泡沫温拌橡胶沥青的低温性能与评价指标

顾　帆,徐　波,王　凯

(1.河海大学 土木与交通学院,江苏 南京 210098；2.南京南部路桥工程有限公司，江苏 南京 211399)



泡沫温拌橡胶沥青的低温性能与评价指标

顾帆1,徐波1,王凯2

(1.河海大学 土木与交通学院,江苏 南京 210098；2.南京南部路桥工程有限公司，江苏 南京 211399)

摘要：为研究泡沫温拌橡胶沥青的低温性能并探讨其评价指标，对泡沫温拌橡胶沥青和发泡后温拌苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(styrene-butadiene-styrene,SBS)改性沥青进行了延度试验、弯曲梁流变试验和动态剪切流变试验，探讨采用延度值、蠕变劲度模量S和玻璃化转变温度Tg评价泡沫温拌橡胶沥青低温性能指标的合理性。研究结果表明：在低温条件下，蠕变劲度模量S和玻璃化转变温度Tg的数据显示泡沫温拌橡胶沥青低温性能优于泡沫温拌SBS改性沥青，但延度值数据呈现相异结论。分析认为延度值不适宜评价泡沫温拌橡胶沥青的低温性能，而玻璃化转变温度Tg作为低温性能评价指标具有一定的可行性。

关键词：泡沫沥青；橡胶沥青；低温性能；评价指标

0引言

橡胶沥青技术在治理废旧轮胎“黑色污染”方面有着特殊的作用，但橡胶沥青的黏度高，其混合料在生产和施工过程中要求高温拌和、高温摊铺和高温碾压，不仅消耗了大量的能源，而且还会排放出大量的废气，对周围环境造成污染，影响施工人员的身体健康[1-2]。文献[3-4]研究证明了泡沫温拌技术可以较好地解决这一问题。虽然在沥青发泡条件与性能的研究上，众多研究者都做了相当多的工作，但对于泡沫温拌橡胶沥青的低温性能与评价指标的研究还不完善。

文献[5]研究了沥青发泡的条件，并且指出任何沥青在一定条件下都可以发泡。文献[6]研究发现泡沫沥青混合料的性能由集料和沥青种类决定，使用PG70-22M胶结料的泡沫温拌沥青混合料的性能优于热拌沥青混合料的性能。文献[7]对泡沫沥青的热拌混合料、温拌混合料和半温拌混合料的性能进行了对比，认为泡沫沥青热拌和温拌混合料的各项性能指标均符合普通热拌沥青混合料的要求。文献[8]论证得出：沥青路面的低温抗裂性能在寒冷地区尤为重要。然而，目前对于如何评价泡沫温拌橡胶沥青的低温性能还没有系统的研究。

本文采用延度值、蠕变劲度模量S和玻璃化转变温度Tg这3个指标对泡沫温拌橡胶沥青的低温性能进行了评价，并与发泡后温拌苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(styrene-butadiene-styrene,SBS)改性沥青进行对比研究。

1试验材料

1.1原材料

试验采用的橡胶沥青与SBS改性沥青的性能指标如表1所示。试验发泡用水为普通自来水。

1.2泡沫温拌沥青的室内制备

室内发泡试验采用德国维特根WLB 10发泡试验机，该试验机主要由沥青加热桶、水流量计、压缩空气罐、沥青泵和压力调节器等组成。根据国内外的研究成果，选择如下方案制备试验所用的泡沫沥青：(1)泡沫温拌SBS改性沥青加热温度为170 ℃，发泡用水量分别为沥青质量的0%、1%、2%和3%；(2)泡沫温拌橡胶沥青加热温度为185 ℃，发泡用水量分别为沥青质量的0%、1%、2%和3%。发泡水温度均为30 ℃。

表1　沥青的性能指标

2试验方法及结果分析

2.1方法

本文试验均按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行，采用3次平行试验取平均值的方式得出结果。

2.1.1延度试验方法

将保温后的试件连同底板移入延度仪的水槽中，然后将盛有试样的试模自玻璃板或不锈钢板上取下，将试模两端的孔分别套在滑板及槽端固定板的金属柱上，并取下侧模。

开动延度仪，在试验中，当发现沥青细丝浮于水面或沉入槽底时，在水中加入酒精或食盐，调整水的密度至与试样相近后，重新试验。试件拉断时，读取指针所指标尺上的读数，以cm计。如此进行3次平行试验，记录拉断时数据，取平均值。

