橡膠瀝青低溫評價指標

譚憶秋， 符永康， 紀　倫， 張　磊

(哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院, 150090 哈爾濱)

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橡膠瀝青低溫評價指標

譚憶秋， 符永康， 紀倫， 張磊

(哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院, 150090 哈爾濱)

摘要:針對5 ℃延度指標在評價橡膠瀝青低溫性能上的局限性，為找尋能更好評價橡膠瀝青低溫性能的評價指標，通過BBR試驗，對試驗室制備的薄膜老化和壓力老化橡膠瀝青低溫評價指標展開研究，分析基于BBR試驗獲取的勁度模量、勁度模量變化率、PG分級溫度、低溫連續分級溫度、k指標及綜合考慮瀝青模量和松弛能力的評價指標SA等橡膠瀝青低溫評價指標. 試驗結果表明:隨著橡膠粉的加入，瀝青的低溫抗裂性能顯著提高，單一的S或m指標評價橡膠瀝青低溫性能存在一定片面性，兼顧考慮瀝青模量和松弛能力的CT、k及SA指標能更加準確地反映和評價橡膠瀝青的低溫性能. 通過與橡膠瀝青混合料低溫彎曲應變能密度指標進行相關性分析及綜合比選，得出結論：在工程上優先推薦采用k、CT指標作為橡膠瀝青低溫性能的評價指標；進行研究工作時優先考慮SA指標作為橡膠瀝青低溫性能的評價指標.

關鍵詞:彎曲梁流變試驗；橡膠瀝青；低溫性能；評價指標；相關性分析

橡膠瀝青作為一種道路新材料具有優良的性能，在寒冷的北方地區應用得越來越廣泛. 但作為新材料，并沒有較好的低溫性能評價方法和評價指標，低溫評價體系也不夠完善，使橡膠瀝青在寒冷地區的應用受到了很大的限制[1]. 現階段我國規范仍采用5 ℃延度指標評價橡膠瀝青的低溫性能. 但相關研究[2]表明5 ℃延度指標并不能很好地表征橡膠瀝青在低溫下的延展性能，同時作為改性瀝青的低溫評價指標還需進一步研究和完善. 基于現行我國橡膠瀝青低溫評價指標上存在的局限性，對橡膠瀝青低溫評價指標展開研究有重要意義. 目前對橡膠瀝青低溫性能研究可以在基質瀝青低溫性能研究基礎上進一步開展和創新. 而在基質瀝青低溫性能研究方面，美國SHRP在此方面作出了卓越的貢獻，特別是基于流變學的彎曲梁流變試驗(BBR)目前已經成為研究瀝青材料低溫性能最常用、最實用和最有效的手段和方法之一. 當前越來越多的研究者已經開始采用BBR試驗對聚合物改性瀝青的低溫性能及低溫評價指標展開研究，取得了許多成果[2-4]. 但當前對于BBR試驗的研究主要停留在單一的考慮模量或松弛能力指標上，綜合考慮模量和松弛能力指標的研究相對較少. 而橡膠瀝青性能復雜，其低溫性能的優劣同時受低溫時的變形能力和應力松弛能力等因素影響，單一考慮S或m評價其低溫抗裂性是片面的[4-5]. 本文基于流變學的BBR試驗，綜合考慮模量和應力松弛能力，對橡膠瀝青的低溫評價指標展開進一步研究，以便更準確地評價橡膠瀝青的低溫性能，為更好地研究橡膠瀝青低溫性能及合理使用橡膠瀝青提供一定的借鑒.

1試驗材料及方法

制備不同基質瀝青、不同膠粉細度下的橡膠瀝青. 合理選擇橡膠瀝青的制備原材料，包括70#、90#、110# 3種基質瀝青，其三大指標見表1. 采用遼寧某場生產的細度為28、40、60目膠粉，摻量定為20%，內摻方式. 橡膠瀝青現拌現用，在制備過程中不添加穩定劑.

表1　基質瀝青三大指標

采用濕法制備橡膠瀝青，拌合溫度(185±5)℃、攪拌時間控制在(60±5)min、剪切速率定為5 000 r/min. 在此制備工藝上制備得到的橡膠瀝青有著良好的高低溫性能[1,6-8].

