荒漠地区橡胶改性沥青老化性能试验分析

杨三强,张帅

(河北大学建筑工程学院,河北 保定　071002)



荒漠地区橡胶改性沥青老化性能试验分析

杨三强,张帅

(河北大学建筑工程学院,河北 保定071002)

摘要：沥青老化性能试验是评价沥青路面材料使用寿命的重要方法.通过采用旋转薄膜烘箱实验(RTFOT)后残留针入度、延度试验、动态剪切流变试验(DSR)方法,得到了荒漠地区橡胶改性沥青短期、长期老化规律.结果表明：RTFOT短期老化残留针入度：橡胶改性沥青>苯乙烯一丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)>克拉玛依(克)90号基质沥青；相位角δ：橡胶改性沥青DSR试验 SBS改性沥青>克90号基质沥青.研究得出掺入橡胶粉可明显提高沥青的抗变形、抗老化性能，可为废旧橡胶粉掺入路用沥青提供科学的理论支撑与技术指导.

关键词：橡胶粉；改性沥青；动态剪切；抗老化性能

由废弃轮胎加工成的橡胶粉作为一种改性剂添加到基质沥青中,不但能改善沥青的技术性能,提高路面使用性能,减少维修成本,而且还使得有限的资源最大化利用,减少环境污染,有益于可持续发展,符合中国的可持续发展战略和保护环境资源的基本国策.但研究表明适用于荒漠地区复杂气候环境下的路用橡胶改性沥青抗老化性能研究目前仍处于空白.本文对荒漠地区橡胶改性沥青老化性能采用短期老化试验及长期老化性能试验进行系统评价分析,研究成果可为荒漠地区高原强紫外线下沥青路面使用寿命提供理论支撑与技术指导.

1橡胶沥青的老化机理

沥青“老化”是指沥青从炼油厂被炼制出来,在储存、运输及使用工程中,受周围环境影响,发生挥发、氧化、聚合,从而改变了沥青材料的内部结构[1],导致沥青路用性能降低的过程.沥青老化是一个逐渐发生的过程,老化速率直接影响路面的耐久性,进而影响路面的使用寿命.沥青老化分为以下3种类型：

1)运输、储存、加热过程中的老化.

①受热沥青中的轻质成分不断挥发,使沥青变脆、变硬,降低黏度；②储存罐表面沥青与空气接触,发生化学反应,导致沥青老化；③沥青在管道内不断运行并由储存罐顶部洒落到罐内,沥青表面积增大,导致发生氧化作用[2].

2)沥青在加热、拌和以及摊铺过程中的老化.沥青在生产过程中的老化要比储存过程中的老化严重的多.

3)沥青在路面使用过程的老化.沥青路面长期受环境和荷载影响,沥青路面老化过程缓慢、周期长,沥青材料路用性能指标逐渐降低的过程,会直接影响路面的耐久性[3].

2橡胶改性沥青的短期老化

本研究采用旋转薄膜加热试验(RTFOT)评价橡胶改性沥青的短期老化，评价残留延度采用5 ℃控制.试验结果见表1所示.

表1　橡胶改性沥青、基质沥青、SBS改性沥青短期老化性能指标

从表1可以看出,经过RTFOT老化后,质量损失率：克90号基质沥青>橡胶改性沥青>苯乙烯一丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青，但不能说明基质沥青的抗老化性能好.因为RTFOT试验方法是将沥青暴露在热空气和气流中,一方面沥青与空气中的O2发生氧化反应,另一方面促使沥青中的轻质油分挥发,从而可能导致氧化沥青的质量增加,所以质量损失或增加不能反应沥青的老化性能.

从表1以及图1可以看出,RTFOT老化后,其残留针入度比：橡胶改性沥青>SBS改性沥青>克90号基质沥青.残留延度(5 ℃)：SBS改性沥青>橡胶改性沥青>克90号基质沥青.

图1　橡胶改性沥青、基质沥青、SBS改性沥青RTFOT后残留针入度比及5 ℃延度对比Fig.1　Rubber modified asphalt,asphalt,SBS modified asphalt RTFOT residual penetration and 5℃ centigrade ratio

3橡胶改性沥青的长期老化

采用动态剪切流变试验(DSR)对橡胶改性沥青的长期老化性能进行评价.在大多数路面承受交通的温度下,沥青的状况像一个弹性固体,又像一个黏性液体.DSR试验中通过测定沥青材料的复数剪切模数G*和相位角δ来表征沥青材料的黏性和弹性.复数剪切模数G*是最大剪应力和最大剪应变的比率[4],是材料重复剪切变形时总阻力的度量,包括2部分：弹性(可恢复)部分和黏性(不可恢复)部分.相位角δ是施加的应力和由此产生的应变滞后时间.对于完全弹性材料,加载和应变响应同时发生,相位角δ为0；黏性材料在加载和应变响应之间有较大的滞后,相位角δ接近90°.将复数剪切模数G*和相位角δ的正弦值2个参数相乘,得到一个与疲劳有关的系数—疲劳开裂因子.美国公路战略研究计划(SHRP)规定G*sinδ不大于5 000 kPa作为沥青材料疲劳开裂的控制指标[5],随着沥青在服务期内的逐渐老化,G*sinδ不断增加,若没有达到设计年限前，沥青的G*sinδ大于5 000 kPa,沥青的抗老化性能差,导致沥青抗疲劳的寿命缩短[6].本文采用马尔文公司的CVOR150旋转流变仪,试验角速度为10 rad/s,约相当于1.59 Hz.克90号基质沥青、橡胶改性沥青、SBS改性沥青DSR试验结果见表2所示.