2.1.2弯曲梁流变试验方法

按照试验要求制作试模，试件脱模后，立即放入试验温度的恒温浴中，恒温保持60 min后，将试件放置于支架上。将试验荷载和试验温度等有关信息输入到计算机中。向试件手动施加一个35 mN的接触荷载，施加荷载时间不能大于10 s，且保证试件与荷载之间的接触。激活自动试验系统，记录荷载与形变值。如此进行3次平行试验，取平均值。

2.1.3动态剪切流变试验方法

调整试验的板间隙后，将试件温度升到试验温度，在应力或应变控制方式下进行试验。当温度达到平衡时，设备将自动以10 rad/s的频率和选择的应力(应变)目标值进行试验，记录数据，用于计算复合剪切模量和相位角。如此进行3次平行试验，取平均值。

2.2延度试验结果与分析

选择5 ℃作为延度试验温度，分别测试了不同发泡用水量(质量分数)下的泡沫温拌SBS改性沥青和泡沫温拌橡胶沥青的延度，试验结果如表2所示。

表2　泡沫温拌沥青的延度值　cm

从表2的数据可以看出：随着发泡用水量的增加，泡沫温拌SBS改性沥青的延度值呈现先降低后逐渐升高趋势，最终略高于未发泡前的延度值。在发泡用水量为3%(质量分数，下同)时，泡沫温拌SBS改性沥青的延度值大于发泡前的延度值，低温性能有所改善。随着发泡用水量的增加，泡沫温拌橡胶沥青的延度值均升高，在发泡用水量为3%时，延度值比发泡前的增大了16.3%，低温性能提高较为明显。此外，泡沫温拌橡胶沥青的延度值小于泡沫温拌SBS改性沥青，这是因为SBS改性剂加入到沥青中，形成加劲网络结构。而橡胶粉掺入到沥青中会发生溶胀作用，在受拉过程中，拉伸方向产生较大的应变，致使胶粉颗粒与沥青界面的应力集中，导致试件容易被拉断。所以，使用延度值评价橡胶沥青的低温性能所得到的结果偏小，且易出现波动(如发泡用水量为1%的泡沫温拌橡胶沥青)。因此，延度值指标不适合用来评价泡沫温拌橡胶沥青的低温性能。

2.3弯曲梁流变试验结果与分析

试验仪器采用美国CANNON公司生产的弯曲梁流变仪，分别选用-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃的蠕变劲度S和蠕变速率m，对泡沫温拌SBS改性沥青和泡沫温拌橡胶沥青的低温抗裂性能进行评价[9]。试验60 s的S值和m值见表3。

表3　泡沫温拌沥青的蠕变劲度S和蠕变速率m

由表3可知：以-12 ℃为例，泡沫温拌橡胶沥青的低温性能优于泡沫温拌SBS改性沥青。随着发泡用水量的增加，泡沫温拌SBS改性沥青的蠕变劲度S值先升高后降低，而蠕变速率m轻微降低；当发泡用水量为3%时，泡沫温拌SBS改性沥青的蠕变劲度S值小于发泡前，低温性能得到改善。泡沫温拌橡胶沥青的蠕变劲度S明显比发泡前的蠕变劲度降低，而且蠕变速率m升高，说明泡沫温拌橡胶沥青的低温性能得到提高。随着发泡用水量的增加，泡沫温拌橡胶沥青的蠕变劲度S呈现降低趋势，蠕变速率m变化不明显；当发泡用水量为3%时，蠕变劲度S最低，比泡沫温拌橡胶沥青发泡前的低温性能提高了18.8%。

2.4动态剪切流变试验结果与分析

采用玻璃化转变温度Tg评价泡沫温拌沥青的低温性能，Tg越大沥青低温性能越差。玻璃化转变温度Tg不仅具有明确的物理意义，而且评价改性沥青的低温性能更为合理、准确，得到的评价结果与沥青混合料低温性能的评价结果相关性较好[10-11]。