為了便于后續研究，每種橡膠瀝青用代號表示，例如由70#瀝青加入28目膠粉改性得到的瀝青代號記為70-28，經過薄膜老化和壓力老化后瀝青代號分別記為T-70-28和P-70-28，其他8種橡膠瀝青的代號依此類推.

本次BBR試驗采用的是Cannon公司生產的彎曲梁流變儀. 按照美國SHRP規范要求，分別采用薄膜老化瀝青和壓力老化瀝青試樣進行BBR試驗，每種試樣分別在-12、-18、-24、-30 ℃ 4個溫度條件下進行測試，每個工況取兩個平行試件.

2試驗結果分析

2.1勁度模量及勁度模量變化率指標分析

按照ASTM D 6648[9]的要求對各組工況進行BBR試驗. 測得不同測試溫度下的勁度模量和勁度模量變化率，分別以S、m表示. S表征瀝青在低溫條件下的變形能力，相同測試溫度條件下，S越小，瀝青低溫變形能力越好；而m表征瀝青在低溫條件下的應力松弛能力，m越大說明瀝青材料的應力松弛能力越好. 各測試溫度下60s的S、m結果匯總見圖1. 由圖1可知，對任意老化瀝青，膠粉加入顯著改善了瀝青的低溫性能. 基質瀝青和橡膠瀝青低溫性能差別在-18 ℃條件下體現十分明顯，此時基質瀝青S、m均不滿足SHRP推薦要求，而橡膠瀝青的S、m均滿足SHRP推薦要求. 而在-12 ℃條件下這種差別體現得不明顯，此時橡膠瀝青和基質瀝青的S、m均滿足SHRP規范推薦要求，且不同橡膠瀝青間的S、m變化也不顯著. 而測試溫度為-24、-30 ℃時，瀝青鏈段在較低溫度下運動被凍結，瀝青硬化，S、m遠超過規范推薦值. 故此時采用-18 ℃下BBR試驗研究橡膠瀝青的低溫性能顯得更加合理、有意義.

但是相關研究表明，單一地采用某個測試溫度下的S、m評價瀝青的低溫性能會存在局限性. 瀝青良好的低溫性能需同時兼顧良好的低溫變形能力和低溫應力松弛能力. 所以建立一個綜合考慮勁度模量和勁度模量變化率的指標十分重要[4-13].

2.2PG分級溫度和低溫連續分級溫度結果分析

低溫PG分級溫度是指在瀝青處在最低路面設計溫度時，能保證在最低路面設計溫度時不致開裂的一個分級溫度等級. 根據ASTM D 6816[10]關于瀝青PG分級溫度的定義，由圖1可知，基質瀝青的PG分級溫度均為PG-22，而對應橡膠瀝青的低溫PG溫度均為PG-28. 此時，采用PG分級溫度只能單純地區分基質瀝青和橡膠瀝青低溫性能差別，不能有效區分橡膠瀝青間的低溫性能差別. 這主要是因為PG分級溫度的一個溫度等級跨度大，導致具有相同PG分級溫度的瀝青，性能存在較大差別. 所以PG分級溫度不能有效區分橡膠瀝青的低溫性能. 故此時可以考慮低溫連續分級溫度(continuous grade temperature簡稱CT).

基于BBR試驗獲得的勁度模量和勁度模量變化率的基礎上，美國SHRP提出了連續分級溫度指標. 低溫連續分級溫度反應的是瀝青材料滿足使用要求時的一個臨界溫度，該溫度越低，表明瀝青材料低溫開裂的可能性也隨之減小. 根據ASTM D 7643-10[11]關于CT的定義，得到壓力老化瀝青試樣的CT結果如圖2所示. 此時相比PG分級溫度，不同橡膠瀝青有著不一樣的CT，且110系列橡膠瀝青相對有著較低的CT值. 且由CT定義可知，該指標在一定程度上同時考慮了瀝青材料的S、m，較評價橡膠瀝青低溫性能較單一的S或m更加全面.

