安文靜,盛冬發(fā),張思成,王怡楠,朱 軍

(西南林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院 ,昆明 650224)

0 引 言

橡膠瀝青復(fù)合材料作為一種典型的黏彈性材料，其動(dòng)態(tài)流變力學(xué)性能比其他類(lèi)型的瀝青復(fù)合材料更復(fù)雜，在抗路面高溫變形中起著重要作用[1-2]。同時(shí)，橡膠瀝青復(fù)合材料也是一種較典型的溫敏材料，不同工藝材料的路用性能差異較大。橡膠瀝青復(fù)合材料是先將廢舊輪胎原質(zhì)加工成橡膠粉，同時(shí)加入各種高分子改性劑，并在高溫條件下與基質(zhì)瀝青充分溶脹反水損壞性等特點(diǎn)，是一種理想的環(huán)保型路面材料。橡膠瀝青復(fù)合材料由于加入了橡膠粉使得瀝青材料的黏性和彈性提高，抗車(chē)轍能力提升，因此可廣泛應(yīng)用于道路結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力吸收層和表面層中[4]。早在1845年，英國(guó)就開(kāi)始在瀝青中摻加橡膠以改善其力學(xué)性能。此后，日本、法國(guó)等國(guó)家也開(kāi)始對(duì)橡膠瀝青復(fù)合料的力學(xué)性能進(jìn)行研究[5]。因此，橡膠瀝青復(fù)合材料在國(guó)外早已得到廣泛地應(yīng)用[6]。在20世紀(jì)90年代之前，由于國(guó)內(nèi)社會(huì)發(fā)展相對(duì)落后，汽車(chē)數(shù)量較少，舊輪胎總量不大，對(duì)環(huán)境污染影響較小。此外，廢舊輪胎粉碎處理技術(shù)不太成熟，設(shè)備相對(duì)落后，復(fù)雜的社會(huì)環(huán)境等因素導(dǎo)致這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)沒(méi)有受到足夠重視。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展，我國(guó)廢舊輪胎的數(shù)量已躍居世界第二，橡膠回收利用迫在眉睫[7]。在綠色環(huán)保和橡膠瀝青復(fù)合材料廣泛應(yīng)用的大背景下，我國(guó)也開(kāi)展了橡膠瀝青復(fù)合材料應(yīng)用方面的研究。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)橡膠瀝青復(fù)合材料動(dòng)態(tài)剪切流變性能方面的研究仍然較少。因此，研究橡膠瀝青復(fù)合材料動(dòng)態(tài)流變性能具有重要意義。

黏度是橡膠瀝青復(fù)合材料主要性能指標(biāo)，在橡膠瀝青復(fù)合材料應(yīng)用更普及的國(guó)家和地區(qū)，黏度作為重要的溫度控制指標(biāo)而被使用[8]。黏度與橡膠瀝青復(fù)合材料動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性有著較強(qiáng)的相關(guān)性。載荷相同條件下，橡膠瀝青復(fù)合材料黏度越高產(chǎn)生剪切變形越小，材料彈性性能恢復(fù)越好。另外，溫度對(duì)橡膠瀝青復(fù)合材料黏彈性影響顯著。因此，想要有效提升路面抗變形能力，還需考慮橡膠瀝青復(fù)合材料的變溫黏彈性問(wèn)題。國(guó)外通常使用Brookfield方法測(cè)定不同溫度下橡膠瀝青復(fù)合材料的黏度，且規(guī)范中提出橡膠瀝青復(fù)合材料在135 ℃溫度下的黏度不應(yīng)超過(guò)3 Pa·s，用來(lái)控制規(guī)范橡膠瀝青復(fù)合材料施工性能[9]。

韓麗麗等[10]通過(guò)頻率掃描實(shí)驗(yàn)確定了儲(chǔ)存模量、耗損模量等參數(shù)，研究結(jié)果表明在瀝青混合料中添加納米材料可以改善瀝青彈性從而提高其抗車(chē)轍能力。王淋等[11]采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)巖瀝青改性瀝青和SSB改性瀝青等進(jìn)行疲勞性能分析，研究結(jié)果表明添加5%巖瀝青和18%膠粉可以提升材料的抗疲勞性能。邢明亮等[12]通過(guò)改變材料配比、溫度等影響因素觀察高黏瀝青膠漿動(dòng)態(tài)剪切流變特性，動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)結(jié)果表明增加瀝青的黏度或增大礦粉表面積可提升高黏瀝青膠漿的溫敏性和抗變形性能。

本文介紹了橡膠瀝青復(fù)合材料黏彈性基本理論，應(yīng)用該理論和動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)對(duì)不同橡膠含量的瀝青復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)剪切流變特性進(jìn)行了研究。通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀在不同溫度下對(duì)不同膠粉含量的橡膠瀝青復(fù)合材料試樣進(jìn)行測(cè)試，得到橡膠瀝青復(fù)合材料的黏度、儲(chǔ)存模量和損耗模量，將理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)理論值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。