表2　沥青原样、RTFOT老化后以及PAV老化后DSR试验结果

3.1相位角δ变化规律

相位角δ在高温条件下越小,其抵抗变形的能力越强,表明在沥青材料中弹性成分占的比例相对较大[8].图2、3分别为原样沥青、RTFOT老化后、PAV老化后相位角δ随温度的变化情况.从图2、3中可以看出,克90号基质沥青、SBS改性沥青和橡胶改性沥青其相位角δ均随温度的增高逐渐增加,说明沥青随温度的提高,弹性逐渐向黏性转变.橡胶改性沥青的相位角δ小于SBS改性沥青、克90号基质沥青的相位角δ.说明掺入橡胶粉可明显提高沥青的抗变形能力,且橡胶改性沥青的抗变形能力优于SBS改性沥青.

a.原样沥青;b.沥青RTFOT后.图2　基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青原样及其RTFOT后相位角δ随温度变化规律Fig.2　Change of the phase angle of the matrix asphalt,SBS modified asphalt,rubber modified asphalt and RTFOT with the text temperature

图3　基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青PAV老化后其相位角δ随温度变化规律Fig.3　Phase angle of the matrix asphalt,SBS modified asphalt and rubber modified 　　　asphalt PAV after aging with the text temperature

3.2车辙因子G*/sinδ的变化规律

图4为原样克90号基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青以及经过RTFOT老化后的车辙因子G*/sinδ随温度变化规律.从图4可以看出,克90号基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青其车辙因子G*/sinδ都随着温度增高逐渐降低,橡胶改性沥青的车辙因子G*/sinδ均大于SBS改性沥青、克90号基质沥青的车辙因子G*/sinδ,说明橡胶改性沥青有更好的抗车辙性能.

3.3抗老化性能G*sin δ的变化规律

G*sinδ越小,说明沥青结合料的抗老化性能越好[9].图5为克90号基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青经过PAV老化G*sinδ随温度的变化规律.从图5可见随温度的不断增加,PAV老化后的抗老化性能G*sinδ均减小,橡胶改性沥青G*sinδ均小于基质沥青、SBS改性沥青,说明橡胶改性沥青的抗老化性能较好.3种沥青中其抗老化性能比较：橡胶改性沥青抗老化性能> SBS改性沥青抗老化性能>克90号基质沥青抗老化性能.

图4　克90号基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青原样及其RTFOT后其G*/sinδ随温度变化规律Fig.4　Change law of G*/sinδ delta with the change of the temperature of the matrix 　　　asphalt,SBS modified asphalt rubber modified asphalt and RTFOT

图5　基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青经PAV老化后G*sinδ随温度变化规律Fig.5　Change law of G*sin δ delta with the temperature of the matrix asphalt,SBS modified asphalt and rubber modified asphalt by PAV

4小结

本文给出了干旱荒漠区橡胶改性沥青RTFOT后残留针入度对比试验、橡胶改性沥青长期老化DSR试验,通过分析橡胶改性沥青相位角δ变化规律、车辙因子G*/sinδ的变化规律、抗老化性能G*sinδ的变化规律,得出如下研究结论：

1)RTFOT短期老化试验表明,残留针入度:橡胶改性沥青>SBS改性沥青>克90号基质沥青；残留延度(5 ℃)：SBS改性沥青>橡胶改性沥青>克90号基质沥青.

2)DSR实验表明：克90号基质沥青、SBS改性沥青和橡胶改性沥青相位角δ均随温度的增高逐渐增加，橡胶改性沥青的相位角δ最小.实验说明掺入橡胶粉可明显提高沥青的抗变形能力,且橡胶改性沥青的抗变形能力优于SBS改性沥青.

3)研究发现,克90号基质沥青、SBS改性沥青、橡胶改性沥青其车辙因子G*/sinδ均随温度的增高逐渐降低,橡胶改性沥青的车辙因子G*/sinδ最大，SBS改性沥青次之，克90号基质沥青的车辙因子G*/sinδ最小,说明橡胶改性沥青具有优良的抗车辙性能.

4)分析PAV老化后的抗老化性能G*sinδ规律,研究发现：随着温度的不断增加,3种沥青抗老化性能G*sinδ均减小,橡胶改性沥青G*sinδ最小,说明橡胶改性沥青抗老化性能最优，且SBS改性沥青抗老化性能大于克90号基质沥青抗老化性能.

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(责任编辑：王兰英)

Analysis of long-term ageing properties of rubber modified asphalt in desert areas

YANG Sanqiang,ZHANG Shuai

(College of Civil and Architectural Engineering,Hebei University,Baoding 071002,China)

Abstract:Asphalt ageing test is an important method to evaluate the service life of asphalt pavement.By using the RTFOT residual penetration and delay test,DSR dynamic shear rheological test method the rubber modified asphalt short-term and long-term ageing rules in desertarea were obtained.The results showed that the rubber modified asphalt RTFOT short-term aging residual penetration>SBS modified asphalt residual penetration>G No.90 asphalt residual penetration;rubber modified asphalt DSR test phase angle DeltaSBS modified asphalt anti-aging properties>G No.90 asphalt anti-ageing performance.The research showed that the addition of rubber powder could obviously improve the anti deformation and anti aging properties of asphalt.Research results could provide scientific theoretical support and technical guidance approach for the waste rubber powder mixed with asphalt.

Key words:rubber powder;modified asphalt;dynamic shear;ageing property

DOI：10.3969/j.issn.1000-1565.2016.01.003

收稿日期：2015-03-12

基金项目：西部交通建设科技项目(2011318365600)；河北大学高层次引进人才项目

中图分类号：U419.91

文献标志码：A

文章编号：1000-1565(2016)01-0011-06

第一作者：杨三强(1980—),男,四川绵阳人，河北大学教授,博士后，主要从事路基、路面工程方向研究.

E-mail：ysq0999@163.com