(a)不同薄膜老化瀝青的S值

(c)不同薄膜老化瀝青的m值

(b)不同真空壓力老化瀝青的S值

(d)不同真空壓力老化瀝青的m值

圖2　不同壓力老化瀝青CT指標

2.3k指標的建立與結果分析

為進一步建立同時考慮橡膠瀝青低溫變形能力和應力松弛能力的指標，構建指標. 根據S、m的物理意義，希望瀝青在較低溫度下有較小的S, 同時有較大的m值. 所以指標k越小，對應有著更好的低溫變形能力和松弛性能. 此時選取-18 ℃下的測試結果求得不同老化程度瀝青的k值，結果見圖3.

圖3　不同老化瀝青k值

考慮SHRP規定的S推薦上限值300 MPa，m不小于0.3，此時k值定為上限. 基質瀝青的k值在測試溫度為-18 ℃均大于3.0，而橡膠瀝青此時的k值基本上小于3.0，而且不同橡膠瀝青的k值有較為明顯的差別，28目膠粉改性得到的橡膠瀝青k值相對較大，低溫性能相對較差，與連續分級溫度指標有著類似的結果. k指標同時兼顧了瀝青材料在低溫條件下變形能力和應力松弛能力.

2.4SA指標建立及結果分析

由于用不同溫度的S、m指標評價橡膠瀝青低溫性能存在一定的差異和局限性，需要找到一個能夠同時兼顧較寬溫度域上S、m的指標. 因此利用時溫等效原理，采用流變模型對勁度模量進行擬合，在更寬時間域和溫度域上研究橡膠瀝青低溫性能. CAM流變模型是Zeng等[12]在CA模型基礎上改進的，可以更好地描述瀝青及瀝青混合料流變性能的模型，該模型相比其他模型有著良好的優越性. 故此時采用CAM流變模型對各測試溫度下瀝青勁度模量曲線進行擬合. 為了對比前文選定-18 ℃下BBR試驗，故此時曲線擬合過程中，以-18 ℃為參考溫度將各個溫度下瀝青的勁度模量曲線通過位移因子向-18 ℃平移，分別得到各個瀝青-18 ℃條件下的勁度模量主曲線. 為了更清楚展示各瀝青勁度模量主曲線，采用擬合后的曲線代替原曲線.

由于勁度模量主曲線能夠在較寬的溫度域上展現出瀝青的流變性能，而且它不僅能夠反應各個時刻瀝青材料的勁度模量，也能夠根據曲線的陡緩表征材料的應力松弛能力. 因此，雙對數坐標下的勁度模量主曲線與時間軸所圍成的面積SA可以綜合考慮材料模量及松弛能力[13-14]. 以P-90-28瀝青為例，見圖4. SA即對應曲線下的面積. 顯然SA越小，說明瀝青在溫度降低時產生的溫度應力小，瀝青材料的低溫性能也就越好. 采用SA指標評價橡膠瀝青低溫性能具有兩個優點：兼顧考慮材料低溫變形能力和松弛能力、反映較寬溫度域和時域條件下瀝青材料的低溫性能，評價更加全面.

圖4　SA指標的物理意義

按照上述處理方法，得到不同老化瀝青的SA指標，如圖5所示. 由圖可知：1)同一瀝青標號和膠粉細度下，薄膜老化瀝青的SA均小于壓力老化瀝青的SA值. 說明老化損失瀝青的部分低溫性能；2)在同樣老化程度下，基質瀝青的SA顯著大于對應橡膠瀝青的SA值；3)不同橡膠瀝青SA值有差別，考慮到SA指標物理意義明確，反映瀝青低溫性能全面，故推薦作為橡膠瀝青低溫性能的一個評價指標. 至于何種老化程度瀝青的SA指標能更好地評價橡膠瀝青低溫性能需要后續混合料低溫指標進行驗證.

圖5　不同老化瀝青的SA指標

2.5低溫評價指標綜合比選

2.5.1相關性結果分析

混合料的低溫抗裂性80%由瀝青性質決定[13]，所以混合料的低溫性能能較好反映瀝青低溫性能. 小梁彎曲試驗獲得的彎曲應變能密度可以較好的評價瀝青混合料的低溫抗裂性[13-14]. 所以本文將選用小梁彎曲試驗作為橡膠瀝青低溫評價指標的驗證試驗，采用橡膠瀝青混合料的小梁彎曲應變能密度作為驗證指標，將橡膠瀝青低溫評價指標進行相關性分析，并綜合考慮各指標測試上的難度、測試精度、物理意義并和混合料低溫指標相關系數進行比選，優選出較合適的橡膠瀝青低溫評價指標.

