橡胶改性沥青高低温特性试验分析

冯明林， 王笑风， 杨 博， 刘建飞

（1.交通运输行业公路建设与养护技术、材料及装备研发中心，郑州 450000；2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，郑州 450000）

沥青高低温特性关系到沥青路面的使命寿命，在沥青标准体系研究中，高低温性能分析至关重要. 魏永政等［1］借助动态剪切流变和凝胶渗透色谱试验发现：橡胶沥青高温性能提高是胶粉活化的结果，活化1.5 min时，胶粉内部化学键断裂迅速，大分子量降低，交互反应彻底，高温性能大幅提升. 王新强等［2］通过混合料动态模量和相位角分析认为，级配类型和胶结料分别对胶粉改性沥青混合料黏弹性具有明显的影响. 王琨等［3］通过Burgers模型研究沥青进行黏弹性参数，表明沥青在46 ℃以上时弹性变形很小，基质沥青变形以黏性变形为主，随温度升高，变形增大、弹性变形下降.

本文则选取70 号基质沥青、橡胶沥青（胶粉掺量为18%）、SBS 改性沥青（SBS 掺量为4%）三种沥青作为研究变量，借助重复蠕变和弯曲梁蠕变对橡胶沥青高低温特性展开分析，为橡胶技术的发展提供理论依据.

1 重复蠕变试验分析

1.1 Burgers模型蠕变劲度黏性分析

通过Burgers四单元流变模型得到蠕变柔量黏性成分Jv，进而计算蠕变劲度黏性成分Gv（Gv=1/Jv）（图1）.

图1 Burgers模型及其变形曲线Fig.1 Burgers model and its deformation curve

Gv 越大，沥青高温性能越优［4］. 通过图2可见，橡胶沥青Gv 明显高于SBS 改性沥青和基质沥青，是SBS改性沥青的4倍左右，是基质沥青的6倍左右.

1.2 累积变形增长率k值分析

累积变形增长率k 值大小和残留变形累积、车辙发生概率等成正比［5-7］. 结合图3 中k 值变化情况，橡胶沥青k 值最小，约为SBS 改性沥青的4/5，为基质沥青的1/20，表明在“加载—卸载”循环试验中，橡胶沥青变形较慢，在相同外界条件下，抗车辙性能较好.

1.3 累积变形分析

试件100次重复蠕变累积变形大小和高温性能成反比［8］. 图4 累计变形表明：基质沥青累积变形量约是SBS改性沥青的35倍，约是橡胶沥青的160倍，橡胶沥青高温性能优势明显.

图2 沥青重复蠕变Gv值Fig.2 Asphalt repeat creep Gv value

图3 沥青重复蠕变试验k值Fig.3 Asphalt repeated creep test k value

图4 重复蠕变累积变形Fig.4 Repeated creep cumulative deformation

1.4 残留变形率分析

在“加载—卸载”过程中，卸载结束残留变形γP与加载结束时总变形γL百分比反映了试件变形恢复能力［9］. 沥青变形恢复能力和高温性能与残留变形率γP/γL显现反向增长.

通过图5和图6可见，橡胶沥青γP/γL值约为SBS改性沥青的1/5，橡胶沥青比SBS改性沥青变形恢复能力更强. 橡胶沥青γP/γL值约为基质沥青的1/110，基质沥青变形恢复困难.

图5 不同沥青变形对比Fig.5 Different asphalt deformation comparison

图6 沥青重复蠕变变形恢复能力Fig.6 Deformation recovery ability of asphalt repeat creep

1.5 橡胶沥青胶浆重复蠕变分析

胶粉的溶胀反应不是完全彻底，会残留有替代矿粉起填料作用的“胶核”，合适的粉胶比关系到混合料的综合性能. 不同粉胶比下蠕变结果见图7～图10.

图7 不同粉胶比橡胶沥青胶浆Gv值Fig.7 Rubber asphalt cement Gv value of different powder-rubber ratio

图8 不同粉胶比橡胶沥青胶浆k值Fig.8 Rubber asphalt cement k value of different powder-rubber ratio

图9 不同粉胶比橡胶沥青胶浆累积变形Fig.9 Rubber asphalt cement cumulative deformation of different powder-rubber ratio

图10 不同粉胶比橡胶沥青胶浆残留变形Fig.10 Rubber asphalt cement residual deformation of different powder-rubber ratio

通过粉胶比重复蠕变各指标变化趋势可见，在粉胶比为0.3时，蠕变劲度黏性分析Gv值出现“谷值”，胶浆累积变形及其增长率k值、残留变形率等三者均出现不同程度的“峰值”.

