陳永鋒， 耿德華， 陸志紅， 楊曉華， 袁松年， 周 洲

(1.江蘇先達(dá)建設(shè)集團(tuán)有限公司， 江蘇 常州 213000； 2.常州市市政工程管理中心， 江蘇 常州 213000；3.東南大學(xué) 道路交通工程國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心， 江蘇 南京 211189； 4.東南大學(xué) 交通學(xué)院， 江蘇 南京 211189)

SBS與膠粉復(fù)合改性瀝青可以使SBS與膠粉這兩種改性劑優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，生產(chǎn)出性能更加優(yōu)良的改性瀝青，提升瀝青路面使用性能，滿足交通量大、軸載重、氣候變化大的現(xiàn)代交通要求；回收利用復(fù)合改性瀝青中使用的膠粉，可以消耗廢舊輪胎、保護(hù)環(huán)境、回收資源，一舉多得[1-2]。然而目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于膠粉與SBS復(fù)合改性瀝青的研究還處于起步階段，需要深入探討的問題還有很多，如：如何準(zhǔn)確評(píng)價(jià)膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的高溫流變性能，并對(duì)其進(jìn)行性能分級(jí)，對(duì)膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的應(yīng)用十分重要[3-5]。

當(dāng)前，國內(nèi)外研究者發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的瀝青性能分級(jí)規(guī)范并不適用于改性瀝青。為此，多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)(MSCR)被提出并被用于評(píng)價(jià)改性瀝青的高溫性能，MSCR試驗(yàn)分別在0.1 kPa和3.2 kPa下對(duì)瀝青進(jìn)行蠕變恢復(fù)循環(huán)加載，根據(jù)瀝青在兩個(gè)應(yīng)力下的蠕變恢復(fù)情況分析瀝青材料的高溫蠕變特性[6]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)MSCR試驗(yàn)評(píng)價(jià)改性瀝青高溫性能進(jìn)行了廣泛研究?？傮w而言，MSCR試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確評(píng)價(jià)改性劑摻量較低的改性瀝青高溫性能，但對(duì)于改性劑摻量較高的改性瀝青，如膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青，在3.2 kPa應(yīng)力下可能仍然處于線彈性區(qū)域，不能反映改性瀝青在重載交通下所受的應(yīng)力或應(yīng)變處于非線性區(qū)域的狀態(tài)，因此學(xué)者們?nèi)鏙afari、Golalipour等[7-8]均建議針對(duì)膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青這類改性劑摻量較高的瀝青材料，應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)MSCR試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，使用比3.2 kPa更大的應(yīng)力對(duì)改性瀝青進(jìn)行蠕變恢復(fù)加載，從而準(zhǔn)確反映其高溫性能。目前，建議使用的應(yīng)力為10 kPa或12.8 kPa。改進(jìn)后的MSCR試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)和指標(biāo)的敏感性還有待進(jìn)一步研究。

為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青的高溫性能，首先制備膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青，然后對(duì)制備的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行改進(jìn)的MSCR試驗(yàn)，對(duì)復(fù)合改性瀝青在各應(yīng)力水平下的蠕變恢復(fù)特性進(jìn)行分析，提出適用于評(píng)價(jià)膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青高溫性能的試驗(yàn)指標(biāo)，評(píng)價(jià)膠粉對(duì)SBS復(fù)合改性瀝青高溫性能的改善效果。

1 原材料與試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1瀝青

研究使用的瀝青為SBS改性瀝青，SBS改性劑摻量為4.5%。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范對(duì)瀝青的性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果類別針入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm延度(5 ℃,5 cm·min-1)/cm軟化點(diǎn)(環(huán)球法)/℃布氏黏度(135 ℃)/(Pa·s)薄膜加熱TFOT(163 ℃, 5 h)TFOT后質(zhì)量損失/%TFOT后針入度比(25 ℃)/%TFOT后延度(5 ℃,5 cm·min-1)/cm檢測(cè)結(jié)果482677.51.620.207720試驗(yàn)方法T 0604-2011T 0605-2011T 0606-2011T 0625-2011T 0609-2011T 0604-2011T 0605-2011技術(shù)要求40～60≥20≥60≤3±1.0≥65≥15