1 橡膠瀝青復(fù)合材料黏彈性基本理論

橡膠瀝青復(fù)合材料的三參量流變模型[13]是由一個(gè)Kelvin模型和一個(gè)彈簧串聯(lián)而成，如圖1所示。

圖1 橡膠瀝青復(fù)合材料三參量流變模型

該模型的應(yīng)力σ和應(yīng)變?chǔ)趴捎迷⒘勘硎緸?/p>

(1)

式中：ε1為蠕變應(yīng)變，ε2為彈性應(yīng)變。E1、E2為彈性模量，η1為黏度。由Laplace變換與逆變換可導(dǎo)出該力學(xué)模型的本構(gòu)關(guān)系為

(2)

式中各物理參數(shù)為p1=η1/(E1+E2)，q0=E1E2/(E1+E2)，q1=E2η1/(E1+E2)。

對(duì)該模型的本構(gòu)方程(2)作Laplace變換與逆變換，可導(dǎo)出橡膠瀝青復(fù)合材料的蠕變過(guò)程與松弛過(guò)程的表達(dá)式為

(3)

(4)

令

(5)

(6)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)橡膠瀝青復(fù)合材料的黏度η1與溫度T呈現(xiàn)二次冪函數(shù)關(guān)系，與橡膠粉摻量M呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，而與時(shí)間的關(guān)系較為復(fù)雜，并未發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律。因此，利用DSR黏度預(yù)估模型得到橡膠瀝青復(fù)合材料的理論黏度η1為

η1=a(T+b)2·ecM+d

(7)

式中，a、b、c、d為待定常數(shù)。以橡膠粉摻量M=5%為例，由不同溫度下的DSR黏度數(shù)據(jù)，采用Origin軟件的函數(shù)擬合功能，對(duì)黏度預(yù)估模型的4個(gè)待定參數(shù)進(jìn)行了擬合，得到待定常數(shù)a、b、c、d分別為1、-93.31、-264.17和0.0013。其擬合曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 黏度預(yù)估模型溫度譜

將待定常數(shù)代入黏度目標(biāo)預(yù)估模型，即可得到DSR黏度預(yù)估模型為

η1=(T-93.31)2·e-264.17M+0.0013

(8)

從該預(yù)估模型相關(guān)性分析可知其相關(guān)系數(shù)為0.979，說(shuō)明該黏度預(yù)估模型具有較高的精度。對(duì)于不同橡膠粉摻量，由其得到的待定常數(shù)和由橡膠數(shù)摻量M=5%得到的待定常數(shù)相同。限于篇幅原因，這里不再對(duì)其他橡膠粉摻量的黏度目標(biāo)預(yù)估模型進(jìn)行擬合。

由松弛模量與復(fù)模量的轉(zhuǎn)換關(guān)系式，可得到復(fù)模量的實(shí)部(儲(chǔ)存模量G′)和復(fù)模量的虛部(損耗模量G″)即

(9)

(10)

式中，ω為實(shí)驗(yàn)頻率，其值取1.59156 Hz。并且可以定義損耗因子(即損耗角正切值)為

(11)

表1為3種橡膠瀝青復(fù)合材料在不同時(shí)刻下的應(yīng)變量，{εi}為其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變列陣。由式(6)采用最小二乘法原理對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，即

表1 3種橡膠瀝青復(fù)合材料不同時(shí)刻的應(yīng)變量

{|δ|}2={|Δε|}2=(Δε)TΔε=({εi}-{J(ti)}σ0)T({εi}-{J(ti)}σ0)

(12)

為了求得3種橡膠瀝青復(fù)合材料的彈性模量E1、E2，可對(duì)式(12)隱含的未知量p1、q1分別求導(dǎo)，并令其導(dǎo)數(shù)等于零，可得到未知量p1、q1。再根據(jù)由實(shí)驗(yàn)確定的黏度η1可得到材料的兩個(gè)彈性模量E1和E2，如表2所示。

表2 3種橡膠瀝青復(fù)合材料的彈性參量

將所求得的流變參量E1、E2、η1代入式(9)～(11)，可得到不同溫度下橡膠瀝青復(fù)合材料的儲(chǔ)存模量、損耗模量以及損耗因子的理論值。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用橡膠粉為常溫研磨法生產(chǎn)的廢胎膠粉，取自上海(大貨子午胎)；基質(zhì)瀝青為70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青，由上海宏潤(rùn)建設(shè)集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)。橡膠瀝青制備采用濕法工藝，將3份相同基質(zhì)瀝青加熱到180～185 ℃，分別加入5%、10%和15%橡膠粉(外摻)，均采用高速剪切機(jī)分別進(jìn)行攪拌，速度為1 000 r/min，反應(yīng)時(shí)間為60 min。實(shí)驗(yàn)儀器為動(dòng)態(tài)剪切流變儀，型號(hào)為Smart Pave 92，由上海商貿(mào)有限公司安東帕公司生產(chǎn)。

