王國(guó)清，曹東偉，王志斌，邱文利，張少波

(1. 河北雄安京德高速公路有限公司,河北 保定 071000；2.中路高科交通檢測(cè)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司, 北京 100088)

0 引言

汽車工業(yè)的快速發(fā)展給人們的生活帶來(lái)了巨大便利，但由此引發(fā)的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，僅2011年我國(guó)廢舊輪胎產(chǎn)生量便達(dá)到1.018×107t[1]。汽車廢舊輪胎難以分解，長(zhǎng)期堆放會(huì)阻礙動(dòng)植物生長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境造成不可逆的傷害。近年來(lái)，將廢舊輪胎制成膠粉改性劑添加至瀝青路面中是一種公認(rèn)的綠色解決方案，膠粉改性瀝青可以大量消耗廢舊輪胎，減少道路建設(shè)中對(duì)自然資源的利用[2-3]，1 km的橡膠瀝青路面可消耗約4 000條廢舊輪胎[4]。廢舊橡膠粉用于瀝青改性技術(shù)極大地降低了路面養(yǎng)護(hù)成本，提高了廢舊輪胎的無(wú)害化利用率，在資源緊缺、提倡節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]。

普通橡膠瀝青的膠粉摻量都在20%左右，美國(guó)ASTM規(guī)范規(guī)定橡膠瀝青的膠粉摻量不得低于15%[6]；南非規(guī)范規(guī)定廢胎膠粉含量在18%～24%之間；澳大利亞的廢胎膠粉含量約為25%[7]。大摻量膠粉改性瀝青的膠粉含量通常在30%以上，我國(guó)目前已有關(guān)于大摻量膠粉改性瀝青制備技術(shù)的研究[8]。大摻量橡膠瀝青路面在保證瀝青路面具有較好高溫穩(wěn)定性、抗老化性、抗疲勞性的同時(shí)，提高了廢舊膠粉的利用率，更大程度地讓橡膠粉得到合理利用[9-13]。

我國(guó)學(xué)者已對(duì)普通橡膠瀝青技術(shù)開(kāi)展了豐富的研究，并且取得了較為深刻的認(rèn)識(shí)[14-18]，包括橡膠瀝青的形成機(jī)理、微觀結(jié)構(gòu)、老化機(jī)理、多尺度研究等等。但對(duì)于大摻量膠粉改性瀝青的研究較少，尤其是當(dāng)膠粉摻量達(dá)到50%左右。因此本研究從流變測(cè)量學(xué)的角度出發(fā)，對(duì)大摻量膠粉改性瀝青的路用性能開(kāi)展了室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比研究。根據(jù)加載方式的不同，常規(guī)的流變學(xué)試驗(yàn)包括應(yīng)變掃描試驗(yàn)、頻率掃描試驗(yàn)、溫度掃描試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?yàn)等。流變測(cè)量學(xué)的目的是為了研究材料在不同加載條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)。曹麗萍等使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer,DSR)對(duì)7種SBS改性瀝青進(jìn)行掃描試驗(yàn)，得到其相應(yīng)的溫度譜，同時(shí)基于溫度譜得到的儲(chǔ)能模量、損耗模量對(duì)SBS改性瀝青其他黏彈性能的影響因素進(jìn)行了分析。褚浩然等利用DSR掃描試驗(yàn)分析了瀝青膠結(jié)料相關(guān)的黏彈參數(shù)，提出了綜合評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料的高、低溫動(dòng)態(tài)流變指標(biāo)。本研究結(jié)合已有瀝青流變學(xué)研究成果，采用流變學(xué)的表征理論和方法，系統(tǒng)分析了大摻量膠粉改性瀝青的線黏彈特性和高溫蠕變特性。

