多重應力蠕變恢復試驗（MSCR）測定橡膠-SBS復合改性瀝青性能

郭懷存

（1甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030；2甘肅暢隴公路養護技術研究院有限公司，甘肅 蘭州 730203）

甘肅省自然區劃主要包含隴東、隴中黃土高原地區、河西戈壁沙漠地區、祁連山高寒陰濕地區及隴南多雨地區三個大區，全省年太陽輻射值大約在4800～6400mL/m2左右，全年最高溫為42.8℃、最低溫為-29.3℃，溫差可達72.1℃。境內地形復雜，山脈縱橫交錯，海拔相差懸殊，高山、盆地、平川、沙漠和戈壁等兼而有之，是山地型高原地貌；從東南到西北包括了北亞熱帶濕潤區到高寒區、干旱區等各種氣候類型，是典型的復雜地質氣候條件區域。

復雜地質氣候條件下公路建設中更加要注重材料的選取，瀝青作為公路建設中不可缺少的原材料對公路的質量有著舉足輕重的作用，不同的區域及氣候條件下應該選擇不同的瀝青，不能采用統一的標準。傳統的PG方法對改性瀝青的評價有著天然的缺陷，即假定交通量一定，在交通量或者行車速度變化時采用越級方式去選取瀝青，具有一定的不合理性。多重應力蠕變恢復試驗（MSCR-Multiple Stress Creep and Recovery）是一種改性瀝青的測試試驗方法（ASTM D7405-08），是在不同應力條件下測試改性瀝青的粘彈特性，并將粘性變形從瀝青材料中分離出來，以此來區分改性瀝青的質量[1]。瀝青作為粘彈性材料，在剪切蠕變荷載作用下，產生的變形包括瞬時彈性變形、延遲彈性變形以及粘性變形，其中粘性變形作為不可恢復變形，其變形值與所施加的剪切應力的比值稱為不可恢復蠕變柔量[2]。美國瀝青研究所環道試驗結果表明，此值與車轍深度的相關系數達到0.75[3]。因此，利用MSCR試驗進行改性瀝青的研究具有重要的意義。

1 原材料、儀器與試驗方法

1.1 原材料

本文采用的基質瀝青為中海油90#瀝青，SBS改性瀝青改性劑為燕山石化1301，進行SBS改性瀝青室內合成，其技術指標分別見表1、表2所示。

表1 中海油90#瀝青

表2 燕山石化SBS改性劑1301

廢輪胎橡膠粉：40目，泰安銘穎復合材料有限公司生產。

1.2 實驗儀器

剪切機：上海威宇BME100L剪切乳化機。

瀝青剪切流變儀（DSR）：美國TA公司AR1500型高級流變儀。

1.3 試驗方法

多重應力蠕變恢復試驗（MSCR）：在0.1kPa和3.2kPa剪切應力下分別進行10次蠕變恢復試驗，蠕變1s，恢復9s，試驗溫度為64℃，然后根據采集的應變計算不同應力下的Jnr以及Jnr隨應力的變化率Jnr-diff[4,5]。其計算方法如下：

其中：ε0—初始變形；εr—經過9s回復后剩余變形；δ—剪切應力；

Jnr—不可恢復蠕變柔量；Jnr?diff—不可恢復蠕變柔量隨應力變化率；

重復蠕變恢復試驗：在0.1kPa剪切應力下進行蠕變1s，恢復9s的蠕變恢復試驗，重復進行100次，采集最終的累計應變。

2 試驗結果分析

2.1 多應力蠕變試驗

圖1、圖2、圖3分別是普通SBS改性瀝青、廢橡膠粉（CR-crumb rubber）改性瀝青以及橡膠-SBS復合改性瀝青三種瀝青的MSCR試驗結果。其中橫坐標是該實驗的全局時間，縱坐標是改性瀝青發生的應變。