在动态剪切流变试验中，复数剪切模量G*是材料重复剪切变形时总阻力的度量，它包括两部分：储存弹性模量G’(弹性可恢复)和损失弹性模量G’’(黏性不可恢复)。为模拟实际路面中沥青受到不同温度及不同频率动荷载的作用，使用美国TA-AR1500EX型动态剪切流变仪进行试验，测试了发泡温拌SBS改性沥青和发泡温拌橡胶沥青的损失弹性模量G’’。建立损失弹性模量对数值logG’’- 温度T曲线图，然后进行回归拟合计算，得到不同发泡用水量下的泡沫温拌SBS改性沥青和泡沫温拌橡胶沥青的玻璃化转变温度Tg，如表4所示。

表4　泡沫温拌沥青的玻璃化转变温度Tg　℃

由表4可知：随着发泡用水量的增加，泡沫温拌SBS改性沥青的玻璃化转变温度先增大后降低；当发泡用水量为3%时，泡沫温拌SBS改性沥青的玻璃化转变温度小于发泡前的Tg，低温性能得到改善。泡沫温拌橡胶沥青的玻璃化转变温度比橡胶沥青发泡前的玻璃化转变温度均降低，说明泡沫温拌橡胶沥青的低温性能得到改善。随着发泡用水量的增加，泡沫温拌橡胶沥青的玻璃化转变温度呈现持续降低趋势；当发泡用水量为3%时，玻璃化转变温度降幅最大，泡沫温拌橡胶沥青的低温性能改善最明显。

3结论

(1)加水发泡后，泡沫温拌橡胶沥青的低温性能得到提高，强于橡胶沥青发泡前的低温性能。随着发泡用水量的增加，泡沫温拌橡胶沥青的低温性能呈现逐渐升高趋势。当发泡用水量为3%时，泡沫温拌橡胶沥青的低温性能改善最明显。

(2)延度试验得到泡沫温拌橡胶沥青的5 ℃延度值小于泡沫温拌SBS改性沥青，因此，延度指标不适合用来评价泡沫温拌橡胶沥青的低温性能。

(3)玻璃化转变温度Tg具有明确的物理意义，采用Tg评价泡沫温拌橡胶沥青的低温性能，其评价结果与采用蠕变劲度S的评价结果大体上一致，具有一定的可行性。

参考文献：

[1]HURLEY G C,PROWELL B D.Evaluation of aspha-min zeolite for use in warm mix asphalt[R].Auburn:NCAT Report,2005.

[2]HURLEY G C,PROWELL B D.Evaluation of evotherm for use in warm mix asphalt[R].Auburn:NCAT Report,2006.

[3]吕威.温拌改性剂对沥青及沥青混合料路用性能影响研究[D].西安:长安大学,2012.

[4]陆晶晶.橡胶沥青性能影响因素与改性机理研究[D].西安:长安大学,2010.

[5]CASTEDO F,WOOD L E.Stabilization with foamed asphalt of aggregates commonly used in low-volume roads[J].Transportation research record,1983,898:297-302.

[6]BUSS A,RASHWAN M,BREAKAH T M,et al.Investigation of warm-mix asphalt performance using the mechanistic-empirical pavement design guide[C]//2009 Mid-Continent Transportation Research Symposium,2009.

[7]乔卫华.泡沫沥青发泡机理及其混合料性能的研究[D].重庆:重庆交通大学,2008.

[8]马峰,傅珍,宋帅.低温成型抗车辙功能沥青混合料路用性能研究[J].功能材料,2014,45(20):20007-20011.

[9]徐波,邹晓勇,顾一春.法赛对SBS改性沥青高低温性能的影响[J].河南科技大学学报(自然科学版),2014,35(6):57-60.

[10]曹丽萍,谭忆秋,董泽蛟,等.应用玻璃化转变温度评价SBS改性沥青低温性能[J].中国公路学报,2006,19(2):1-6.

[11]尹应梅,张肖宁,邹桂莲.基于玻璃化转变温度的沥青混合料低温性能研究[J].华南理工大学学报(自然科学版),2010,38(10):89-93.

中图分类号：U414

文献标志码：A

收稿日期：2015-03-26

作者简介：顾帆(1992-),男,江苏常州人,硕士生,研究方向为路面结构与材料.

基金项目：国家自然科学基金项目(51278173);江苏省交通运输厅基金项目(2012Y39)

文章编号：1672-6871(2016)03-0069-04

DOI:10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.03.015