1 材料與試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本研究所用的試驗(yàn)材料來(lái)自雄安新區(qū)京德高速公路實(shí)體建設(shè)工程，瀝青膠結(jié)料種類共5種，包括1種基質(zhì)瀝青和4種膠粉改性瀝青。其中基質(zhì)瀝青為70#道路石油瀝青，膠粉改性瀝青的摻量分別為20%，30%，40%和50%。技術(shù)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 不同膠粉摻量的改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本研究的主要瀝青試驗(yàn)設(shè)備為奧地利某公司生產(chǎn)的MCR302動(dòng)態(tài)剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer，DSR)。該型號(hào)流變儀采用模塊化及智能化設(shè)計(jì)，具有完備的溫控系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)和扭矩輸出系統(tǒng)，可進(jìn)行應(yīng)力控制或應(yīng)變控制下的旋轉(zhuǎn)測(cè)試，并在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集樣品應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)、動(dòng)態(tài)剪切模量等數(shù)據(jù)。

本研究共用到兩種DSR平行板模具，其直徑分別為25 mm和8 mm。其中，25 mm平行板模具用于瀝青高溫測(cè)試(40 ℃以上)，對(duì)應(yīng)平行板間隙為1 mm；8 mm平行板模具用于瀝青中溫測(cè)試(40 ℃以下)，對(duì)應(yīng)平行板間隙為2 mm。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 頻率掃描試驗(yàn)

頻率掃描試驗(yàn)是測(cè)量瀝青線黏彈性力學(xué)參數(shù)的主要試驗(yàn)方法。在單一溫度條件下，通過(guò)對(duì)試樣施加不同加載頻率的小應(yīng)變水平動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，可以獲得瀝青材料線黏彈性范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)，本研究中使用的頻率掃描范圍是0.1～100 rad/s，試驗(yàn)溫度從10 ℃依次增加到70 ℃，然后基于不同溫度下的頻率掃描試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合時(shí)溫等效原理能夠?qū)⒉煌瑴囟认碌念l率掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行水平位移，得到一條代表瀝青線黏彈性特征的動(dòng)態(tài)剪切模量主曲線。本研究采用的Christensen-Anderson-Marasteanu(CAM)方程為瀝青動(dòng)態(tài)模量主曲線的擬合方程，具體表達(dá)公式如下：

(1)

f′=φT×f，

(2)

式中，f為實(shí)際加載頻率；φT為溫度位移因子；溫度位移因子可以通過(guò)Williams-Landel-Ferry(WLF)非線性擬合方程計(jì)算得到，方程的具體形式如式(3)所示。

(3)

式中，T為施加加載溫度；T0為主曲線參考溫度；D1，D2為WLF方程的擬合參數(shù)。

根據(jù)以上公式，得到瀝青頻率掃描試驗(yàn)不同溫度下的溫度位移因子及換算加載頻率，且由CAM模型可給出瀝青動(dòng)態(tài)模量的預(yù)測(cè)值，將試驗(yàn)測(cè)得的瀝青動(dòng)態(tài)模量按照換算加載頻率進(jìn)行水平位移，即可得到一條表征瀝青線黏彈性特征的動(dòng)態(tài)模量主曲線。

1.3.2 多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)

多應(yīng)力蠕變恢復(fù)(Multiple Stress Creep Recover，MSCR)試驗(yàn)，該試驗(yàn)在動(dòng)態(tài)剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer，DSR)上完成，試驗(yàn)結(jié)果能較好地反映瀝青材料對(duì)高溫車轍等病害的敏感性，已經(jīng)普遍用于國(guó)內(nèi)外瀝青以及瀝青材料的高溫黏彈性能分析評(píng)價(jià)。試驗(yàn)中分別選用0.1 kPa和3.2 kPa的蠕變應(yīng)力水平對(duì)試樣進(jìn)行逐級(jí)加載，每個(gè)應(yīng)力水平進(jìn)行10個(gè)周期，每個(gè)周期包括1 s的加載階段和9 s的卸載階段。根據(jù)瀝青在MSCR試驗(yàn)中的蠕變恢復(fù)曲線結(jié)果，計(jì)算不可恢復(fù)柔量(Jnr)和恢復(fù)率百分比(R)分別表征瀝青的蠕變恢復(fù)性能。每個(gè)加載周期內(nèi)R和Jnr指標(biāo)的計(jì)算公式如下，最后將每級(jí)應(yīng)力條件下10次循環(huán)的R和Jnr平均值作為指標(biāo)代表值。

