橡胶沥青胶浆低温流变特性灰关联分析

徐鸥明，侯德华，王士珩，魏　颖

(1.长安大学交通铺面材料教育部工程研究中心， 陕西西安710061； 2.长安大学材料科学与工程学院， 陕西西安710061； 3.西安公路研究院， 陕西西安710054)



橡胶沥青胶浆低温流变特性灰关联分析

徐鸥明1，2，侯德华1，2，王士珩1，2，魏颖3

(1.长安大学交通铺面材料教育部工程研究中心， 陕西西安710061； 2.长安大学材料科学与工程学院， 陕西西安710061； 3.西安公路研究院， 陕西西安710054)

摘要：为评价不同组成因素对橡胶沥青胶浆低温流变特性的影响，采用弯曲梁流变仪，测出了3种胶粉掺量、3种胶粉细度以及8种粉胶质量比(0.8，0.9，1.0，1.1，1.2，1.3，1.4)的橡胶沥青胶浆蠕变劲度和蠕变曲线斜率，并运用灰色理论分析了不同因素的影响程度。研究结果表明： 橡胶沥青胶浆低温蠕变劲度模量随胶粉掺量的增加而减小，蠕变曲线斜率则呈增大趋势；20目胶粉具有最低的蠕变劲度模量和最大的蠕变曲线斜率；粉胶比增大会导致蠕变劲度模量增大和蠕变曲线斜率减小；粉胶比对橡胶沥青胶浆低温蠕变劲度模量影响最大，其次是橡胶粉掺量；基于橡胶沥青胶浆低温流变特性，建议粉胶比小于1.2，采用22%的胶粉掺量和20目胶粉。

关键词：道路工程；橡胶沥青；胶浆；粉胶质量比；蠕变劲度；蠕变曲线斜率；灰关联

1原材料技术性质

1.1沥青

基质沥青选用90号道路石油沥青，主要技术性质如表1所示，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)要求。

表1　基质沥青主要技术性质

1.2橡胶粉

橡胶粉采用20目、40目和60目3种，物理技术指标满足表2要求。

表2　橡胶粉的物理技术指标

1.3矿粉

填料采用石灰岩矿粉，其主要技术性质如表3所示。

应用SPSS Statistics软件对HPLC-ELSD法和HPIC-CD法测得的硫酸盐的结果进行统计分析，采用配对样品t检验，P＞0.05，表明用两种方法测得硫酸盐的结果无显著性差异。

表3　矿粉主要技术性质

2试验方案

2.1橡胶沥青胶浆制备

①橡胶沥青:首先将基质沥青加热融化，在180 ℃～185 ℃加入废旧橡胶粉，高速剪切60 min，并恒温发育4 h，并用玻璃棒人工搅拌，防止橡胶沥青发生离析；发育完成后即制成橡胶沥青。

②橡胶沥青胶浆:将矿粉干燥；同时，将制备好的橡胶沥青加热到175 ℃，再加入矿粉时,用玻璃棒搅拌均匀，制成橡胶沥青胶浆。

2.2橡胶沥青胶浆低温流变特性测试

对沥青低温性能评价，欧盟推荐采用经过旋转薄膜烘箱老化后的沥青的弗拉斯脆点和低温延度来表征；而我国一般采用原样沥青和经短期老化沥青的低温延度来表征沥青低温抗裂性能。美国SHRP计划提出采用弯曲梁流变仪(BBR)来测量沥青在低温下的蠕变劲度S，若沥青的蠕变劲度S太大，则呈现出脆性，如果用这种沥青铺筑路面则容易产生开裂破坏；同时，表征沥青蠕变劲度随时间变化的曲线斜率m值越大，则意味着当由于温度下降而使路面产生收缩时，胶结料的响应如同降低了劲度的材料，从而导致材料的拉应力松弛增大，故低温开裂的可能性会随之减小。因此，SHRP认为选用较小蠕变劲度模量值和较大蠕变斜率的沥青胶结料可获得较好的低温抗裂性。SHRP的沥青胶结料规范要求使用经旋转薄膜烘箱老化和压力老化后的沥青来进行BBR试验；本文主要是分析不同因素对橡胶沥青胶浆低温性能影响程度，因此直接采用原样沥青制成的沥青胶浆进行试验。

3试验结果与分析

3.1胶粉掺量对橡胶沥青胶浆低温流变特性的影响

选用40目胶粉，以胶粉掺量18%、20%、22%(质量比)分别制成橡胶沥青，再与矿粉按不同粉胶比(0.8、1.0和1.2)搅拌均匀后制成橡胶沥青胶浆小梁，然后在-12 ℃采用BBR进行测试。结果如图1所示。