選擇常用的SMA類級配中值，在設計孔隙率為4.0%的條件下確定各瀝青的最佳油石比，并進行瀝青混合料-10 ℃下的小梁彎曲試驗，得到各瀝青的低溫彎曲應變能密度，結果見圖6.

圖6　各瀝青彎曲應變能密度

同時將基于BBR試驗的橡膠瀝青低溫評價指標和彎曲應變能密度進行相關性分析，結果如表2、3所示,表2中指標為薄膜老化瀝青式樣對應的低溫評價指標，表3中的指標對應為真空壓力老化后瀝青的低溫評價指標.

表2　薄膜老化瀝青低溫評價指標相關性分析結果

表3　壓力老化瀝青低溫評價指標相關性分析結果

綜合表2、3可知：1)壓力老化瀝青BBR試驗得到的指標與混合料彎曲應變能密度的相關系數均大于采用薄膜老化瀝青試驗得到的指標. 說明采用壓力老化瀝青進行BBR試驗能更好地評價橡膠瀝青的低溫性能. 2)壓力老化瀝青低溫評價指標和混合料低溫彎曲應變能密度都有著較好的相關性. SA指標能更好地表征和評價橡膠瀝青的低溫性能. 而-18 ℃的m及S與混合料應變能密度相關性相對較小，評價橡膠瀝青低溫性能相對較差, 原因主要是單一考慮m或S評價橡膠瀝青低溫性能較片面、存在局限，兼顧二者評價橡膠瀝青低溫性能更加全面. 2.5.2橡膠瀝青低溫評價指標綜合比選

通過前文分析知，涉及到的橡膠瀝青低溫性能指標主要包括S和m指標、CT指標、k指標、SA指標.

1)S和m指標. 該兩項指標是SHRP彎曲梁流變試驗中最常用的指標. 該兩項指標測試快速方便，測試精度高，能很好地評價基質瀝青的低溫性能. 但是考慮到和橡膠瀝青混合料低溫指標相關性較低，單獨采用S或m作為橡膠瀝青低溫評價指標并不全面.

2)CT指標. 和應變能密度有著較高的相關性，物理意義明確，且運用較廣，易被接受. 但需要通過線性回歸求得，精度受到影響，而且至少需要測試兩個以上溫度的BBR試驗方可獲得指標.

3)k指標. 與混合料有著較好的相關性，測試快速方便，測試精度較高，同時兼顧了和，且能準確區分基質瀝青和橡膠瀝青以及不同橡膠瀝青低溫性能差別.

4)SA指標. SA指標與混合料彎曲應變能密度相關性最好，物理意義十分明確. 但SA指標需要進行多個溫度下的BBR試驗，需大量計算擬合，運用模型擬合時可能會受擬合精度的影響產生微小誤差.

3結論

1)通過對橡膠瀝青的BBR試驗的系統研究，發現試驗室制備的橡膠瀝青相比基質瀝青其低溫變形能力和應力松弛能力都顯著提高，其低溫PG分級溫度由PG-22提高到PG-28，體現出更好的低溫性能.

2)瀝青老化損失其部分的低溫性能. 采用壓力老化瀝青進行BBR測試能更好地評價橡膠瀝青的低溫性能. 同時采用-18 ℃下BBR試驗研究橡膠瀝青的低溫性能更加合理、有意義.

3)考慮單一采用S、m指標評價橡膠瀝青低溫性能存在局限性，進而分析和構建了CT指標、k指標、SA指標. 3個指標均在一定程度上兼顧考慮橡膠瀝青低溫變性能力和應力松弛能力，能更全面評價橡膠瀝青低溫性能.

4)通過對橡膠瀝青低溫評價指標和混合料彎曲應變能密度指標進行相關性分析及綜合比選，最終推薦：在工程上優先采用k指標作為橡膠瀝青低溫性能的評價指標；而進行研究工作時優先考慮SA指標作為橡膠瀝青低溫性能的評價指標.

參考文獻

[1] 王旭東，李美江，路凱冀，等. 橡膠瀝青及混凝土應用成套技術[M]. 北京：人民交通出版社，2008.