(4)

(5)

式中，γp為每個(gè)加載周期內(nèi)的峰值應(yīng)變；γnr為每個(gè)加載周期內(nèi)的殘留應(yīng)變；γ0為每個(gè)加載周期內(nèi)的初始應(yīng)變；τ為每個(gè)加載周期內(nèi)的蠕變應(yīng)力。

2 膠粉改性瀝青線黏彈特性分析

2.1 膠粉改性瀝青模量主曲線

瀝青材料是典型的黏彈性材料，在交變應(yīng)力作用下表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)黏彈性。其中儲(chǔ)能模量是瀝青材料重要的黏彈性參數(shù)之一。儲(chǔ)能模量反映材料的彈性部分的貢獻(xiàn)，不涉及能量的轉(zhuǎn)換，儲(chǔ)能模量越大，表明材料中彈性成分越大，彈性恢復(fù)能力越強(qiáng)，因此儲(chǔ)能模量與瀝青的高溫抗車轍能力具有一定程度的聯(lián)系。對(duì)不同膠粉摻量的橡膠瀝青進(jìn)行DSR頻率掃描試驗(yàn)，并分別建立了瀝青的儲(chǔ)能模量主曲線、損耗模量主曲線和動(dòng)態(tài)剪切模量主曲線。

圖1為膠粉改性瀝青和基質(zhì)瀝青的儲(chǔ)能模量主曲線?？梢钥吹?，不論是基質(zhì)瀝青還是膠粉改性瀝青，其儲(chǔ)能模量均是隨著加載頻率的增加而增加的。在低頻區(qū)70#基質(zhì)瀝青的儲(chǔ)能模量最低，40%膠粉摻量的橡膠瀝青儲(chǔ)能模量最大。橡膠瀝青的儲(chǔ)能模量變化規(guī)律相似且與基質(zhì)瀝青明顯區(qū)別開(kāi)來(lái)。低頻區(qū)(高溫)所有橡膠瀝青的儲(chǔ)能模量值均高于基質(zhì)瀝青，這表明橡膠顆粒的加入增加了瀝青中的彈性成分，提高了瀝青的高溫變形恢復(fù)能力。還能看到，大摻量膠粉改性瀝青的儲(chǔ)能模量均顯著高于普通橡膠瀝青(20%摻量)，且隨著膠粉摻量的增加，儲(chǔ)能模量也在逐漸增加，但值得注意的是，這種增加不是沒(méi)有限制的，試驗(yàn)結(jié)果表明，50%膠粉摻量橡膠瀝青的儲(chǔ)能模量與30%橡膠瀝青的儲(chǔ)能模量值幾乎相同，二者數(shù)據(jù)點(diǎn)存在大量重合，因此40%的膠粉摻量可能是最佳膠粉摻量。在高頻區(qū)(低溫)能夠明顯注意到，基質(zhì)瀝青儲(chǔ)能模量逐漸超過(guò)了橡膠瀝青，因此橡膠改性劑對(duì)于瀝青流變性能的提升僅在高溫條件下較為顯著，在低溫條件下彈性成分的增加并不能顯著改善瀝青的低溫流變性能。

