论文部分内容阅读
摘要:橡胶沥青的流变性能对进一步提高橡胶沥青的优越性具有指导意义，针对目前国内外关于橡胶沥青流变性能的研究状况，本文对橡胶沥青流变性的评价方法、影响因素进行了评述。针对目前国内外的研究现状，提出了橡胶沥青流变性研究的不足：1、橡胶沥青的流变模型与传统沥青不同，仍然用传统的方法来评价橡胶沥青显得不足；2、沥青流变性的优劣不等价与混合料的性能，评价不同改性沥青混合料的性能要结合影响混合料性能特定的因素：油石比、混合料级配等。
关键词：橡胶沥青；流变性能；评价方法；影响因素；性能对比
中图分类号：U416. 217 文献标志码：A文章编号：
Abstract: Rheological properties of is a Guiding significance for further enhance the advantages of asphalt rubber. For the rheological properties of asphalt rubber state at home and abroad , In this paper, Describing the methods of evaluation, affect factors of rubber asphalt. This paper propose the Insufficient of asphalt rubber’s rheological properties study for research at home and abroad:1、Rubber asphalt rheological model different from the traditional asphalt, still use traditional methods to evaluate the Insufficient rubber asphalt becomes shortage;2、Asphalt rheology is not equivalent to the merits of the performance with the mixture，evaluation of different performance of modified asphalt mixture to combine the performance impact of specific factors: Whetstone ratio, mixture gradation, etc.
Keywords: rubber asphalt; rheological properties; evaluation methods; factors; performance comparison
0引言
从轮胎中回收的橡胶作为一种弹性粘合添加剂已经被广泛地应用在路面工程中。破碎轮胎胶粉改性沥青展现出良好的力学性能，提高了路面的耐久性，减少了反射裂缝和良好的抗疲劳性能。此外，从环境的角度来看，废旧轮胎橡胶作为沥青改性剂来使用对解决资源的浪费和轮胎的处置是有利的。
流变学研究简单来说就是研究材料的流动和变形的发生与发展的一般规律的科学。流变性是指物体受力变形与时间关系的性质。常规沥青混合料和橡胶粉改性沥青混合料在受剪切作用的时候大致会显示出剪切增稠( 即膨润性) 、牛顿体、剪切变稀( 即假塑性)等性质。本文在参考国内外文献的基础上，对评价橡胶沥青流变性的方法、影响沥青流变性的因素以及与其它改性沥青流变性的对比结果进行了评述。
1橡胶沥青的流变性质
流变性研究简单来说就是研究材料对所施加应力的时间- 温度响应。室内试验结果表明，177℃時橡胶沥青在恒定外力剪切作用下，其粘度随外力作用时间的长短而发生变化，当改为较弱的恒定外力作用，其粘度又随时间逐渐恢复。这是因为橡胶沥青沥青在外力的作用下，内部结构会发生破坏，使得分子排列有序化，使得粘度降低。而在破坏的同时，结构也在重新形成，破坏速率随时间而减小。这类流体的流变行为是属于具有时间依赖性关系的系统，其特点是切变速率不仅依赖于所施加的外力的大小，而且还依赖与切应力所施加的时间的长短。橡胶沥青的流变行为属于典型的正触变性流体，即恒定剪切速率下出现剪切变稀现象。
2 橡胶沥青流变性能的评价方法
2.1广义Maxwell 模型
