基于流变特性的橡胶沥青性能研究

2023-09-22崔頔

北方交通 2023年9期

崔頔

(辽宁省交通建设投资集团有限责任公司沈阳市 110166)

沥青作为一种高分子材料,是一种典型的粘弹性材料,其流变性能与路用性能有着密切的联系,而橡胶沥青由于不同目数橡胶粉的加入,与普通沥青在物理形态和化学性质方面均具有明显差别[1-3],其评价指标和评价方法与基质沥青较为不同。因此,为了更好的研究橡胶沥青的性能,从流变学角度出发,利用流变学原理研究橡胶沥青的性能。

1 试验材料

本试验采用三种轮胎橡胶粉,细度分别为28目、40目、60目三种,胶粉掺量为20%,选择内掺方式。试验采用基质沥青分别为70#、90#、110#三种沥青,其基本性能指标如表1所示。本研究所用橡胶沥青代号如表2所示。

表1 基质沥青基本技术性能指标数据

表2 橡胶沥青所用代号

2 动态剪切流变(DSR)试验

沥青在较低温度下接近完全弹性体状态,满足胡克定律,在高温状态下,呈现出完全粘性状态,此时属于非牛顿流体。采用动态剪切流变仪获得沥青流变学指标时,对沥青试样分别在-15℃、0℃、15℃、30℃、45℃及60℃温度下进行动态频率扫描试验。试验条件为:采用应变控制方式,扫描频率为0.1～30Hz,测试的温度低于45℃时,采用8mm的平行钢板,板间距为2mm;测试温度在45℃及45℃以上时采用25mm平行钢板,板间距为1mm。

与此同时,文章选用改进CAM模型研究基质沥青和橡胶沥青复数模量主曲线的差别,以及橡胶粉细度及沥青标号对橡胶沥青复数模量主曲线的影响。并以15℃为参考温度,按照CAM模型拟合得到了各沥青的复数模量主曲线,各沥青拟合得到的主曲线模型参数汇总如表3所示。

3 基于CAM模型的复数模量主曲线研究

3.1 基质沥青和橡胶沥青流变特性差异

为了更方便的研究基质沥青复数剪切模量和橡胶沥青复数剪切模量的差异,因90#、70#两种沥青体现出来的规律和110#沥青一样,文章仅以110#系列沥青复数模量主曲线为例进行分析[4],其复数模量主曲线如图1所示。

图1 110#系列沥青复数模量主曲线

从图1可以看出,基质沥青主曲线得到的曲线斜率要陡,说明基质沥青复数剪切模量对频率的敏感性要大,也就是基质沥青温度敏感性要大。不同细度下的橡胶沥青复数模量主曲线之间的形状基本类似。

通常来说,沥青的频率主曲线在高频段反映的是沥青材料低温时的性质,在低频段反映的是沥青材料高温时的性质。分析各个频率段沥青的模量可以发现,基质沥青和橡胶沥青各个频率段的复数剪切模量有着显著差别,特别是在低频区和高频区。同时可以看出,在高频区基质沥青的模量高于由同标号下不同细度胶粉改性得到的橡胶沥青的复数剪切模量。说明不同细度的胶粉,均能在一定程度上改善沥青的低温性能。同时还可以发现,在低频区,基质沥青的复数剪切模量显著小于各橡胶沥青的复数剪切模量。此时说明橡胶沥青材料在高温低频条件下有着更大的复数剪切模量,表明其抗永久变形能力优于基质沥青。上述分析表明,胶粉的加入,显著地改变了沥青的流变特性,使沥青材料在高频下有较小的模量,有利于增强沥青的低温抗裂性能;在高频时,增大了沥青的模量,有助于提高其高温抗变形能力。

3.2 橡胶粉细度对其流变特性影响

为研究橡胶粉细度对其流变性能的影响,文章仍以110#系列橡胶沥青为例分析。沥青的复数模量主曲线结果如图2所示。

图2 110#系列橡胶沥青复数剪切模量主曲线

如图2可以看出,在高频区,加入40目废胎胶粉的橡胶沥青复数剪切模量相比于加入28目和60目胶粉的橡胶沥青的复数模量要小。说明加入40目胶粉的橡胶沥青有着更好的低温性能。产生此结果的原因与不同沥青间的轻质油分比例和不同胶粉在沥青中的分布形态差异等有直接的关系。说明40目胶粉与沥青中的轻质油分溶胀反应最为充分。而在低频区,可以看出加入28目胶粉得到的橡胶沥青复数剪切模量显著大于加入40目和60目废胎胶粉得到的橡胶沥青,此时说明掺入28目胶粉改性得到的橡胶沥青有着更好的高温性能。这是因为28目的胶粉颗粒较粗,不易在高温下发生脱硫降解反应,同时也更容易体现出橡胶颗粒高温时的物理性能,因此在高温时,28目的橡胶沥青有着更高的模量。

3.3 沥青标号对橡胶沥青流变特性的影响

为研究沥青标号对橡胶沥青流变特性的影响,在基质沥青中加入40目和60目的胶粉,其沥青劲度模量主曲线如图3所示。

图3 40目胶粉及60目胶粉系列橡胶沥青劲度模量主曲线

由图3可以看出,在荷载作用初期,90#和110#沥青在低温改性能力上体现出来的差别明显小于70#和90#之间改性能力的差别。随着荷载作用时间的增长,110#沥青与70#及90#沥青的劲度模量上的差别开始体现出来,此时沥青基为110#的橡胶沥青的劲度模量显著小于由70#及90#改性得到的橡胶沥青的劲度模量,这说明110#橡胶沥青有着更好的变形能力和应力松弛能力,在低温条件下,有着更好的路用性能。

4 橡胶沥青高温性能评价研究

文章利用动态剪切流变仪(DSR)开展多应力重复蠕变恢复(MSCR)试验,选用不可恢复蠕变柔量(non-recoverable creep compliance,)和变形恢复率(R%)来表征沥青在重复荷载作用下累积变形来表征橡胶沥青的高温性能[5]。考虑到我国大部分地区夏季路面温度为60～70℃之间,因此对各沥青材料在60℃条件进行重复蠕变试验。各沥青的不可恢复蠕变柔量(Jnr)及变形恢复率(R%)如表4所示。

表4 不可恢复蠕变柔量(Jnr)及变形恢复率(R%)汇总表

由表4可以看出,基质沥青的变形恢复率(R%)很低,基本只在4%左右,而橡胶沥青的变形恢复率(R%)可高达80%。这说明重复荷载作用于橡胶沥青所引发的变形,大部分都可以恢复,这对于减少沥青的永久变形有着积极的意义。进一步分析上述数据还可以发现,随着应力水平的增加沥青材料的不可恢复蠕变柔量(Jnr)显著增大,变形恢复率(R%)显著减小。这表明,沥青材料的抗变形能力对应力的变化较为敏感,因此当路面上大量出现超载、重载时,沥青路面更易发生车辙。

与此同时,随着胶粉目数的增加,橡胶沥青的不可恢复蠕变柔量(Jnr)增大,变形恢复率(R%)减小。即随着胶粉目数的减小,橡胶沥青的高温性能越好,这与前文的模量主曲线分析结果类似。各橡胶沥青的不可恢复蠕变柔量(Jnr)及变形恢复率(R%)有明显差异,可区分出不同橡胶沥青的高温性能,因此上述两指标可作为橡胶沥青高温性能的评价指标。