论文部分内容阅读
摘要：本文在18%、20%、22%三种橡胶粉掺量下，对粉胶比在0.8~1.5范围内变化的橡胶沥青胶浆，通过动态剪切流变试验（DSR）以及弯曲梁流变试验（BBR）测得不同粉胶比及橡胶粉掺量下橡胶沥青胶浆的车辙因子（G*/sinδ）和劲度模量（s）、蠕变速率（m），对橡胶沥青胶浆的高温性能、低温性能分别做了详细的试验研究。分析了粉胶比和橡胶粉掺量对橡胶沥青胶浆高、低温性能的影响程度及影响机理，综合橡胶沥青胶浆的高温、低温性能，提出了合理的粉胶比及橡胶粉掺量值，指导橡胶沥青路面的施工。
关键词：橡胶沥青；车辙因子；劲度模量；蠕变速率
中图分类号：TQ336文献标识码： A 文章编号：
1 前言
橡胶沥青路面具有降噪、除冰等优良的路用性能，以及能够回收利用大量的废旧轮胎，减少环境污染，受到了社会的广泛关注。但是目前橡胶沥青路面还没有成熟的规范供设计施工。按照胶浆理论，橡胶沥青胶浆的性能是橡胶沥青路面路用性能发挥的决定要素之一。粉胶比（矿粉掺量与胶粉掺量的比值）及橡胶粉的掺量是影响橡胶沥青胶浆性能的两个重要因素。本文在三種不同的橡胶粉掺量下，选用不同的粉胶比，对橡胶沥青胶浆的高、低温性能进行了详细的试验研究；分析了粉胶比以及橡胶粉掺量对橡胶沥青胶浆高、低温性能的影响程度，提出了建议的粉胶比及胶粉掺量值。
2原材料的技术性质
2.1橡胶沥青胶浆组成材料的性质分析
橡胶沥青胶浆的组成材料主要有基质沥青、橡胶粉以及矿粉。对各组成材料按照国家规定的相关试验规程，进行试验测试，测试结果如表1、2、3所示，
表1 SK90#基质沥青技术指标
分析表1、2、3得出，本研究中所采用的组成橡胶沥青胶浆的各原材料均满足沥青路面相应的规范要求。
2.2橡胶沥青胶浆的制备
将基质沥青加热至180℃后，向其中分批次逐渐加入准备好的橡胶粉，在高速沥青剪切仪中剪切1小时，制备成橡胶沥青。制备好的橡胶沥青为了使其具有较优的性能，在180℃温度条件下，采用静置的方法发育4小时，然后再用来制备橡胶沥青胶浆。将矿粉在105±5℃的烘箱中加热4小时左右，使其充分干燥。将制备好的橡胶沥青加热至175℃左右，分批次逐渐加入已烘干的矿粉，并不断地搅拌，使其混合均匀，便制得了所需的沥青胶浆。
3 粉胶比对橡胶沥青胶浆高温性能的影响
3.1 研究方法
在车辆荷载的冲击作用下，沥青粘度通常比静载时小，为了能够真实模拟实际路面受力状况，本研究采用美国SHRP中评价沥青结合料高温稳定性的动态剪切流变仪（DSR）来研究橡胶沥青胶浆的高温性质。DSR是通过测定沥青结合料的复数剪切模量（G*）和相位角（δ）来表征其粘性和弹性性质。DSR试验仪能够记录相应的应力（τ）和应变（σ），按照式（1）~（4）
(1)
(2)
(3)
(4)
计算得复数剪切模量（G*）和相位角（δ）。车辙因子G*/sinδ，表征沥青结合料抵抗永久变形的能力，其值越大，表示沥青结合料抵抗永久变形的能力越强。本研究中为了反映在最不利的夏季高温环境下橡胶沥青路面的功能性要求，采用70℃时的车辙因子G*/sinδ来表征橡胶沥青胶浆的高温性能。
3.2试验结果分析
本研究中选用40目橡胶粉进行试验。橡胶粉的掺量选取18%、20%、22%三种。已有工程经验认为粉胶比一般在0.6~1.2之间为宜，为了全面深入的研究粉胶比对橡胶沥青胶浆高温性能，本研究中选取0.8~1.5的粉胶比。利用DSR试验仪测得的车辙因子G*/sinδ如表4及图1所示，
表4 橡胶沥青胶浆高温性能DSR试验结果