1.1.2廢膠粉

廢舊橡膠在機(jī)械作用下加工成膠粉(CR)，膠粉的生產(chǎn)主要有干法粉碎(常溫粉碎法、低溫粉碎法)和濕法粉碎等方法。本研究中普通廢膠粉是通過常溫粉碎法制成，其目數(shù)為30目。將膠粉直接加入瀝青中制備的橡膠瀝青，由于其液固兩相體系和高黏度特性導(dǎo)致儲(chǔ)存穩(wěn)定性與施工和易性較差，造成施工困難，所以需對(duì)橡膠瀝青進(jìn)行進(jìn)一步改性。本研究將普通30目橡膠粉在密煉機(jī)中高溫熟化，制備成高聚熟化膠粉(MCR)，改善了膠粉與瀝青的共溶性，其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。膠粉的摻量為SBS改性瀝青質(zhì)量的6%、9%、12%、 15%和18%(制備的復(fù)合改性瀝青簡(jiǎn)稱為6%MCR、9%MCR、12%MCR、15%MCR和18%MCR)。

表2 高聚熟化膠粉技術(shù)指標(biāo)項(xiàng)目相對(duì)密度顆粒的單邊長(zhǎng)度/mm其他雜質(zhì)含量/%丙酮抽提物/%灰分/%炭黑/%橡膠碳?xì)浠衔?%檢測(cè)結(jié)果1.1031.06706.846.7629.3559.06技術(shù)要求1.1～1.2≤4.7506～16≤8≥2842～65

1.2 制備方法

首先將SBS改性瀝青加熱至180 ℃，然后加入事先按摻量稱量的高聚熟化膠粉，利用高速剪切儀制備膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青。剪切分為兩個(gè)階段：①預(yù)剪切，剪切儀轉(zhuǎn)速(3 000±50)r/min，剪切時(shí)間15 min；②正式剪切，剪切儀轉(zhuǎn)速(6 000±50)r/min，剪切時(shí)間90 min。剪切完成后將復(fù)合改性瀝青放入130 ℃烘箱中發(fā)育1～2 h，即得到復(fù)合改性瀝青。

1.3 試驗(yàn)方法

目前常規(guī)的MSCR試驗(yàn)包含兩個(gè)階段： ①0.1 kPa應(yīng)力下進(jìn)行20次蠕變恢復(fù)循環(huán)加載，每次蠕變恢復(fù)循環(huán)包括“1 s加載”和“9 s卸載”；② 3.2 kPa應(yīng)力下進(jìn)行10次的蠕變恢復(fù)循環(huán)加載，試驗(yàn)過程如圖1所示。

(a)單次蠕變恢復(fù)循環(huán)加載(b)全部蠕變恢復(fù)循環(huán)加載

如前所述，在3.2 kPa應(yīng)力下復(fù)合改性瀝青材料可能仍處于線彈性應(yīng)力范圍內(nèi)，不能準(zhǔn)確反映膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青類材料的高溫性能。因此本研究對(duì)現(xiàn)有MSCR試驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，在3.2 kPa應(yīng)力的基礎(chǔ)上再增加更大的應(yīng)力(12.8 kPa)，使復(fù)合改性瀝青在非線性區(qū)域內(nèi)，以更好地反映膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青類材料的高溫性能。整個(gè)試驗(yàn)過程為： ① 0.1 kPa應(yīng)力下進(jìn)行10次蠕變恢復(fù)循環(huán)加載；②3.2 kPa應(yīng)力下進(jìn)行10次蠕變恢復(fù)循環(huán)加載；③12.8 kPa應(yīng)力下進(jìn)行10次蠕變恢復(fù)循環(huán)加載。每次蠕變恢復(fù)循環(huán)仍包括“1 s加載”和“9 s卸載”。改進(jìn)的MSCR試驗(yàn)溫度以江蘇省蘇南地區(qū)夏季路面上面層溫度為基準(zhǔn)，為64 ℃[9]，采用Anton Paar MCR 102儀器進(jìn)行DSR試驗(yàn)，試樣為短期老化(TFOT)后的瀝青。

