基于流變特性的橡膠瀝青性能研究

崔 頔

(遼寧省交通建設投資集團有限責任公司 沈陽市 110166)

瀝青作為一種高分子材料,是一種典型的粘彈性材料,其流變性能與路用性能有著密切的聯系,而橡膠瀝青由于不同目數橡膠粉的加入,與普通瀝青在物理形態和化學性質方面均具有明顯差別[1-3],其評價指標和評價方法與基質瀝青較為不同。因此,為了更好的研究橡膠瀝青的性能,從流變學角度出發,利用流變學原理研究橡膠瀝青的性能。

1 試驗材料

本試驗采用三種輪胎橡膠粉,細度分別為28目、40目、60目三種,膠粉摻量為20%,選擇內摻方式。試驗采用基質瀝青分別為70#、90#、110#三種瀝青,其基本性能指標如表1所示。本研究所用橡膠瀝青代號如表2所示。

表1 基質瀝青基本技術性能指標數據

表2 橡膠瀝青所用代號

2 動態剪切流變(DSR)試驗

瀝青在較低溫度下接近完全彈性體狀態,滿足胡克定律,在高溫狀態下,呈現出完全粘性狀態,此時屬于非牛頓流體。采用動態剪切流變儀獲得瀝青流變學指標時,對瀝青試樣分別在-15℃、0℃、15℃、30℃、45℃及60℃溫度下進行動態頻率掃描試驗。試驗條件為:采用應變控制方式,掃描頻率為0.1～30Hz,測試的溫度低于45℃時,采用8mm的平行鋼板,板間距為2mm;測試溫度在45℃及45℃以上時采用25mm平行鋼板,板間距為1mm。

與此同時,文章選用改進CAM模型研究基質瀝青和橡膠瀝青復數模量主曲線的差別,以及橡膠粉細度及瀝青標號對橡膠瀝青復數模量主曲線的影響。并以15℃為參考溫度,按照CAM模型擬合得到了各瀝青的復數模量主曲線,各瀝青擬合得到的主曲線模型參數匯總如表3所示。

3 基于CAM模型的復數模量主曲線研究

3.1 基質瀝青和橡膠瀝青流變特性差異

為了更方便的研究基質瀝青復數剪切模量和橡膠瀝青復數剪切模量的差異,因90#、70#兩種瀝青體現出來的規律和110#瀝青一樣,文章僅以110#系列瀝青復數模量主曲線為例進行分析[4],其復數模量主曲線如圖1所示。

圖1 110#系列瀝青復數模量主曲線

從圖1可以看出,基質瀝青主曲線得到的曲線斜率要陡,說明基質瀝青復數剪切模量對頻率的敏感性要大,也就是基質瀝青溫度敏感性要大。不同細度下的橡膠瀝青復數模量主曲線之間的形狀基本類似。

通常來說,瀝青的頻率主曲線在高頻段反映的是瀝青材料低溫時的性質,在低頻段反映的是瀝青材料高溫時的性質。分析各個頻率段瀝青的模量可以發現,基質瀝青和橡膠瀝青各個頻率段的復數剪切模量有著顯著差別,特別是在低頻區和高頻區。同時可以看出,在高頻區基質瀝青的模量高于由同標號下不同細度膠粉改性得到的橡膠瀝青的復數剪切模量。說明不同細度的膠粉,均能在一定程度上改善瀝青的低溫性能。同時還可以發現,在低頻區,基質瀝青的復數剪切模量顯著小于各橡膠瀝青的復數剪切模量。此時說明橡膠瀝青材料在高溫低頻條件下有著更大的復數剪切模量,表明其抗永久變形能力優于基質瀝青。上述分析表明,膠粉的加入,顯著地改變了瀝青的流變特性,使瀝青材料在高頻下有較小的模量,有利于增強瀝青的低溫抗裂性能;在高頻時,增大了瀝青的模量,有助于提高其高溫抗變形能力。