F. J. Navarro 等人利用广义Maxwell 模型研究橡胶粉改性沥青的动态线性粘弹性性质, 发现使用橡胶粉的加入对高温下的储存模量和损失模量都有显著的提高, 而对低温下的两种模量则有显著的减小。橡胶沥青增强了粘弹性性质, 比常规沥青具有更高的粘性。广义Maxwell模型是由许多Maxwell体并联而成如图1，设单个Maxwell模型共有n个，每个模型包含的常量分别为E，η，E，η……，对于单个Maxwell模型，其应力应变关系为：
（1）
以上n个这样的方程可以得到： （2）
其中p、q为系数。Maxwell模型具有以下两个性质：1、在应力长期作用下应变能无限增长；2、在瞬时加载情况下，有瞬时应变产生。
2.2动态剪切流变试验
美国战略公路研究计划（SHRP）在沥青结合料路用性能规范中提出评价沥青结合料高温稳定性和中等温度条件下疲劳特性的指标是采用动态剪切流变仪（DSR）。通过测量沥青胶结料的复数剪切模量（G）和相位角（δ）来表征沥青胶结料的粘性和弹性性质。G是材料重复剪切变形时总阻力的度量, 包括两部分：实数部分储存弹性模量（G′）和虚数部分损失弹性模量(G″)。δ是由于材料粘性成分的影响, 当对材料输入正弦应力与产生的正弦应变响应不同步, 滞后一个角度而产生的。G′、G″和δ的关系表示如下：
G′= Gcosδ
G″= Gsinδ (3)
tanδ= G″/G′
SHRP在沥青结合料路用性能规范中要求对原样沥青及旋转薄膜烘箱老化后残留沥青分别进行DSR试验来评价沥青的抗永久变形能力。SHRP规范定义G/sinδ为车辙因子, 其值越大，表明沥青的抗永久变形能力越强。因此以最高路面设计温度下沥青结合料的DSR 试验指标G/sinδ作为沥青结合料的高温评价指标, 沥青材料的G/sinδ指标应满足以下要求:1、原样沥青的G/sinδ不得小于1.0kPa；2、RTFOT后残留沥青的G/sinδ不得小于2.2kPa。这一试验适用的温度范围为5-85℃，G在0.1-1000 kPa范围内。
同时, SHRP采用经过旋转薄膜烘箱试验及压力老化后的沥青在中等路面设计温度下沥青结合料的DSR试验指标Gsinδ作为沥青结合料疲劳耐久性指标, 值越大表明重复荷载作用下的能量损失速度越快。有试验研究证明, 沥青混合料的疲劳损伤、疲劳寿命与循环加载过程中的能量损失具有比例关系, 因此, 较小的Gsinδ占数值代表较好的疲劳抵抗能力。SHRP规定, 经过旋转薄膜烘箱试验及压力老化试验后沥青的Gsinδ不得大5000kPa。
3橡胶沥青流变性能的影响因素
3.1橡胶粉粒径对流变性的影响
研究发现废橡胶粉对沥青G′、G″的改变随着橡胶粉颗粒粒径的增加而增加, 而且由于橡胶的加入, 沥青表现出从大范围剪变率的牛顿体性质到剪切变稀性质的变化, 因此流变曲线表现出了粘度从不变( 低剪变率区) 到减小( 幂律区) 的变化。所以橡胶粉改性沥青的流变性质可以用Carreau 模型来描述。Carreau 模型的表达式如下:
（4）
式中:s——与剪切变稀区域的斜率相关的参数
——材料的特征时间( = 1/，是剪切变稀区域的下限临界剪变率) ;
——材料的零剪变率粘度。
F. J. Navarro 等人根据试验数据, 分析了50℃时颗粒粒径对Carreau 模型参数的影响, 并利用公式: =计算, 提出了50 ℃ 时,、和颗粒粒径 (PS ) 的关系:
（5）
（6）
从试验结果表明：、随橡胶颗粒粒径呈指数增长的关系。橡胶颗粒粒径越大, 沥青的粘度越高。
3.2制备工艺对流变性的影响
廖明义等人分别采用了新型预混—母料工艺和传统湿法工艺,制备出了相同组分含量的胶粉改性沥青试，采用美国Brookfield DV-Ⅱ型旋转粘度计测试试样粘度，并用美国CVO 100 型动态剪切流变仪测试试样的动态流变学特性。图2为两种改性工艺所制备试样的粘度随温度的变化情况。
图1 广义Maxwell模型 图2不同工艺制备试样的粘度随温度的变化关系
由此可见, 新型工艺不但能够显著降低改性沥青试样的高温粘度, 有利于施工, 还明显降低了试样粘度对温度的敏感性, 而这一结果显然与新旧两种工艺中改性剂和基质沥青相互作用所形成的形态方面的差异有关。
4存在的问题和建议
目前，橡胶沥青的研究是个热门的课题，但是橡胶沥青目前的研究很大程度上依赖实验室的试验以及经验，存在着许多问题亟待解决，由于橡胶沥青存储稳定性不足、高温稳定性较差、高温粘度过大等因素大大限制了其推广应用。作为理论基础的流变学理论是我们从事橡胶沥青研究的一个主要方向。结合目前国内外关于橡胶沥青的流变性的研究，我关于目前的研究存在以下两个问题：