圖1 不同瀝青的儲(chǔ)能模量主曲線

損耗模量可以定量描述交變荷載作用下材料內(nèi)部以摩擦形式為主要損失形式的能量，用來(lái)表征材料耗散變形的能力，可以在一定程度上評(píng)價(jià)瀝青材料的抗疲勞特性，損耗模量越低，表明瀝青材料的抗疲勞特性越好。圖2是膠粉改性瀝青和基質(zhì)瀝青的損耗模量主曲線，可以看出，不論是基質(zhì)瀝青還是改性瀝青，其損耗模量均是隨著加載頻率的增加而增加的。在低頻區(qū)70#基質(zhì)瀝青的損耗模量最低，40%膠粉摻量橡膠瀝青的損耗模量最大。與普通橡膠瀝青相比，大摻量膠粉的改性瀝青的損耗模量較大，這可能是由于橡膠顆粒的增多增加了瀝青內(nèi)部發(fā)生摩擦的幾率，從而增加了材料內(nèi)部損失的模量。與儲(chǔ)能模量的分析結(jié)果類似，50%膠粉摻量橡膠瀝青表現(xiàn)出的宏觀黏彈特性與30%膠粉摻量橡膠瀝青相同，二者數(shù)據(jù)點(diǎn)存在大量重合。在高頻區(qū)70#基質(zhì)瀝青的損耗模量已經(jīng)超過(guò)了橡膠瀝青的損耗模量，這表明橡膠顆粒的加入將顯著改善低溫時(shí)瀝青材料的抗疲勞特性。高頻區(qū)內(nèi)普通橡膠瀝青的損耗模量依然低于大摻量膠粉改性瀝青，但與低頻區(qū)不同的是，普通橡膠瀝青與大摻量膠粉改性瀝青的差異在逐漸減小。因此，普通橡膠瀝青的抗疲勞特性要優(yōu)于大摻量膠粉改性瀝青，膠粉改性劑的加入能夠增強(qiáng)瀝青的抗低溫開(kāi)裂能力，但高溫條件下基質(zhì)瀝青的抗疲勞能力則要優(yōu)于膠粉改性瀝青。與基質(zhì)瀝青相比，膠粉改性瀝青有著更好的高溫抗車轍能力和低溫抗開(kāi)裂能力。

圖2 不同瀝青的損耗模量主曲線

基質(zhì)瀝青和橡膠瀝青的動(dòng)態(tài)剪切模量主曲線和WLF溫度位移因子分別如圖3和圖4所示。動(dòng)態(tài)剪切模量是瀝青在動(dòng)態(tài)荷載作用下的強(qiáng)度指標(biāo)，普遍認(rèn)為瀝青復(fù)數(shù)模量值越大，其高溫抗車轍能力越好?？梢钥吹?，在低頻區(qū)(高溫)40%膠粉摻量橡膠瀝青有著最高的復(fù)數(shù)模量值，基質(zhì)瀝青的模量值明顯低于其余4種橡膠瀝青，普通橡膠瀝青的復(fù)數(shù)模量值則低于大摻量膠粉改性瀝青。在進(jìn)入高頻區(qū)(低溫)以后，普通橡膠瀝青與大摻量膠粉的改性瀝青的模量值差異顯著下降，有較多數(shù)據(jù)點(diǎn)存在重合。這說(shuō)明與普通橡膠瀝青相比，大摻量膠粉的改性瀝青的抗車轍能力提升在高溫范圍內(nèi)更加明顯。此外，膠粉摻量對(duì)瀝青模量主曲線也有顯著影響。在一定范圍內(nèi)，橡膠瀝青復(fù)數(shù)模量將隨著膠粉摻量的增加而增加，40%膠粉摻量橡膠瀝青的復(fù)數(shù)模量值明顯高于30%膠粉摻量橡膠瀝青及普通橡膠瀝青。需要指出的是，50%膠粉摻量橡膠瀝青的模量主曲線與30%膠粉摻量模量主曲線幾乎重合，這表明膠粉摻量對(duì)于瀝青高溫抗車轍能力的提升存在最優(yōu)化問(wèn)題，其抗車轍能力不會(huì)隨著膠粉摻量的增加而持續(xù)增加。