2 結(jié)果與討論

2.1 MSCR試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

MSCR試驗(yàn)主要采用不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)和蠕變恢復(fù)率(R)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別計(jì)算MSCR試驗(yàn)中各應(yīng)力下的Jnr和R，可得到Jnr，0.1、Jnr，3.2、Jnr，12.8、R0.1、R3.2和R12.8，計(jì)算公式如式(1)～(6)所示，公式中的參數(shù)含義如圖2所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

圖2 MSCR試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算中應(yīng)變含義示意

對(duì)于第1次加載，當(dāng)t=0 s時(shí)，初始應(yīng)變?yōu)?。此外，為了避免出現(xiàn)改性瀝青在低應(yīng)力下高溫性能好而高應(yīng)力下高溫性能差的情況，MSCR試驗(yàn)還提出了應(yīng)力敏感性指標(biāo)：3.2 kPa下不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃颗c0.1 kPa下不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐g的差異性指標(biāo)Jnr，diff(3.2-0.1)，12.8 kPa下不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃颗c0.1 kPa下不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐g的差異性指標(biāo)Jnr，diff(12.8-0.1)，各指標(biāo)計(jì)算公式如式(7)～(8)所示。

(7)

(8)

已有研究表明，應(yīng)力敏感性指標(biāo)(Jnr，diff)并不能很好地區(qū)分復(fù)合改性瀝青在低應(yīng)力和高應(yīng)力下的蠕變恢復(fù)特性，因此另一指標(biāo)Jnr，slope被提出作為Jnr，diff指標(biāo)的代替，以更好地評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的應(yīng)力敏感性[10]，其計(jì)算公式如式(9)～(10)所示。

(9)

(10)

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果與分析

根據(jù)式(1)～(10)計(jì)算的膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青各評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果如表3所示。

從表3中可以看出：

1)在低應(yīng)力下(0.1 kPa和3.2 kPa)，復(fù)合改性瀝青的Jnr值相比SBS改性瀝青降低，R值增加，表明膠粉的摻入提升了SBS改性瀝青的高溫性能，但0.1 kPa下12%MCR和15%MCR瀝青的Jnr值相同，3.2 kPa下15%MCR和18%MCR瀝青的Jnr值相同，且膠粉摻量達(dá)到12%以上時(shí)，復(fù)合改性瀝青的Jnr值差別不大，表明在較低應(yīng)力水平下難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的高溫性能。

表3 膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青改進(jìn)MSCR試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果材料類型Jnr,0.1/ kPa-1Jnr,3.2/kPa-1Jnr,12.8/kPa-1Jnr,diff(3.2-0.1)/%Jnr,diff(12.8-0.1)/%Jnr,slope(3.2-0.1)/kPa-2Jnr,slope(12.8-0.1)/kPa-2R0.1/%R3.2/%R12.8 /%SBS0.9060.9610.9846.078.611.770.6177.9864.3720.246%MCR0.1860.2250.64120.97244.621.263.5882.7668.8628.069%MCR0.1530.1810.58618.30283.010.903.4185.5673.4133.0912%MCR0.0990.1790.44780.81351.522.582.7489.4877.1836.9615%MCR0.0990.1720.31873.74221.212.351.7294.0880.6542.2318%MCR0.0920.1720.21186.96129.352.580.9495.4580.6846.11

2)在12.8 kPa應(yīng)力下，可以發(fā)現(xiàn)隨著膠粉摻量增加，復(fù)合改性瀝青的Jnr值逐漸減小，且相比于0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力，不同膠粉摻量復(fù)合改性瀝青的Jnr值有明顯區(qū)分度，表明在MSCR試驗(yàn)中，對(duì)于復(fù)合改性瀝青，應(yīng)使用較高的應(yīng)力對(duì)瀝青材料進(jìn)行蠕變循環(huán)加載，可以更為準(zhǔn)確地反映復(fù)合改性瀝青的高溫性能。