橡胶沥青不再是单纯的剪切变稀粘性系统的广义宾汉体，而是对时间有依赖关系的正触变性流体。因此，用研究其他沥青的模型和试验方法来处理橡胶沥青在理论上是有出入的，需要建立适合橡胶沥青的流变模型。
2、沥青的流变性能与混合料不是完全等同的，具有良好流变性能的沥青其混合料的性能也是未定之数。特别是在将不同沥青混合料性能作对比的时候，由于各种沥青所对应的最佳的矿料级配不一致、油石比不一致等因素使得这些混合料之间的性能可比性就不再是那么的有说服力了。
参考文献：
[1] Adhikari B, De D, Maiti S. Reclamation and recycling of waste rubber. Prog Polym Sci 2000;25(7):909–48.
[2] Fang Y, Zhan M, Wang Y. The status of recycling of waste rubber. Mater Des 2001;22(2):123–8.
[3] Bahia HU, Davies R. Effect of crumb rubber modifiers (CRM) on performance-related properties of asplhat binders. J Assoc Asphalt Paving Technol 1994;63:414–20.
[4]F. J. Navarro, etc. Rheological Characteristics of Ground Tir e Rubber - Modified Bitumens Chemical Engineer ing Journal 89( 2002) 53~ 61.
[5] 沈金安. 沥青及沥青泥合杆路用性能.北京:人民交通出版社,2001.
[6] AASHTO T315 Determining the rheological properties of asphalt binder using adynamic shear rheometer (DSR).American association of state highway and transportation officials,2006.
[8]l廖明義等. 制备工艺对橡胶粉改性沥青流变特性及形态学的影响研究[J].石油沥青，2006:，20（6）:47—50.
关键词：橡胶沥青；流变性能；评价方法；影响因素；性能对比
中图分类号：U416. 217 文献标志码：A文章编号：
Abstract: Rheological properties of is a Guiding significance for further enhance the advantages of asphalt rubber. For the rheological properties of asphalt rubber state at home and abroad , In this paper, Describing the methods of evaluation, affect factors of rubber asphalt. This paper propose the Insufficient of asphalt rubber’s rheological properties study for research at home and abroad:1、Rubber asphalt rheological model different from the traditional asphalt, still use traditional methods to evaluate the Insufficient rubber asphalt becomes shortage;2、Asphalt rheology is not equivalent to the merits of the performance with the mixture，evaluation of different performance of modified asphalt mixture to combine the performance impact of specific factors: Whetstone ratio, mixture gradation, etc.