圖3 動(dòng)態(tài)剪切模量主曲線

圖4 WLF溫度位移因子

2.2 膠粉改性瀝青相位角主曲線

相位角是瀝青等黏彈性材料特有的評(píng)價(jià)指標(biāo)，它表征由于黏性作用的影響，材料自身應(yīng)變與應(yīng)力之間響應(yīng)的延遲作用。對(duì)于完全黏性材料，應(yīng)變響應(yīng)落后應(yīng)力發(fā)生一個(gè)周期，即相位角δ=90°；應(yīng)變與應(yīng)力響應(yīng)完全同步的材料屬于完全彈性材料，此時(shí)相位角δ=0°。瀝青作為典型的黏彈性材料其相位角位于0°～90°之間。普通橡膠瀝青與大摻量膠粉改性瀝青相位角主曲線如圖5所示。

圖5 不同瀝青相位角主曲線

不同加載頻率下，70#基質(zhì)瀝青的相位角大于膠粉改性瀝青的相位角，因此相比于基質(zhì)瀝青，橡膠瀝青的彈性特征更為突出。相比于普通橡膠瀝青，大摻量膠粉改性瀝青的相位角較小，其彈性行為更加顯著。同一換算加載頻率下，普通橡膠瀝青的相位角最大，40%膠粉摻量橡膠瀝青的相位角最小，而30%和50%膠粉摻量橡膠瀝青的相位角則位于二者之間。由于缺少橡膠顆粒的加入，基質(zhì)瀝青的黏性則更加顯著。對(duì)于大摻量膠粉改性瀝青而言，隨著膠粉摻量的增加，彈性特征表現(xiàn)得愈加明顯。還能注意到，相位角的變化受到溫度或者加載頻率的顯著影響。在低頻(高溫)區(qū)，基質(zhì)瀝青與膠粉改性瀝青的相位角差異較大，且普通橡膠瀝青與大摻量膠粉改性瀝青之間的相位角也存在顯著差異。而在高頻(低溫)區(qū)，以上5種瀝青的相位角差異顯著減小，相位角指標(biāo)對(duì)于瀝青的低溫性能沒(méi)有顯著的區(qū)分度?？梢?jiàn)，相比于普通橡膠瀝青，大摻量膠粉改性瀝青的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在高溫條件下的彈性性能。

2.3 膠粉改性瀝青相位角和動(dòng)態(tài)模量相關(guān)性分析

動(dòng)態(tài)力學(xué)分析的主要技術(shù)之一就是利用溫度和頻率之間的相互關(guān)系構(gòu)建主曲線，以在更低的頻率或更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上產(chǎn)生連續(xù)的流變參數(shù)變化。而B(niǎo)lack Space圖是由頻率掃描試驗(yàn)中直接測(cè)得的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角繪制的，無(wú)需對(duì)流變數(shù)據(jù)進(jìn)行任何處理，因此能夠方便地評(píng)價(jià)膠粉改性劑和膠粉摻量對(duì)基質(zhì)瀝青流變性能的影響。Black Space圖消除了加載頻率和試驗(yàn)溫度的影響，能夠在一張曲線圖中呈現(xiàn)所有動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

基質(zhì)瀝青、普通橡膠瀝青和大摻量膠粉改性瀝青的Black Space曲線如圖6所示，可以看到Black Space曲線提供了一種快速、方便的方法來(lái)識(shí)別流變數(shù)據(jù)中的差異，它能夠區(qū)分基質(zhì)瀝青、普通橡膠瀝青和大摻量膠粉改性瀝青獨(dú)特的流變行為，而這也是前述分析無(wú)法做到的。在前文的研究中，無(wú)論是模量主曲線還是相位角主曲線，都只能區(qū)分基質(zhì)瀝青和膠粉改性瀝青(普通摻量和大摻量)的流變特性，而無(wú)法進(jìn)一步區(qū)分普通橡膠瀝青和大摻量膠粉改性瀝青的流變行為，因此Black Space圖有助于我們深刻理解普通橡膠瀝青和大摻量膠粉改性瀝之間的流變行為差異。