3)考察應(yīng)力敏感性指標(biāo)，AASHTO M332規(guī)程中改性瀝青MSCR試驗(yàn)分級(jí)要求Jnr，diff≤75%，但表3中復(fù)合改性瀝青無論是3.2 kPa應(yīng)力下，還是12.8 kPa應(yīng)力下，其Jnr，diff除少數(shù)瀝青外都超過了75%，按照AASHTO M332規(guī)程，這些瀝青不能被分級(jí)，要降低溫度進(jìn)行試驗(yàn)直至Jnr，diff≤75%時(shí)才能分級(jí)并推薦使用場(chǎng)景。但考察復(fù)合改性瀝青在12.8 kPa應(yīng)力下的Jnr值，發(fā)現(xiàn)當(dāng)膠粉摻量為6%和9%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的Jnr值為0.5～1.0，膠粉摻量為12%～18%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的Jnr值為0～0.5，按照AASHTO M332規(guī)程，膠粉摻量為6%和9%的復(fù)合改性瀝青可以用于交通量ESAL>3 000萬次或者行車速率 <20 km/h的瀝青路面;膠粉摻量為12%～18%的復(fù)合改性瀝青可以用于交通量ESAL>3 000萬次且行車速率 <20 km/h的瀝青路面。說明復(fù)合改性瀝青在高應(yīng)力水平下仍然有較好的高溫性能，使用Jnr，diff指標(biāo)評(píng)價(jià)其應(yīng)力敏感性并不合理，這可能與低應(yīng)力水平下Jnr值過小有關(guān)，使用Jnr，diff指標(biāo)評(píng)價(jià)其應(yīng)力敏感性時(shí)應(yīng)充分考慮瀝青材料的Jnr值。

4)對(duì)于另一應(yīng)力敏感性指標(biāo)Jnr,slope，表3中所有復(fù)合改性瀝青的Jnr,slope指標(biāo)都比較小，圖3給出了復(fù)合改性瀝青Jnr值和Jnr,slope值之間的關(guān)系，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)Jnr,slope(12.8-0.1)與Jnr,12.8之間有著較好的線性關(guān)系，說明Jnr,slope(12.8-0.1)能夠較好地評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的應(yīng)力敏感性。同時(shí)較小的Jnr,slope(12.8-0.1)值說明復(fù)合改性瀝青的應(yīng)力敏感性低，在高應(yīng)力下仍然有較好的高溫性能。

(a)Jnr，3.2與Jnr,slope(3.2-0.1)的關(guān)系(b)Jnr，12.8 與Jnr,slope(12.8-0.1)的關(guān)系

3 結(jié)論

1) 膠粉的摻入使復(fù)合改性瀝青的Jnr值相比SBS改性瀝青降低，R值增加，表明膠粉的摻入提升了SBS改性瀝青的高溫性能。

2)對(duì)于復(fù)合改性瀝青而言，在較高的應(yīng)力水平(12.8 kPa)下對(duì)其進(jìn)行蠕變恢復(fù)循環(huán)加載，可以更為準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)其高溫性能。

3)Jnr,slope指標(biāo)相比Jnr，diff指標(biāo)更適合評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的應(yīng)力敏感性，并且Jnr,slope(12.8-0.1)與Jnr,12.8之間有著較好的線性關(guān)系，說明Jnr,slope(12.8-0.1)是評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青應(yīng)力敏感性的合理指標(biāo)，復(fù)合改性瀝青的Jnr,slope(12.8-0.1)值均小于75%，表明其在高應(yīng)力下仍然有較好的高溫性能。

4)膠粉摻量較低時(shí)(6%和9%)，復(fù)合改性瀝青在高應(yīng)力下的黏彈性恢復(fù)性能較差；膠粉摻量為12%、15%和18%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的黏彈性恢復(fù)性能較好。因此，考慮重載交通時(shí)，復(fù)合改性瀝青中膠粉摻量應(yīng)大于12%，以保證其抵抗車轍能力。