Keywords: rubber asphalt; rheological properties; evaluation methods; factors; performance comparison
0引言
从轮胎中回收的橡胶作为一种弹性粘合添加剂已经被广泛地应用在路面工程中。破碎轮胎胶粉改性沥青展现出良好的力学性能，提高了路面的耐久性，减少了反射裂缝和良好的抗疲劳性能。此外，从环境的角度来看，废旧轮胎橡胶作为沥青改性剂来使用对解决资源的浪费和轮胎的处置是有利的。
流变学研究简单来说就是研究材料的流动和变形的发生与发展的一般规律的科学。流变性是指物体受力变形与时间关系的性质。常规沥青混合料和橡胶粉改性沥青混合料在受剪切作用的时候大致会显示出剪切增稠( 即膨润性) 、牛顿体、剪切变稀( 即假塑性)等性质。本文在参考国内外文献的基础上，对评价橡胶沥青流变性的方法、影响沥青流变性的因素以及与其它改性沥青流变性的对比结果进行了评述。
1橡胶沥青的流变性质
流变性研究简单来说就是研究材料对所施加应力的时间- 温度响应。室内试验结果表明，177℃時橡胶沥青在恒定外力剪切作用下，其粘度随外力作用时间的长短而发生变化，当改为较弱的恒定外力作用，其粘度又随时间逐渐恢复。这是因为橡胶沥青沥青在外力的作用下，内部结构会发生破坏，使得分子排列有序化，使得粘度降低。而在破坏的同时，结构也在重新形成，破坏速率随时间而减小。这类流体的流变行为是属于具有时间依赖性关系的系统，其特点是切变速率不仅依赖于所施加的外力的大小，而且还依赖与切应力所施加的时间的长短。橡胶沥青的流变行为属于典型的正触变性流体，即恒定剪切速率下出现剪切变稀现象。
2 橡胶沥青流变性能的评价方法
2.1广义Maxwell 模型
F. J. Navarro 等人利用广义Maxwell 模型研究橡胶粉改性沥青的动态线性粘弹性性质, 发现使用橡胶粉的加入对高温下的储存模量和损失模量都有显著的提高, 而对低温下的两种模量则有显著的减小。橡胶沥青增强了粘弹性性质, 比常规沥青具有更高的粘性。广义Maxwell模型是由许多Maxwell体并联而成如图1，设单个Maxwell模型共有n个，每个模型包含的常量分别为E，η，E，η……，对于单个Maxwell模型，其应力应变关系为：
（1）
以上n个这样的方程可以得到： （2）
其中p、q为系数。Maxwell模型具有以下两个性质：1、在应力长期作用下应变能无限增长；2、在瞬时加载情况下，有瞬时应变产生。
2.2动态剪切流变试验
美国战略公路研究计划（SHRP）在沥青结合料路用性能规范中提出评价沥青结合料高温稳定性和中等温度条件下疲劳特性的指标是采用动态剪切流变仪（DSR）。通过测量沥青胶结料的复数剪切模量（G）和相位角（δ）来表征沥青胶结料的粘性和弹性性质。G是材料重复剪切变形时总阻力的度量, 包括两部分：实数部分储存弹性模量（G′）和虚数部分损失弹性模量(G″)。δ是由于材料粘性成分的影响, 当对材料输入正弦应力与产生的正弦应变响应不同步, 滞后一个角度而产生的。G′、G″和δ的关系表示如下：
G′= Gcosδ
G″= Gsinδ (3)
tanδ= G″/G′
SHRP在沥青结合料路用性能规范中要求对原样沥青及旋转薄膜烘箱老化后残留沥青分别进行DSR试验来评价沥青的抗永久变形能力。SHRP规范定义G/sinδ为车辙因子, 其值越大，表明沥青的抗永久变形能力越强。因此以最高路面设计温度下沥青结合料的DSR 试验指标G/sinδ作为沥青结合料的高温评价指标, 沥青材料的G/sinδ指标应满足以下要求:1、原样沥青的G/sinδ不得小于1.0kPa；2、RTFOT后残留沥青的G/sinδ不得小于2.2kPa。这一试验适用的温度范围为5-85℃，G在0.1-1000 kPa范围内。
同时, SHRP采用经过旋转薄膜烘箱试验及压力老化后的沥青在中等路面设计温度下沥青结合料的DSR试验指标Gsinδ作为沥青结合料疲劳耐久性指标, 值越大表明重复荷载作用下的能量损失速度越快。有试验研究证明, 沥青混合料的疲劳损伤、疲劳寿命与循环加载过程中的能量损失具有比例关系, 因此, 较小的Gsinδ占数值代表较好的疲劳抵抗能力。SHRP规定, 经过旋转薄膜烘箱试验及压力老化试验后沥青的Gsinδ不得大5000kPa。
3橡胶沥青流变性能的影响因素
3.1橡胶粉粒径对流变性的影响