图1　胶粉掺量与胶浆的低温流变特性关系

由图1可以看出，橡胶沥青胶浆的劲度模量随胶粉掺量的增加而显著降低，而蠕变曲线斜率则缓慢增加。这表明随着胶粉掺量的增加，橡胶沥青胶浆脆性降低、应力松弛能力提高，故而低温抗裂性能提高。

3.2胶粉细度对橡胶沥青胶浆低温流变特性的影响

20%掺量下不同细度(20目、40目、60目)的橡胶沥青胶浆低温流变特性试验结果如图2所示。

图2　细度与橡胶沥青胶浆的低温流变特性关系

由图2可以看出，橡胶沥青胶浆劲度模量随橡胶粉细度减小而增大，即目数越大，劲度越大。这表明，掺加的橡胶粉粒径大，低温变形能力强，对提高沥青胶浆低温抗裂能力有利；蠕变速率则随着橡胶粉细度减小而减小，即胶粉越细蠕变速率越小。这表明，在低温时，采用大粒径橡胶粉制备的沥青胶浆具有较高的应力响应，降低了拉应力，因而降低了开裂风险。由此可见，就提高橡胶沥青胶浆低温抗裂性来说，宜采取粒径较大的橡胶粉制备橡胶沥青。

3.3粉胶比对橡胶沥青胶浆低温流变特性的影响

40目胶粉20%掺量下不同粉胶比胶浆低温流变特性试验结果如图3所示。

图3　粉胶比与橡胶沥青胶浆的低温流变特性关系

由图3可以看出，橡胶沥青胶浆劲度模量随粉胶比的增大而缓慢增大，蠕变速率则呈减小趋势。这表明，随粉胶比的增大，橡胶沥青胶浆低温变形能力和应力松弛能力降低，低温抗裂性能变弱。这是因为，橡胶沥青与矿粉混合后，矿粉吸附沥青，在表面形成一层结构沥青；在此结构层外的沥青则是自由沥青。结构沥青具有很强的粘结力，促使矿粉颗粒相互接触，阻碍自由流动。随着矿粉增加，结构沥青数量增多，自由沥青数量降低，胶浆流动性降低，柔性变差，劲度增大，蠕变曲线斜率减小，变形能力降低。综合橡胶沥青胶浆的劲度和蠕变曲线斜率，粉胶比宜小于1.2。

3.4不同因素对橡胶沥青胶浆低温流变特性的灰关联分析

近年来，灰色理论被广泛用于工程中[14]。本文也采用灰色理论分析橡胶沥青胶浆组成指标对橡胶沥青胶浆低温流变特性的影响：

①确定分析数列。橡胶沥青胶浆蠕变劲度描述了在某一温度下沥青胶浆的变形能力，蠕变劲度越小，柔性越好，抗开裂能力越强。因此以橡胶沥青胶浆蠕变劲度作为参考数列，以橡胶粉细度、掺量和粉胶比作为比较数列，原始数据如表4所示。

②初始化数据。对表4中的原始数据进行初始化，使各指标无量纲化。

③计算灰关联系数。由初始化数据表计算得到灰关联系数，如表5所示。

④各因素关联度。计算各因素的关联度，结果如表6所示。

表4　橡胶沥青胶浆低温蠕变劲度原始数列

表5　不同因素关联系数

表6　各因素关联度

由表6可以看出，各组成因素关联度大小顺序为：粉胶比>橡胶粉掺量>细度。这表明，以胶浆蠕变劲度为考察对象时，粉胶比影响程度最大，其次是胶粉掺量，而细度影响最小。因此，为了确保橡胶沥青混合料具有较好的低温性能，首先应控制粉胶比不宜过大；同时，在满足工艺性前提条件下尽量采用大的橡胶粉掺量。

4结语

①橡胶沥青胶浆的低温变形能力随着胶粉掺量的增大而增强。22%掺量的橡胶沥青胶浆的低温抗裂性最好，20%掺量的橡胶沥青胶浆次之，18%掺量的橡胶沥青胶浆最差。

②橡胶沥青胶浆的低温变形能力随着胶粉细度的减小而增强。20目胶粉制成的橡胶沥青胶浆低温变形性能最优60目胶粉制成的橡胶沥青胶浆低温变形性能最差。

③橡胶沥青胶浆低温变形能力随粉胶比增大而降低。

④基于橡胶沥青胶浆低温蠕变劲度和灰关联分析，粉胶比影响最大，其次是橡胶粉掺量；综合考虑，建议粉胶比不宜大于1.2，胶粉掺量22%，胶粉细度为20目。

参考文献:

[1]刘丽.沥青胶浆技术性能及评价方法研究[D]. 西安：长安大学,2004.