圖6 不同瀝青Black Space曲線

同時(shí)，與基質(zhì)瀝青相比，普通橡膠瀝青和大摻量膠粉改性瀝青都顯示出聚合物網(wǎng)絡(luò)的存在，這主要體現(xiàn)在流變數(shù)據(jù)朝著更低的相位角(更大的彈性行為)偏移。由于膠粉改性劑的加入，橡膠瀝青表現(xiàn)出的流變學(xué)行為比基質(zhì)瀝青更加復(fù)雜，曲線反彎點(diǎn)較多，但相同的是，3大類瀝青Black Space圖都存在一部分線性變化的階段，利用該線性部分可以估計(jì)不同瀝青材料的極限剛度。此外，低剛度條件下，不同瀝青的相位角差異更加顯著，40%摻量橡膠瀝青的相位角最小，表明其彈性行為最為顯著。在較大剛度條件下，不同膠粉摻量橡膠瀝青的相位角差異明顯減小，但仍低于基質(zhì)瀝青，因此膠粉改性后的瀝青彈性行為更加突出。相比于普通橡膠瀝青，大摻量膠粉改性瀝青(30%大摻量、40%大摻量、50%大摻量)的變化趨勢(shì)較為相似。在復(fù)數(shù)模量的中間段，曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn)，在反彎點(diǎn)之后，曲線朝著更低的相位角偏移。

3 膠粉改性瀝青高溫蠕變恢復(fù)特性分析

3.1 膠粉摻量對(duì)瀝青蠕變恢復(fù)性能的影響

不同種類瀝青在60 ℃下不同瀝青的MSCR試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，據(jù)此計(jì)算出的MSCR評(píng)價(jià)指標(biāo)彈性恢復(fù)率(R)和不可恢復(fù)柔量(Jnr)匯總于表2中?？梢钥闯?，大摻量膠粉改性瀝青高溫下的變形恢復(fù)能力明顯高于普通橡膠瀝青。例如當(dāng)加載應(yīng)力為0.1 kPa時(shí)，普通橡膠瀝青彈性恢復(fù)率為82.16%，而相同條件下，40%膠粉摻量橡膠瀝青的彈性恢復(fù)率達(dá)到了96.92%，是普通橡膠瀝青的1.18倍。0.1 kPa 應(yīng)力條件下，40%膠粉摻量橡膠瀝青的不可恢復(fù)柔量值僅為0.000 4 kPa-1，普通橡膠瀝青的不可恢復(fù)柔量值為0.06 kPa-1，是40%膠粉摻量橡膠瀝青的150倍。瀝青的Jnr指標(biāo)在一定程度上表征瀝青的高溫抗變形能力，可以看作瀝青的高溫強(qiáng)度指標(biāo)，Jnr指標(biāo)值越大，其高溫變形能力越強(qiáng)，瀝青的潛在抗車轍性能越差，越容易產(chǎn)生永久變形。由此可見(jiàn)，在提高膠粉摻量以后，瀝青的高溫恢復(fù)性能將得到顯著改善，高溫抗車轍能得到大幅增強(qiáng)。

圖7 不同瀝青MSCR試驗(yàn)的時(shí)間-應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

表2 MSCR評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

此外，膠粉摻量對(duì)瀝青的高溫蠕變特性也有顯著影響。從R和Jnr的計(jì)算結(jié)果可以看到，除50%粉膠比外，隨著膠粉摻量的增加，瀝青的彈性恢復(fù)率逐漸增加而不可恢復(fù)柔量逐漸降低。在0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力水平下，20%膠粉摻量的彈性恢復(fù)率最差，不可恢復(fù)柔量值最大；40%膠粉摻量橡膠瀝青的彈性恢復(fù)性能最好，不可恢復(fù)柔量值也最小。30%和50%膠粉摻量橡膠瀝青的高溫彈性恢復(fù)能力接近，均位于20%膠粉摻量和40%膠粉摻量之間。