图1 橡胶沥青胶浆高温性能DSR试验结果
分析表2及图1得出：（1）随着橡胶粉掺量的增加，胶浆的车辙因子（G*/sinδ）逐渐增大。这主要是由于胶粉在沥青中的吸附溶胀作用，减少了沥青中的轻质组分，增大了胶粉周围的凝胶膜，提高了胶浆的高温性能。（2）粉胶比在1.0~1.2之间时，胶浆的车辙因子（G*/sinδ）出现突变。主要是由于粉胶比在1.0~1.2之间时矿粉颗粒之间形成了相互连接的骨架形式，胶浆车辙因子（G*/sinδ）出现突然增大趋势。但是粉胶比大于1.2之后，由于矿粉含量过剩，其中便出现不均匀的矿粉团，损坏了胶浆的粘结性，故其高温性能的增加缓慢。所以橡胶沥青胶浆中粉胶比宜在1.0~1.2之间选取。（3）胶粉掺量为22%时，胶浆车辙因子（G*/sinδ）的提高效果较其它两种掺量更加明显，故在以后施工过程中宜选用22%作为最佳的橡胶粉掺量。
4 粉胶比对橡胶沥青胶浆低温性能的影响
4.1 研究方法
本研究中利用美国SHRP研究中的弯曲梁流变实验（BBR）通过测定橡胶沥青胶浆的劲度模量和蠕变速率来评价橡胶沥青胶浆的低温性能。蠕变劲度能够很好地反映在低温条件下实际路面结构中沥青结合料的受拉变形特性，本研究中利用蠕变劲度评价橡胶沥青胶浆的低温抗裂性能。
4.2 试验结果分析
同上述高温性能的研究，在此还是选取18%、20%、22%三种不同橡胶粉掺量，粉胶比亦在0.8~1.5之间选取。利用DDR试验测得的劲度模量（s）和蠕变速率（m）值如表5及图2、3所示，
表5 橡胶沥青胶浆劲度模量（s）和蠕变速率（m）值
图2 蠕变速率-粉胶比的关系图图3 劲度模量-粉胶比的关系图
分析表5及图2、3得出：（1）随着粉胶比的增大橡胶沥青胶浆的劲度模量呈增大趋势，相应其蠕变速率逐渐减小，损坏了橡胶沥青胶浆的低温性能。主要是由于随着粉胶比的增大，胶浆中矿粉含量增多，由于矿粉具有较大的比表面积，対沥青体积起增强作用，加之其物化反映，使胶浆变得更加粘稠，降低了低温性能。（2）当粉胶比在1.0~1.2之间时，橡胶沥青胶浆的劲度模量和蠕变速率随粉胶比的变化曲线均出现突变。说明在1.0~1.2时，矿粉的作用逐渐过渡到主导地位，粉胶比过了1.2之后，矿粉与沥青形成一种固液平衡的状态，m值的减小速率变小。因此在施工过程中粉胶比宜控制在1.0~1.2之间。（3）结合橡胶沥青胶浆的高温性能分析，随着胶粉掺量的增加，胶浆的高温和低温性能均有所提高，故宜选取22%作为实际施工时的橡胶粉掺量值。
5、总结
本文在18%、20%、22%三种不同的橡胶粉掺量下，选取0.8~1.5之间的粉胶比，通过动态剪切流变试验（DSR）以及弯曲梁流变实验（BBR）分别对橡胶沥青胶浆的高温和低温性能做了详细的试验研究，得出：
（1）随着粉胶比的增大，橡胶沥青胶浆的高温性能逐渐提高，但低温性能却呈下降趋势；
（2）粉胶比在1.0~1.2之间时，胶浆的高温、低温性能随粉胶比的变化曲线均出现突变；
（3）综合橡胶沥青胶浆的高温、低温性能试验结果，粉胶比宜在1.0~1.2之间选取；
（4）随着胶粉含量的增加，橡胶沥青胶浆的高低温性能均有所提高，但是22%掺量较其它两种掺量，胶浆高温性能的提高更加明显，同时考虑到经济效益，橡胶粉掺量宜为22%。
参考文献
[ 1] 美国沥青协会编译.高性能沥青路面基础参考手册[M].北京：人民交通出版社，2005
[ 2] 宋祖望，陈飙.橡胶沥青技术应用指南[M].北京：人民交通出版社，2007