[2]段国胜.基于测力延度试验的沥青胶浆低温性能评价[J]. 科学技术与工程,2012,12(21):5387-5390.

[3]邢明亮,陈拴发,关博文,等.高粘沥青胶浆低温性能评价与分析[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版),2013,45(3):416-421.

[4]李涛,扈惠敏.矿粉对沥青胶浆性能的影响[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版),2013,36(8):983-987.

[5]吴萌萌,李睿,张玉贞,等.纤维沥青胶浆高低温性能研究[J]. 中国石油大学学报(自然科学版),2015,39(1):169-175.

[6]陈松强,王东升,庞骁奕,等.粉煤灰沥青胶浆低温收缩性能试验研究[J]. 低温建筑技术,2015(1):23-25.

[7]李华平.硅藻土对沥青胶浆技术性能的改性作用研究[J]. 华东公路,2015(1):41-43.

[8]杨晓凯,熊锐,范天奇,等.活化煤矸石改性沥青胶浆流变性能实验研究[J]. 材料导报,2015,29(6):135-139.

[9]叶群山，吴少鹏.聚酯纤维沥青胶浆流变特性研究[J]. 公路交通科技，2009，26(9)：37-40.

[10]MORRISON G R, HESP S A M. A new look at rubber-modified asphalt binders[J]. Journal of Materials Sciences, 1995, 30(10): 2584-2590.

[11]BAHIA H U, DAVIES R. Effect of crumb rubber modifiers (CRM) on performance-related properties of asphalt binders[J]. AAPT, 1994, 63: 414-438.

[12]LOUGHEED T J, PAPAGIANNAKIS A T. Viscosity characteristics of rubber-modified asphalts[J]. J.Mater.Civil Eng., 1996, 8(3): 153-156.

[13]何立平，申爱琴，谢成，等.橡胶沥青结合料性能正交试验[J]. 长安大学学报(自然科学版)，2014，34(1)：7-12.

[14]胡长明，董翔，刘凯.基于灰色—遗传算法的线性材料费用控制[J]. 广西大学学报(自然科学版)，2015,39(2)：245-252.

(责任编辑唐汉民梁碧芬)

收稿日期：2016-01-11；

修订日期：2016-01-21

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51578076)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(310831161019)

通讯作者：徐鸥明(1979—),男,安徽巢湖人，长安大学副教授, 博士，博士后；E-mail: omxu@chd.edu.cn。

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0651

中图分类号：U415.75

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)03-0651-07

Gray relationship analysis of the low-temperature rheological properties of asphalt rubber mortar

XU Ou-ming1,2, HOU De-hua1,2, WANG Shi-heng1,2, WEI Ying3

(1.Engineering Research Center of Transportation Materials，Ministry of Education，Chang’an University，Xi’an 710061，China； 2.School of Materials Science and Engineering，Chang’an University,Xi’an 710061, China； 3.Xi’an Highway Research Institute, Xi’an 710054, China)

Abstract：In order to evaluate the effect of different factors on the low-temperature rheological properties of asphalt rubber mortar, creep stiffness modules and creep rate of asphalt rubber mortars with three types of crumb rubber dosage, three types of size, and eight types of mass ratio of filler/asphalt (0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, and 1.4) were studied by using bending beam rheometer. Based on the gray theory, the gray relationship of size, dosage, and mass ratio of filler/asphalt were acquired. The results show that the creep stiffness modules decrease with the increase of addition content of crumb rubber. While the creep rate increases with the increase of dosage of crumb rubber. And the size of 20-mesh crumb rubber has the lowest creep stiffness module and the highest creep rate. It can also be found that the low-temperature cracking resistance of asphalt rubber mortar decreases with the increase of mass ratio of filler/asphalt. In view of the low-temperature rheological properties of asphalt rubber mortar, the mass ratio of filler/asphalt should be less than 1.2, and the 22% addition and 20-mesh crumb rubber are recommended.

Key words:road engineering; asphalt rubber; mortar; mass ratio of filler/asphalt; creep stiffness; creep curve slope; gray relationship

引文格式：徐鸥明，侯德华，王士珩,等.橡胶沥青胶浆低温流变特性灰关联分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(3)：651-657.