3.2 橡膠粉細度對其流變特性影響

為研究橡膠粉細度對其流變性能的影響,文章仍以110#系列橡膠瀝青為例分析。瀝青的復數模量主曲線結果如圖2所示。

圖2 110#系列橡膠瀝青復數剪切模量主曲線

如圖2可以看出,在高頻區,加入40目廢胎膠粉的橡膠瀝青復數剪切模量相比于加入28目和60目膠粉的橡膠瀝青的復數模量要小。說明加入40目膠粉的橡膠瀝青有著更好的低溫性能。產生此結果的原因與不同瀝青間的輕質油分比例和不同膠粉在瀝青中的分布形態差異等有直接的關系。說明40目膠粉與瀝青中的輕質油分溶脹反應最為充分。而在低頻區,可以看出加入28目膠粉得到的橡膠瀝青復數剪切模量顯著大于加入40目和60目廢胎膠粉得到的橡膠瀝青,此時說明摻入28目膠粉改性得到的橡膠瀝青有著更好的高溫性能。這是因為28目的膠粉顆粒較粗,不易在高溫下發生脫硫降解反應,同時也更容易體現出橡膠顆粒高溫時的物理性能,因此在高溫時,28目的橡膠瀝青有著更高的模量。

3.3 瀝青標號對橡膠瀝青流變特性的影響

為研究瀝青標號對橡膠瀝青流變特性的影響,在基質瀝青中加入40目和60目的膠粉,其瀝青勁度模量主曲線如圖3所示。

圖3 40目膠粉及60目膠粉系列橡膠瀝青勁度模量主曲線

由圖3可以看出,在荷載作用初期,90#和110#瀝青在低溫改性能力上體現出來的差別明顯小于70#和90#之間改性能力的差別。隨著荷載作用時間的增長,110#瀝青與70#及90#瀝青的勁度模量上的差別開始體現出來,此時瀝青基為110#的橡膠瀝青的勁度模量顯著小于由70#及90#改性得到的橡膠瀝青的勁度模量,這說明110#橡膠瀝青有著更好的變形能力和應力松弛能力,在低溫條件下,有著更好的路用性能。

4 橡膠瀝青高溫性能評價研究

文章利用動態剪切流變儀(DSR)開展多應力重復蠕變恢復(MSCR)試驗,選用不可恢復蠕變柔量(non-recoverable creep compliance,)和變形恢復率(R%)來表征瀝青在重復荷載作用下累積變形來表征橡膠瀝青的高溫性能[5]。考慮到我國大部分地區夏季路面溫度為60～70℃之間,因此對各瀝青材料在60℃條件進行重復蠕變試驗。各瀝青的不可恢復蠕變柔量(Jnr)及變形恢復率(R%)如表4所示。

表4 不可恢復蠕變柔量(Jnr)及變形恢復率(R%)匯總表

由表4可以看出,基質瀝青的變形恢復率(R%)很低,基本只在4%左右,而橡膠瀝青的變形恢復率(R%)可高達80%。這說明重復荷載作用于橡膠瀝青所引發的變形,大部分都可以恢復,這對于減少瀝青的永久變形有著積極的意義。進一步分析上述數據還可以發現,隨著應力水平的增加瀝青材料的不可恢復蠕變柔量(Jnr)顯著增大,變形恢復率(R%)顯著減小。這表明,瀝青材料的抗變形能力對應力的變化較為敏感,因此當路面上大量出現超載、重載時,瀝青路面更易發生車轍。

與此同時,隨著膠粉目數的增加,橡膠瀝青的不可恢復蠕變柔量(Jnr)增大,變形恢復率(R%)減小。即隨著膠粉目數的減小,橡膠瀝青的高溫性能越好,這與前文的模量主曲線分析結果類似。各橡膠瀝青的不可恢復蠕變柔量(Jnr)及變形恢復率(R%)有明顯差異,可區分出不同橡膠瀝青的高溫性能,因此上述兩指標可作為橡膠瀝青高溫性能的評價指標。

5 結論

(1)通過CAM模型獲得了基質瀝青和橡膠瀝青的復數模量主曲線。通過復數模量主曲線分析得出:橡膠瀝青相比于基質瀝青在高頻下有著較小的復數模量,在低頻下有著較大的勁度模量,體現出更好的高低溫性能。

(2)膠粉細度對橡膠瀝青復數模量主曲線影響:在高頻區,40目膠粉橡膠瀝青有著較小復數剪切模量模量,體現出好的低溫性能;在低頻區,28目膠粉有著較大的復數剪切模量,體現出較好的高溫性能。

(3)摻入瀝青中膠粉細度一樣時,瀝青標號對橡膠瀝青復數模量主曲線影響:隨著標號增大,整個頻率范圍內復數模量主曲線向下平移,說明110#橡膠瀝青有著較好的低溫性能,高溫性能相對較差。

(4)通過多應力重復蠕變恢復試驗發現,膠粉的引入可明顯改善瀝青的高溫性能,不可恢復蠕變柔量(Jnr)及變形恢復率(R%)可作為橡膠瀝青高溫性能評價指標。