基于SHRP高低温分级指标的橡胶沥青性能研究

2018-11-13黄松

西部交通科技 2018年10期

黄松

(1.广西交通科学研究院有限公司，广西南宁 530007；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西南宁 530007)

0 引言

美国战略公路研究计划(Strategic Highway of America Research Program简称SHRP)提出采用动态剪切流变仪(Dynamic Shear Rheometer，简称DSR)作为沥青胶结料高温稳定性的评价仪器。SHRP规范中分别采用平均最高路面设计温度时的原样沥青的G*/sinδ和薄膜加热后残留沥青的G*/sinδ作为沥青高温稳定性评价指标。试验在高温设计温度和10 rad/s的剪切速率下进行，必须满足两个条件：(1)原始状态的沥青抗车辙因子G*/sinδ≥1.0 kPa；(2)经过旋转薄膜老化试验(RTFOT)的沥青车辙因子G*/sinδ≥2.2 kPa。G*为动态剪切模量，随着G*的增大，沥青材料抵抗流变的能力逐渐增强。G*/sinδ定义为损失剪切柔量的倒数，它可以用于评价沥青材料抵抗永久变形的能力。随着G*/sinδ的增大，高温时沥青胶结料的流动变形减小，抗车辙能力逐渐增强。因此，G*/sinδ又称车辙因子，是DSR试验的主要技术指标。

弯曲梁流变仪(BBR)是SHRP规范中评价沥青胶结料低温性能最常用的方法，通过工程梁的相关理论检测在蠕变荷载作用下小梁试件的低温劲度(s)。研究发现，劲度s太大时，沥青材料呈现出较大的脆性，路面容易在温度和车辆荷载作用下发生开裂而破坏。m值则表征了沥青劲度随时间的变化情况，即蠕变斜率，m值越大，沥青胶结料能够在温度下降时产生材料劲度降低的响应，降低材料内部的拉应力，从而减少了低温开裂的风险。因此要保证沥青胶结料的低温抗裂性能，需要沥青的劲度模量值小，且蠕变斜率大。为限制路面结构开裂，SHRP规定：m值(60 s)≥0.30；劲度模量s≤300 MPa。

1 原材料选择及加工方法

1.1 原材料

广西北部湾地区常用的路用废旧轮胎橡胶粉以30～40目为主，多源于大车(900～1 200mm)轮胎；大车轮胎生产的橡胶粉中橡胶烃含量能保证>48%，能保证橡胶沥青具有稳定的性能。试验选用的胶粉为广西区某企业生产的路用橡胶粉，橡胶粉物理指标及化学指标如表1～2所示。

表1 橡胶粉检测结果表(物理指标)

表2 橡胶粉检测结果表(化学指标)

试验采用TIPCO-70#A级道路石油沥青，该基质沥青的技术性能指标测试结果如表3所示。

表3 TIPCO-70#A级道路石油沥青各项性能试验结果表

1.2 橡胶沥青掺量及加工工艺

本次试验中，胶粉掺量依次为18%、20%及22%(基质沥青重量比)。橡胶粉改性沥青室内制备工艺如下：基质沥青快速升温至185 ℃左右，加入烘干的橡胶粉；400 r/min下低速搅拌溶胀30 min；加入稳定剂，启动剪切机，以5 000～6 000 r/min剪切速率剪切5 min；继续以400 r/min低速搅拌发育60 min，保证橡胶粉颗粒分布均匀，完全分散于沥青中。整个加工过程保持温度不变，加工完成后取样进行试验。

2 试验结果与分析

2.1 橡胶沥青DSR试验结果及分析

本次DSR试验采用英国Malvern生产的100D-ADS型动态剪切流变仪，该仪器可进行温度、频率、旋转速率及应变控制范围的精确控制；温度控制区间为5 ℃～95 ℃，频率范围为10μHz～100 Hz，旋转速率范围为0.1μrad/s～320 rad/s，应变控制范围为1%～100%。试验结果见表4。

表4 沥青动态剪切流变(DSR)试验结果对比表

从表4看出：

(1)本项试验70#基质沥青的PG高温分级为64，胶粉掺量分别为18%、20%、22%的橡胶沥青高温PG分级分别至少为76、82、82。橡胶粉的掺入可以极大提高基质沥青的高温抗剪切变形能力，针对本次试验用基质沥青和橡胶粉，可以提高至少2个高温PG分级。