[2] LUANZ H, LEI J Q, QU P. Evaluation methods of SBS modified-asphalt binders[J]. Journal of Wuhan University of Technology，2010, 32(2): 15-18.

[3] HUANG S C. Rubber concentrations on rheology of aged asphalt binders[J]. Journal of Materials in Civil Engineering，2008, 20(3): 221-229.

[4] 馮中良，曹榮吉，賈渝. 采用特征溫度指標評價瀝青膠結料低溫性能的研究[J]. 中外公路，2009，29(1)：245-247.[5] 張興友，胡光艷，譚憶秋. 硅藻土改性瀝青混合料低溫抗裂性能研究[J]. 公路交通科技，2005，23(4)：11-13.

[6] LIU S, CAO W, FANG J. Variance analysis and performance evaluation of different crumb rubber modified (CRM) asphalt[J]. Construction Build Material,2009,23(7): 2701-2708.

[7] BAHA V K, MEHMET Y,ALAADDIN G. Evaluation of low-temperature and elastic properties of crumb rubber and SBS modified bitumen and mixtures[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2013, 25(2): 257-265.

[8] WEI H, LI Q S. Preparation and properties of anion rubber-modified asphalt[C]//Proceedings of 2011 International Conference on Materials for Renewable Energy & Environment. San Diego: IEEE, 2011:932-935.

[9] Standard test method for determining the flexural creep stiffness of asphalt binder using the bending beam rheometer (BBR):ASTM D 6648[S].Wisconsin: ASTM Committee D04, 2012.

[10]Standard practice for determining low-temperature performance grade (PG) of asphalt binders: ASTM D 6816[S]. Wisconsin: ASTM Committee D04, 2012.[11]Standard test method for determining the continuous grade of asphalt binder: ASTM D 7643-10[S]. Wisconsin: ASTM Committee D04, 2012.

[12]ZENG M, BAHIA U, ZHAI H C. Rheological modeling of modified asphalt binders and mixtures[C]. Washington: Transportation Research Board，2001: 8-35.

[13]張磊.油改性瀝青流變特性及改性機理研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

[14]葛折圣，黃曉明，許國光. 用彎曲應變能方法評價瀝青混合料的低溫抗裂性[J].東南大學學報，2002，32(4)：653-654.

(編輯魏希柱)

Low-temperature evaluation index of rubber asphalt

TAN Yiqiu, FU Yongkang, JI Lun, ZHANG Lei

(1. School of Transportation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, 150090 Harbin, China)

Abstract:Aiming at the limitations of 5 ℃ ductility on evaluating the low-temperature properties, in order to find an index to evaluate the low-temperature properties of rubber asphalt more accurately, based on the bending beam rheometer test, the research on the low-temperature evaluation indexes of TFOT-aged and PAV-aged rubber asphalt which processed in the laboratory were carried out. The analysis was made on the low-temperature evaluation indexes of rubber asphalt based on the bending beam rheometer such as stiffness modulus, the rate of stiffness modulus, performance grade temperature, continuous grade temperature, k value and the SA index which take asphalt modulus and relaxation capacity into consideration. Test results showed that, with the rubber powder adding into asphalt, its low temperature crack resistance improved significantly, one-sidedness was existed to evaluate the low-temperature properties of rubber asphalt by a single S index or a single m index; indexes which take asphalt modulus and relaxation capacity into consideration including CT index and k index and SA index were better applied to evaluate the low-temperature properties of rubber asphalt. By doing correlation analysis between these low-temperature evaluation indexes of rubber asphalt with the bending strain energy density of rubber asphalt mixture and by doing comprehensive comparison, conclusions were made as follows, on the substantial projects we gave priority to recommend k value and CT index as the low-temperature evaluation indexes, while undertaking research work, we gave priority to recommend SA index as the low-temperature evaluation index of rubber asphalt.

Keywords:bending beam rheometer test; rubber asphalt; low-temperature properties; evaluation indexes; correlation analysis

中圖分類號:U414

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)03-0066-05

通信作者:譚憶秋，yiqiutan@163.com.

作者簡介:譚憶秋(1968—)，女，博士生導師，長江學者特聘教授.

基金項目:國家杰出青年科學基金(51225803).

收稿日期:2014-12-30.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.011