圖1 SBS改性瀝青

圖2 橡膠改性瀝青

圖3 橡膠-SBS復合改性瀝青

圖4、圖5、圖6分別是三種改性瀝青不同MSCR試驗結果分析。

圖4 不同SBS摻量的SBS改性瀝青

圖5 不同CR摻量的橡膠改性瀝青

圖6 不同SBS摻量的復合改性瀝青

由圖4、圖5、圖6可以看到，對于這三種瀝青，3.2kPa下的Jnr均大于0.1kPa下的Jnr，說明Jnr對剪切應力具有依賴性，且隨剪切應力增加而增加，即：剪切應力影響瀝青的抵抗高溫變形能力。這為選擇重載或長陡坡路段地區的改性瀝青提供了有力的依據與解釋。

隨著改性劑摻量的增加，兩種應力水平下的Jnr都呈現下降的趨勢，說明其粘性變形會隨著改性劑的增加而減少，也即改性劑摻量越高，其具有更好的抗高溫變形能力。其中復合改性瀝青其兩種應力下的Jnr均要比單組份改性瀝青小約一個數量級（圖6），表明復合改性瀝青具有更好的抗高溫變形能力。但是，對于普通的SBS改性瀝青以及橡膠改性瀝青，其Jnr隨應力的變化率Jnr-diff值隨改性劑摻量增加呈現上升趨勢，說明雖然改性劑摻量越高，其具有更好的抗高溫變形能力，但是其粘性變形對剪切應力的依賴也越重。而橡膠/SBS復合改性瀝青則呈現下降趨勢，表明其粘性變形對剪切應力的依賴程度較低。

2.2 重復蠕變試驗

圖7 不同改性瀝青重復蠕變試驗結果

通過圖7所示重復蠕變試驗結果可以看到，SBS改性瀝青、橡膠瀝青、橡膠-SBS復合改性瀝青100次蠕變恢復試驗累計變形分別為157.5%、764.9%、7.8%，與單組份改性瀝青相比，橡膠/SBS復合改性瀝青具有更加優異的高溫抗變形能力。

ASTM D7405-08雖然形成了MSCR試驗規范，但是目前瀝青結合料規范中還沒有引用到該試驗結果，而美國瀝青研究所（AI）則是給出一個建議值，即把PG64的改性瀝青根據荷載量大小分為四個等級[3]（表3），結合圖8所示，SBS改性瀝青、橡膠瀝青和橡膠/SBS復合改性瀝青三種瀝青的Jnr-diff值均低于0.75，為合格的PG64改性瀝青，但是Jnr(3.2kPa)的數據結果三者分別為1.43KPa、1.52KPa和0.05Pa，表明雖然提高SBS改性劑摻量也可以適用于重載交通或長陡坡路段，但是過高摻量會帶來生產以及施工等多方面的不便以及不可控性，導致路面質量的降低。而如果采用橡膠粉/SBS復合改性瀝青，由于其較低的高溫高應力下的不可恢復蠕變柔量，會更加適合于高溫重載路段。而MSCR試驗也為區分改性瀝青的這一性能提供了重要方法和依據。

表3 PG64改性瀝青建議標準

圖8 不同改性瀝青重復蠕變試驗結果分析

3 結 語

通過多重應力蠕變恢復試驗（MSCR）發現，相比較于SBS改性瀝青和橡膠粉改性瀝青，橡膠-SBS復合改性瀝青具有更低的不可恢復蠕變柔量值Jnr，并且其隨應力的變化率Jnr-diff不會隨著改性劑摻量的增加而增加，說明橡膠、SBS復合改性瀝青具有更好的高溫抗變形能力以及對剪切應力較低的依賴程度，適用于甘肅省復雜地質氣候條件如高溫重載或長陡坡路面修建；MSCR試驗也為此類地質氣候條件下改性瀝青的選擇提供合理的依據。

[1]ASTM D7405-08.Standard Test Method for Multiple Stress Creep and Recovery(MSCR)of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer[S].

[2]丁海波,徐大衛.多應力蠕變恢復試驗的流變分析[J].公路交通科技,2014,(12):20-24+30.

[3]John D’Angelo.Guidance on the Use of the MSCR Test with the M320 Specification[R]Asphalt Institute Technical Advisory Committee.KENTUCKY:2010

[4]蔡莉莉.利用多應力重復蠕變恢復(MSCR)方法評價改性瀝青膠結料高溫性能[J].石油瀝青,2013,(06):21-24.

[5]陳林,王樹杰.瀝青膠漿的MSCR試驗研究[J].石油瀝青,2016,(05):49-52.