(2)随着胶粉掺量的逐渐增加，橡胶沥青在各个试验温度条件下的车辙因子均呈现出增大的趋势，说明橡胶沥青的高温抗车辙性能随橡胶粉掺量的增加而增加。可见，在实际施工过程中，在条件允许的情况下，适当提高橡胶沥青的胶粉掺量有利于其高温稳定性的提高。同时，18%掺量的橡胶沥青在82 ℃条件下的车辙因子小于SHRP规范的规定值，其高温PG分级比20%掺量和22%掺量的橡胶沥青小1个PG分级。

(3)胶粉掺量由20%增加到22%以后，车辙因子增加的幅度相对减小。当胶粉掺量继续增加时，其车辙因子是否继续增加，有待于进一步深入研究，但从国内相关研究和工程实践经验来看，橡胶粉的掺量一般在22%以内。

(4)随着试验温度的提高，各个掺量条件下的橡胶沥青车辙因子均呈现出减小的趋势，3个不同掺量橡胶沥青车辙因子随温度变化的幅度基本相当。

由图1～3，橡胶沥青老化前后的车辙因子相比较而言，老化后车辙因子均比老化前有所增加，特别是当温度82 ℃后，车辙因子相对老化前的增加幅度较大。掺量从18%、20%、22%都有相似的规律，也证明了橡胶沥青在高温状况下的耐老化性能。

图1 掺量18%橡胶沥青老化前后车辙因子对比图

图2 掺量20%橡胶沥青老化前后车辙因子对比图

图3 掺量22%橡胶沥青老化前后车辙因子对比图

2.2 橡胶沥青BBR试验结果及分析

本次BBR试验采用美国产的ATS BBR弯曲梁流变仪，载荷：标准0～200 g可调系统在测试过程中保持±0.5 g的精度；试件支撑：直径25 mm的不锈钢间距101.6 mm；位移传感器：6.35 mm，在标定范围内分辨率为2μm。

进行低温弯曲流变试验时，采用的试验温度分别为-16 ℃、-22 ℃、-28 ℃，主要用来分析和评价胶粉掺量对蠕变劲度模量及蠕变速率的影响程度。评价标准为：m值(60 s)≥0.30；劲度模量s≤300 MPa。其中，橡胶沥青采用旋转薄膜老化后的沥青试样。试验结果如表5所示。

表5 PAV残留沥青弯曲流变(BBR)试验结果

从表5结果可知：

(1)70#基质沥青的低温PG分级温度高于-16 ℃(从表中数据可预测为-10 ℃)，掺量18%、掺量20%的橡胶沥青低温PG分级为-16 ℃，掺量为22%的橡胶沥青低温PG分级为-22 ℃。可见橡胶粉的掺入可以极大提高沥青的低温弹性，从而提高低温的抗裂性。

(2)随着橡胶粉掺量的增加，在各个试验温度内的低温蠕变劲度模量降低、蠕变速率增大，说明橡胶粉的增加可以增加沥青的低温弹性，掺量越大，沥青的低温弹性越好，低温抗裂性越强。特别是当胶粉掺量在由20%增加到22%时，蠕变劲度模量和蠕变速率可以满足SHRP规范规定的-22 ℃技术要求。

(3)胶粉掺量增加2%，可提供低温PG分级一个等级。胶粉掺量18%和胶粉掺量20%的橡胶沥青的低温劲度模量、蠕变速率基本相当，掺量为20%的橡胶沥青低温性能略好于18%胶粉掺量的橡胶沥青。

(4)随着温度的降低，各掺量的橡胶沥青低温蠕变劲度模量呈现不同程度的增加趋势，同时蠕变速率逐渐变小，材料质地变脆。

2.3 橡胶沥青PG分级结果

根据上述橡胶沥青的DSR试验和BBR试验结果，以及SHRP的沥青分级技术要求，18%、20%、22%胶粉掺量的橡胶沥青PG分级结果如表6所示。

表6 橡胶沥青PG分级结果汇总

广西北部湾地区高温多雨，气候条件严苛，水泥路面加铺橡胶沥青面层的复合式路面及半刚性基层橡胶沥青路面经受较大的考验，对改性沥青胶结料的高温性能、低温性能及弹性变形性能提出了较高要求。根据上述研究结果，建议在综合考虑实际施工条件、经济条件允许时，选用的橡胶沥青中胶粉掺量可以适当增加。但同时要考虑到路面施工的和易性，保证施工效率，建议橡胶沥青中胶粉掺量不宜超过22%。