3.2 膠粉改性瀝青蠕變恢復(fù)性能溫度敏感性分析

瀝青是一種黏彈性材料，對(duì)溫度變化較為敏感。溫度敏感性的強(qiáng)弱直接影響到瀝青膠結(jié)料的路用性能，因此基于MSCR的試驗(yàn)結(jié)果，本節(jié)分析了大摻量膠粉改性瀝青和普通橡膠瀝青在不同溫度下的高溫蠕變力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，MSCR的試驗(yàn)溫度分別為60，64，70，76，82 ℃和88 ℃。

圖8展示了不同溫度下兩種瀝青高溫蠕變恢復(fù)率指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果。從蠕變恢復(fù)率R的計(jì)算結(jié)果可以看出，溫度變化對(duì)瀝青的高溫蠕變性能具有顯著影響，不同溫度下蠕變恢復(fù)率R的計(jì)算結(jié)果具有較大差異，隨著溫度增加，瀝青的蠕變恢復(fù)能力逐漸下降。普通橡膠瀝青和大摻量膠粉改性瀝青均表現(xiàn)出優(yōu)于基質(zhì)瀝青的高溫變形恢復(fù)能力，在0.1 kPa應(yīng)力條件下，70#基質(zhì)瀝青在88 ℃時(shí)的蠕變恢復(fù)率R降低至-42.95%，而普通橡膠瀝青和40%摻量膠粉改性瀝青的蠕變恢復(fù)率R分別為47.20% 和92.20%，明顯高于基質(zhì)瀝青，因此膠粉改性劑能夠顯著提升高溫條件下瀝青的蠕變恢復(fù)能力。相比于普通橡膠瀝青，大摻量膠粉改性瀝青的溫度敏感性更弱，不同溫度條件下的蠕變恢復(fù)率R的變化幅度更小。在0.1 kPa應(yīng)力條件下，普通橡膠瀝青60 ℃時(shí)的蠕變恢復(fù)率R為82.16%，而88 ℃時(shí)的蠕變恢復(fù)率R將至47.20%，下降了34.96%。40%摻量膠粉改性瀝青60 ℃時(shí)的蠕變恢復(fù)率R為96.92%，而88 ℃時(shí)的蠕變恢復(fù)率R將至92.20%，僅下降了4.72%，其變化幅度明顯小于普通橡膠瀝青。30%摻量膠粉改性瀝青和50%摻量膠粉改性瀝青的蠕變恢復(fù)率R則分別降低了27.06%和26.47%，均低于普通橡膠瀝青，因此溫度變化對(duì)普通橡膠瀝青的高溫恢復(fù)性能影響較大，對(duì)大摻量膠粉改性瀝青的影響較小，其中40%膠粉摻量改性瀝青的溫度敏感性最弱，其蠕變恢復(fù)率R隨溫度變化幅度最小。