研究发现废橡胶粉对沥青G′、G″的改变随着橡胶粉颗粒粒径的增加而增加, 而且由于橡胶的加入, 沥青表现出从大范围剪变率的牛顿体性质到剪切变稀性质的变化, 因此流变曲线表现出了粘度从不变( 低剪变率区) 到减小( 幂律区) 的变化。所以橡胶粉改性沥青的流变性质可以用Carreau 模型来描述。Carreau 模型的表达式如下:
（4）
式中:s——与剪切变稀区域的斜率相关的参数
——材料的特征时间( = 1/，是剪切变稀区域的下限临界剪变率) ;
——材料的零剪变率粘度。
F. J. Navarro 等人根据试验数据, 分析了50℃时颗粒粒径对Carreau 模型参数的影响, 并利用公式: =计算, 提出了50 ℃ 时,、和颗粒粒径 (PS ) 的关系:
（5）
（6）
从试验结果表明：、随橡胶颗粒粒径呈指数增长的关系。橡胶颗粒粒径越大, 沥青的粘度越高。
3.2制备工艺对流变性的影响
廖明义等人分别采用了新型预混—母料工艺和传统湿法工艺,制备出了相同组分含量的胶粉改性沥青试，采用美国Brookfield DV-Ⅱ型旋转粘度计测试试样粘度，并用美国CVO 100 型动态剪切流变仪测试试样的动态流变学特性。图2为两种改性工艺所制备试样的粘度随温度的变化情况。
图1 广义Maxwell模型 图2不同工艺制备试样的粘度随温度的变化关系
由此可见, 新型工艺不但能够显著降低改性沥青试样的高温粘度, 有利于施工, 还明显降低了试样粘度对温度的敏感性, 而这一结果显然与新旧两种工艺中改性剂和基质沥青相互作用所形成的形态方面的差异有关。
4存在的问题和建议
目前，橡胶沥青的研究是个热门的课题，但是橡胶沥青目前的研究很大程度上依赖实验室的试验以及经验，存在着许多问题亟待解决，由于橡胶沥青存储稳定性不足、高温稳定性较差、高温粘度过大等因素大大限制了其推广应用。作为理论基础的流变学理论是我们从事橡胶沥青研究的一个主要方向。结合目前国内外关于橡胶沥青的流变性的研究，我关于目前的研究存在以下两个问题：
橡胶沥青不再是单纯的剪切变稀粘性系统的广义宾汉体，而是对时间有依赖关系的正触变性流体。因此，用研究其他沥青的模型和试验方法来处理橡胶沥青在理论上是有出入的，需要建立适合橡胶沥青的流变模型。
2、沥青的流变性能与混合料不是完全等同的，具有良好流变性能的沥青其混合料的性能也是未定之数。特别是在将不同沥青混合料性能作对比的时候，由于各种沥青所对应的最佳的矿料级配不一致、油石比不一致等因素使得这些混合料之间的性能可比性就不再是那么的有说服力了。
参考文献：
[1] Adhikari B, De D, Maiti S. Reclamation and recycling of waste rubber. Prog Polym Sci 2000;25(7):909–48.
[2] Fang Y, Zhan M, Wang Y. The status of recycling of waste rubber. Mater Des 2001;22(2):123–8.
[3] Bahia HU, Davies R. Effect of crumb rubber modifiers (CRM) on performance-related properties of asplhat binders. J Assoc Asphalt Paving Technol 1994;63:414–20.
[4]F. J. Navarro, etc. Rheological Characteristics of Ground Tir e Rubber - Modified Bitumens Chemical Engineer ing Journal 89( 2002) 53~ 61.
[5] 沈金安. 沥青及沥青泥合杆路用性能.北京:人民交通出版社,2001.
[6] AASHTO T315 Determining the rheological properties of asphalt binder using adynamic shear rheometer (DSR).American association of state highway and transportation officials,2006.
[8]l廖明義等. 制备工艺对橡胶粉改性沥青流变特性及形态学的影响研究[J].石油沥青，2006:，20（6）:47—50.