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)橡膠瀝青復(fù)合材料的黏度(η)、儲(chǔ)存模量(G′)、損耗模量(G″)和損耗因子(tanδ)進(jìn)行測(cè)定。溫度變化范圍為20～100 ℃，升溫速度約為1 ℃/min，測(cè)量頻率為1.59156 Hz。采用實(shí)驗(yàn)?zāi)＞叻謩e制作5%、10%和15%橡膠瀝青復(fù)合材料試樣，然后分別將試樣放于DSR儀器的旋轉(zhuǎn)軸和固定板間。將超出旋轉(zhuǎn)軸邊緣的試樣部分修正規(guī)整，然后再消除試樣之間的間隙。將橡膠瀝青復(fù)合材料試件放置好，試驗(yàn)溫度穩(wěn)定后等待溫度同測(cè)試溫度平衡，為了方便控制參數(shù)和記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果將計(jì)算機(jī)同DSR相連。隨后在不同溫度下對(duì)橡膠瀝青復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)剪切流變力學(xué)特性進(jìn)行測(cè)試。利用DSR分析儀對(duì)膠瀝青復(fù)合材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)黏彈性測(cè)定，分別得到橡膠瀝青復(fù)合材料的黏度、儲(chǔ)存模量、損耗模量和損耗因子等參數(shù)。

2.2 結(jié)果與討論

將實(shí)驗(yàn)測(cè)得的黏度、儲(chǔ)存模量、損耗模量和損耗因子等參數(shù)與理論值進(jìn)行對(duì)比分析。圖3、圖4分別為測(cè)量頻率1.59156 Hz下，5%、10%和15%橡膠瀝青復(fù)合材料黏度η與儲(chǔ)存模量G′溫度譜的實(shí)驗(yàn)值與理論值對(duì)比。由圖3可知，在DSR測(cè)試下，隨著測(cè)試溫度升高，橡膠瀝青復(fù)合材料的黏度都呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；而隨著膠粉含量增大，橡膠瀝青復(fù)合材料的黏度均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。由圖4可知，在DSR測(cè)試下，隨著測(cè)試溫度升高，橡膠瀝青復(fù)合材料試樣的儲(chǔ)存模量都有降低趨勢(shì)；而隨著膠粉含量增大，橡膠瀝青復(fù)合材料的儲(chǔ)存模量均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

圖3 不同粉膠含量材料黏度的溫度譜

圖4 不同粉膠含量材料儲(chǔ)存模量的溫度譜

圖5、6分別為測(cè)量頻率為1.59156 Hz下，5%、10%和15%橡膠瀝青復(fù)合材料試件損耗模量G″與損耗因子溫度譜的實(shí)驗(yàn)值與理論值對(duì)比。由圖5可知，在DSR測(cè)試下，隨著測(cè)試溫度升高，橡膠瀝青復(fù)合材料試樣的損耗模量都有降低趨勢(shì)；而隨著膠粉含量增大，橡膠瀝青復(fù)合材料的損耗模量均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。由圖6可知，在DSR測(cè)試下，隨著測(cè)試溫度升高橡膠瀝青復(fù)合材料試樣的損耗因子均有增大的趨勢(shì)；而隨著膠粉含量增大，橡膠瀝青復(fù)合材料的損耗因子卻呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。

圖5 不同粉膠含量材料損耗模量的溫度譜

圖6 不同粉膠含量材料損耗模量的溫度譜

3 結(jié) 論

利用Origin軟件函數(shù)擬合功能,對(duì)黏度預(yù)估模型的4個(gè)待定參數(shù)進(jìn)行了擬合。利用三參量流變模型，推導(dǎo)了橡膠瀝青復(fù)合材料黏彈性的動(dòng)態(tài)剪切流變參數(shù)。采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)5%、10%和15%橡膠瀝青復(fù)合材料試件進(jìn)行剪切流變實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果進(jìn)行比較，得到如下結(jié)論：

(1)通過(guò)Origin軟件函數(shù)擬合功能得到DSR黏度目標(biāo)預(yù)估模型的4個(gè)待定參數(shù)，該模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合相關(guān)系數(shù)為0.979，表明該模型可為橡膠瀝青復(fù)合材料黏度受溫度影響提供一定參考依據(jù)。

(2)利用三參量流變模型，推導(dǎo)了橡膠瀝青復(fù)合材料黏彈性的動(dòng)態(tài)剪切流變參數(shù)。利用三參量流變模型和DSR黏度目標(biāo)預(yù)估模型求出了橡膠瀝青復(fù)合材料黏度、儲(chǔ)存模量和損耗模量和損耗因子。

(3)隨著溫度升高，橡膠瀝青復(fù)合材料黏度、儲(chǔ)存模量和損耗模量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，而其損耗因子呈增大趨勢(shì)。而隨著膠粉含量增大，膠瀝青復(fù)合材料黏度、儲(chǔ)存模量和損耗模量均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，而損耗因子卻呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。由于材料儲(chǔ)存模量越大，損耗因子越小，材料愈接近理想彈性材料，因此15%橡膠瀝青復(fù)合材料動(dòng)態(tài)流變特性要優(yōu)于5%、10%橡膠瀝青復(fù)合材料。