综合粉胶比重复蠕变各指标变化，以0.3粉胶比为界，小于0.3时，胶浆高温性能和粉胶比变化成反比；大于0.3时，胶浆高温性能和粉胶比变化成正比. 过高的粉胶比破坏了胶粉溶胀后与原基质沥青的空间网状体系. 当在胶浆中矿粉占据主导地位以后，胶浆的相对移动由于矿粉的阻尼变得非常困难，重复蠕变试验指标就会变得偏高，因此，橡胶沥青混合料配合比设计时，要注重粉胶比的选择.

2 弯曲梁蠕变试验分析

2.1 沥青试验结果分析

从图11 中-10 ℃下劲度模量S 值来看，低温性能SBS 改性沥青＞橡胶沥青＞基质沥青；从弯曲蠕变速率m 值来看，低温性能SBS改性沥青＞基质沥青＞橡胶沥青，劲度模量S值和蠕变速率m值结论存在差异. 根据李智慧［10-12］等研究，当S值和m值存在差异时，S值与低温弯曲最大破坏应变规率相同，S值作为低温评价指标较为合理.

图11 不同沥青弯曲梁蠕变试验结果Fig.11 Creep test results of different asphalt bending beams

S值的变化说明，橡胶粉中的沥青成分在橡胶沥青低温变形中至关重要［13-14］，而在沥青混合料中骨料充分不具备抵抗弯拉变形的能力［15-18］，只有沥青与矿粉构成的沥青胶浆，才是抵抗低温抗裂性能的关键［18-22］.

图12的胶浆结果表明橡胶沥青和SBS改性沥青胶浆的低温性能和粉胶比成反比例变化，而工程应用中橡胶沥青混合料粉胶比通常小于0.7［23-27］，而SBS改性沥青混合料粉胶比一般大于1.0［28］. 橡胶沥青胶浆粉胶比为0.7时劲度模量为232 MPa，而SBS改性沥青胶浆粉胶比为1.0时劲度模量为267 MPa，可见以沥青胶浆的低温性能来看，S值越小，低温性能越优，橡胶沥青比SBS改性沥青有更好的低温性能.

图12 不同沥青胶浆弯曲梁蠕变试验结果Fig.12 Creep test results of different asphalt cement curved beams

2.2 橡胶沥青胶浆弯曲梁蠕变试验分析

在橡胶沥青和SBS改性沥青胶浆弯曲梁蠕变分析基础上，在-10 ℃环境下，针对橡胶沥青粉胶比展开系统地分析，结果见图13所示.

根据试验结果可见，蠕变速率m值随粉胶比变化不大，只是产生部分数字微小的波动，但是劲度模量S则随粉胶比增加依然显递增趋势. 而本文是以劲度模量S作为沥青胶浆低温性能的评价指标，劲度模量S递增的趋势说明，沥青胶浆的低温性能随粉胶比增加而降低. 这是由于矿粉填料的加入吸附沥青致使结构沥青比重增加，降低了沥青胶浆的流动性，导致胶浆柔性降低，模量增大.

图13 橡胶沥青胶浆弯曲梁蠕变试验结果Fig.13 Creep test results of rubber asphalt cement curved beam

3 橡胶沥青粉胶比确定

在高温性能方面，橡胶沥青胶浆粉胶比0.3 以下时，高温性能随粉胶比增加而成反比例变化，粉胶比0.3以上时，高温性能变化则相反，说明粉胶比小于或大于0.3时，高温性能相对较优. 在低温性能方面，橡胶沥青胶浆低温性能随粉胶比增加反而下降，间接说明粉胶比越低，低温性能越好. 因此，综合低温和高温性能试验结果，配合比设计时粉胶比以小于0.3为宜.

4 结论

本文采用重复蠕变试验和弯曲梁蠕变试验对橡胶改性沥青进行黏弹性分析，得出以下结论：

1）橡胶沥青重复蠕变黏性成分约为SBS改性沥青的4倍，基质沥青的6倍；累积变形增长率k值最慢，约为SBS改性沥青的4/5，为基质沥青的1/20，累积变形和残留变形率均为最小，抗车辙性能和变形恢复能力优势明显.

2）当橡胶沥青粉胶比为0.3时，胶浆重复蠕变黏性分析出现“谷值”，胶浆累积变形及其增长率k值、残留变形率等三者基本相同，均出现不同程度的“峰值”.

3）橡胶沥青由于含有相当数量胶粉的原因，致使低温性能优于基质沥青但不如SBS改性沥青；但从沥青胶浆的角度出发，橡胶沥青胶浆比SBS改性沥青有更好的低温性能. 同时随粉胶比增加，沥青胶浆低温性能显著降低.

4）综合橡胶沥青高、低温黏弹性试验分析结果，配合比设计时粉胶比以小于0.3为宜.