[ 3] 曹卫东，吕伟民.废旧轮胎橡胶混合法改性沥青混合料的研究[J].建筑材料学报，2007,10（1）：110-114
[ 4] 张久鹏，黄晓明.沥青混合料高温性能的流变指标评价[J].公路，2006，（7）：145-148
[ 5] JTG E2O-2011. 公路工程沥青及沥青混合料试验规程[ S]
关键词：橡胶沥青；车辙因子；劲度模量；蠕变速率
中图分类号：TQ336文献标识码： A 文章编号：
1 前言
橡胶沥青路面具有降噪、除冰等优良的路用性能，以及能够回收利用大量的废旧轮胎，减少环境污染，受到了社会的广泛关注。但是目前橡胶沥青路面还没有成熟的规范供设计施工。按照胶浆理论，橡胶沥青胶浆的性能是橡胶沥青路面路用性能发挥的决定要素之一。粉胶比（矿粉掺量与胶粉掺量的比值）及橡胶粉的掺量是影响橡胶沥青胶浆性能的两个重要因素。本文在三種不同的橡胶粉掺量下，选用不同的粉胶比，对橡胶沥青胶浆的高、低温性能进行了详细的试验研究；分析了粉胶比以及橡胶粉掺量对橡胶沥青胶浆高、低温性能的影响程度，提出了建议的粉胶比及胶粉掺量值。
2原材料的技术性质
2.1橡胶沥青胶浆组成材料的性质分析
橡胶沥青胶浆的组成材料主要有基质沥青、橡胶粉以及矿粉。对各组成材料按照国家规定的相关试验规程，进行试验测试，测试结果如表1、2、3所示，
表1 SK90#基质沥青技术指标
分析表1、2、3得出，本研究中所采用的组成橡胶沥青胶浆的各原材料均满足沥青路面相应的规范要求。
2.2橡胶沥青胶浆的制备
将基质沥青加热至180℃后，向其中分批次逐渐加入准备好的橡胶粉，在高速沥青剪切仪中剪切1小时，制备成橡胶沥青。制备好的橡胶沥青为了使其具有较优的性能，在180℃温度条件下，采用静置的方法发育4小时，然后再用来制备橡胶沥青胶浆。将矿粉在105±5℃的烘箱中加热4小时左右，使其充分干燥。将制备好的橡胶沥青加热至175℃左右，分批次逐渐加入已烘干的矿粉，并不断地搅拌，使其混合均匀，便制得了所需的沥青胶浆。
3 粉胶比对橡胶沥青胶浆高温性能的影响
3.1 研究方法
在车辆荷载的冲击作用下，沥青粘度通常比静载时小，为了能够真实模拟实际路面受力状况，本研究采用美国SHRP中评价沥青结合料高温稳定性的动态剪切流变仪（DSR）来研究橡胶沥青胶浆的高温性质。DSR是通过测定沥青结合料的复数剪切模量（G*）和相位角（δ）来表征其粘性和弹性性质。DSR试验仪能够记录相应的应力（τ）和应变（σ），按照式（1）~（4）
(1)
(2)
(3)
(4)
计算得复数剪切模量（G*）和相位角（δ）。车辙因子G*/sinδ，表征沥青结合料抵抗永久变形的能力，其值越大，表示沥青结合料抵抗永久变形的能力越强。本研究中为了反映在最不利的夏季高温环境下橡胶沥青路面的功能性要求，采用70℃时的车辙因子G*/sinδ来表征橡胶沥青胶浆的高温性能。
3.2试验结果分析
本研究中选用40目橡胶粉进行试验。橡胶粉的掺量选取18%、20%、22%三种。已有工程经验认为粉胶比一般在0.6~1.2之间为宜，为了全面深入的研究粉胶比对橡胶沥青胶浆高温性能，本研究中选取0.8~1.5的粉胶比。利用DSR试验仪测得的车辙因子G*/sinδ如表4及图1所示，
表4 橡胶沥青胶浆高温性能DSR试验结果
图1 橡胶沥青胶浆高温性能DSR试验结果
