越小，材料愈接近理想彈性材料，因此15%橡膠瀝青復合材料動態流變特性要優于5%、10%橡膠瀝青復合材料。