圖8 不同溫度下R的計(jì)算結(jié)果

圖9分別展示了0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力條件下的Jnr計(jì)算結(jié)果。由于基質(zhì)瀝青和膠粉改性瀝青的Jnr指標(biāo)數(shù)值計(jì)算結(jié)果相差較大，使用同一個(gè)坐標(biāo)軸不易觀察到所有指標(biāo)的變化趨勢(shì)，因此將基質(zhì)瀝青和膠粉改性瀝青的指標(biāo)計(jì)算結(jié)果分兩部分進(jìn)行表示。從不可恢復(fù)柔量Jnr的計(jì)算結(jié)果可以看出，溫度變化對(duì)瀝青的高溫抗車轍性能具有顯著影響，不同溫度下不可恢復(fù)柔量Jnr計(jì)算結(jié)果具有較大差異，隨著溫度增加，不可恢復(fù)柔量Jnr逐漸增加，這表明瀝青的抗車轍能力逐漸下降。普通橡膠瀝青和大摻量膠粉改性瀝青均表現(xiàn)出優(yōu)于基質(zhì)瀝青的高溫抗車轍能力，在0.1 kPa應(yīng)力條件下，70#基質(zhì)瀝青88 ℃時(shí)的不可恢復(fù)柔量Jnr為117.432 kPa-1，而普通橡膠瀝青和40%摻量膠粉改性瀝青的不可恢復(fù)柔量Jnr分別為2.717 kPa-1和0.093 kPa-1，明顯低于基質(zhì)瀝青，因此膠粉改性劑能夠顯著提升高溫條件下瀝青的抗車轍能力，不易產(chǎn)生路面永久變形。相比于普通橡膠瀝青，大摻量膠粉改性瀝青的溫度敏感性更弱，不同溫度條件下的不可恢復(fù)柔量Jnr的變化幅度更小。在0.1 kPa應(yīng)力條件下，普通橡膠瀝青60 ℃時(shí)的不可恢復(fù)柔量Jnr為0.06 kPa-1，而88 ℃時(shí)的不可恢復(fù)柔量Jnr增加至2.717 kPa-1，增加了2.657 kPa-1。40%摻量膠粉改性瀝青60 ℃時(shí)的不可恢復(fù)柔量Jnr為0.004 kPa-1，而88 ℃時(shí)的不可恢復(fù)柔量Jnr增加至0.093 kPa-1，僅增加了0.089 kPa-1，其變化幅度明顯小于普通橡膠瀝青。30%摻量膠粉改性瀝青和50%摻量膠粉改性瀝青的不可恢復(fù)柔量Jnr則分別增加了0.728 kPa-1和0.845 kPa-1，均低于普通橡膠瀝青，因此溫度變化對(duì)普通橡膠瀝青的高溫抗車轍性能影響較大，對(duì)大摻量膠粉改性瀝青的影響較小，其中40%膠粉摻量改性瀝青的溫度敏感性最弱，其不可恢復(fù)柔量Jnr隨溫度變化幅度最小。

圖9 不同溫度下Jnr的計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

(1)基于時(shí)-溫等效原理測(cè)評(píng)了瀝青的模量主曲線，不同瀝青儲(chǔ)能模量和損耗模量均是隨著加載頻率的增加而增加的。低頻區(qū)內(nèi)所有橡膠瀝青的儲(chǔ)能模量均高于基質(zhì)瀝青，且大摻量膠粉改性瀝青的儲(chǔ)能模量和復(fù)數(shù)模量要高于普通橡膠瀝青，因此大摻量膠粉改性瀝青高溫抗車轍能力優(yōu)于普通橡膠瀝青。

(2)高頻區(qū)內(nèi)基質(zhì)瀝青的損耗模量最大，普通橡膠瀝青的損耗模量低于大摻量膠粉改性瀝青，膠粉改性劑的加入提高了基質(zhì)瀝青的低溫抗裂能力，普通橡膠瀝青抗疲勞特性優(yōu)于大摻量膠粉改性瀝青。

(3)同一加載頻率下，大摻量膠粉改性瀝青的相位角較小，其彈性行為更加顯著。相比于普通橡膠瀝青，大摻量膠粉改性瀝青的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在高溫條件下的彈性性能。30%和50%大摻量膠粉改性瀝青表現(xiàn)出的線黏彈特性較為接近。

(4)相同溫度和應(yīng)力條件下，40%膠粉摻量的蠕變恢復(fù)率最大而不可恢復(fù)柔量值最小，具有最優(yōu)的高溫恢復(fù)能力和高溫抗車轍能力，而30%和50%大摻量膠粉改性瀝青的高溫蠕變力學(xué)指標(biāo)較為接近。

(5)在不同的應(yīng)力水平和溫度條件下，40%膠粉摻量改性瀝青的應(yīng)力敏感性和溫度敏感性最弱，各項(xiàng)高溫力學(xué)指標(biāo)波動(dòng)幅度最小，高溫穩(wěn)定性較好。