分析表2及图1得出：（1）随着橡胶粉掺量的增加，胶浆的车辙因子（G*/sinδ）逐渐增大。这主要是由于胶粉在沥青中的吸附溶胀作用，减少了沥青中的轻质组分，增大了胶粉周围的凝胶膜，提高了胶浆的高温性能。（2）粉胶比在1.0~1.2之间时，胶浆的车辙因子（G*/sinδ）出现突变。主要是由于粉胶比在1.0~1.2之间时矿粉颗粒之间形成了相互连接的骨架形式，胶浆车辙因子（G*/sinδ）出现突然增大趋势。但是粉胶比大于1.2之后，由于矿粉含量过剩，其中便出现不均匀的矿粉团，损坏了胶浆的粘结性，故其高温性能的增加缓慢。所以橡胶沥青胶浆中粉胶比宜在1.0~1.2之间选取。（3）胶粉掺量为22%时，胶浆车辙因子（G*/sinδ）的提高效果较其它两种掺量更加明显，故在以后施工过程中宜选用22%作为最佳的橡胶粉掺量。
4 粉胶比对橡胶沥青胶浆低温性能的影响
4.1 研究方法
本研究中利用美国SHRP研究中的弯曲梁流变实验（BBR）通过测定橡胶沥青胶浆的劲度模量和蠕变速率来评价橡胶沥青胶浆的低温性能。蠕变劲度能够很好地反映在低温条件下实际路面结构中沥青结合料的受拉变形特性，本研究中利用蠕变劲度评价橡胶沥青胶浆的低温抗裂性能。
4.2 试验结果分析
同上述高温性能的研究，在此还是选取18%、20%、22%三种不同橡胶粉掺量，粉胶比亦在0.8~1.5之间选取。利用DDR试验测得的劲度模量（s）和蠕变速率（m）值如表5及图2、3所示，
表5 橡胶沥青胶浆劲度模量（s）和蠕变速率（m）值
图2 蠕变速率-粉胶比的关系图图3 劲度模量-粉胶比的关系图
分析表5及图2、3得出：（1）随着粉胶比的增大橡胶沥青胶浆的劲度模量呈增大趋势，相应其蠕变速率逐渐减小，损坏了橡胶沥青胶浆的低温性能。主要是由于随着粉胶比的增大，胶浆中矿粉含量增多，由于矿粉具有较大的比表面积，対沥青体积起增强作用，加之其物化反映，使胶浆变得更加粘稠，降低了低温性能。（2）当粉胶比在1.0~1.2之间时，橡胶沥青胶浆的劲度模量和蠕变速率随粉胶比的变化曲线均出现突变。说明在1.0~1.2时，矿粉的作用逐渐过渡到主导地位，粉胶比过了1.2之后，矿粉与沥青形成一种固液平衡的状态，m值的减小速率变小。因此在施工过程中粉胶比宜控制在1.0~1.2之间。（3）结合橡胶沥青胶浆的高温性能分析，随着胶粉掺量的增加，胶浆的高温和低温性能均有所提高，故宜选取22%作为实际施工时的橡胶粉掺量值。
5、总结
本文在18%、20%、22%三种不同的橡胶粉掺量下，选取0.8~1.5之间的粉胶比，通过动态剪切流变试验（DSR）以及弯曲梁流变实验（BBR）分别对橡胶沥青胶浆的高温和低温性能做了详细的试验研究，得出：
（1）随着粉胶比的增大，橡胶沥青胶浆的高温性能逐渐提高，但低温性能却呈下降趋势；
（2）粉胶比在1.0~1.2之间时，胶浆的高温、低温性能随粉胶比的变化曲线均出现突变；
（3）综合橡胶沥青胶浆的高温、低温性能试验结果，粉胶比宜在1.0~1.2之间选取；
（4）随着胶粉含量的增加，橡胶沥青胶浆的高低温性能均有所提高，但是22%掺量较其它两种掺量，胶浆高温性能的提高更加明显，同时考虑到经济效益，橡胶粉掺量宜为22%。
参考文献
[ 1] 美国沥青协会编译.高性能沥青路面基础参考手册[M].北京：人民交通出版社，2005
[ 2] 宋祖望，陈飙.橡胶沥青技术应用指南[M].北京：人民交通出版社，2007
[ 3] 曹卫东，吕伟民.废旧轮胎橡胶混合法改性沥青混合料的研究[J].建筑材料学报，2007,10（1）：110-114
[ 4] 张久鹏，黄晓明.沥青混合料高温性能的流变指标评价[J].公路，2006，（7）：145-148
[ 5] JTG E2O-2011. 公路工程沥青及沥青混合料试验规程[ S]