荒漠地區(qū)橡膠改性瀝青老化性能試驗(yàn)分析

楊三強(qiáng),張帥

(河北大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北 保定　071002)

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荒漠地區(qū)橡膠改性瀝青老化性能試驗(yàn)分析

楊三強(qiáng),張帥

(河北大學(xué)建筑工程學(xué)院,河北 保定071002)

摘要：瀝青老化性能試驗(yàn)是評(píng)價(jià)瀝青路面材料使用壽命的重要方法.通過(guò)采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱實(shí)驗(yàn)(RTFOT)后殘留針入度、延度試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)方法,得到了荒漠地區(qū)橡膠改性瀝青短期、長(zhǎng)期老化規(guī)律.結(jié)果表明：RTFOT短期老化殘留針入度：橡膠改性瀝青>苯乙烯一丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)>克拉瑪依(克)90號(hào)基質(zhì)瀝青；相位角δ：橡膠改性瀝青DSR試驗(yàn) SBS改性瀝青>克90號(hào)基質(zhì)瀝青.研究得出摻入橡膠粉可明顯提高瀝青的抗變形、抗老化性能，可為廢舊橡膠粉摻入路用瀝青提供科學(xué)的理論支撐與技術(shù)指導(dǎo).

關(guān)鍵詞：橡膠粉；改性瀝青；動(dòng)態(tài)剪切；抗老化性能

由廢棄輪胎加工成的橡膠粉作為一種改性劑添加到基質(zhì)瀝青中,不但能改善瀝青的技術(shù)性能,提高路面使用性能,減少維修成本,而且還使得有限的資源最大化利用,減少環(huán)境污染,有益于可持續(xù)發(fā)展,符合中國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和保護(hù)環(huán)境資源的基本國(guó)策.但研究表明適用于荒漠地區(qū)復(fù)雜氣候環(huán)境下的路用橡膠改性瀝青抗老化性能研究目前仍處于空白.本文對(duì)荒漠地區(qū)橡膠改性瀝青老化性能采用短期老化試驗(yàn)及長(zhǎng)期老化性能試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)分析,研究成果可為荒漠地區(qū)高原強(qiáng)紫外線下瀝青路面使用壽命提供理論支撐與技術(shù)指導(dǎo).

1橡膠瀝青的老化機(jī)理

瀝青“老化”是指瀝青從煉油廠被煉制出來(lái),在儲(chǔ)存、運(yùn)輸及使用工程中,受周圍環(huán)境影響,發(fā)生揮發(fā)、氧化、聚合,從而改變了瀝青材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[1],導(dǎo)致瀝青路用性能降低的過(guò)程.瀝青老化是一個(gè)逐漸發(fā)生的過(guò)程,老化速率直接影響路面的耐久性,進(jìn)而影響路面的使用壽命.瀝青老化分為以下3種類型：

1)運(yùn)輸、儲(chǔ)存、加熱過(guò)程中的老化.

①受熱瀝青中的輕質(zhì)成分不斷揮發(fā),使瀝青變脆、變硬,降低黏度；②儲(chǔ)存罐表面瀝青與空氣接觸,發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致瀝青老化；③瀝青在管道內(nèi)不斷運(yùn)行并由儲(chǔ)存罐頂部灑落到罐內(nèi),瀝青表面積增大,導(dǎo)致發(fā)生氧化作用[2].

2)瀝青在加熱、拌和以及攤鋪過(guò)程中的老化.瀝青在生產(chǎn)過(guò)程中的老化要比儲(chǔ)存過(guò)程中的老化嚴(yán)重的多.

3)瀝青在路面使用過(guò)程的老化.瀝青路面長(zhǎng)期受環(huán)境和荷載影響,瀝青路面老化過(guò)程緩慢、周期長(zhǎng),瀝青材料路用性能指標(biāo)逐漸降低的過(guò)程,會(huì)直接影響路面的耐久性[3].

2橡膠改性瀝青的短期老化

本研究采用旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)(RTFOT)評(píng)價(jià)橡膠改性瀝青的短期老化，評(píng)價(jià)殘留延度采用5 ℃控制.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1所示.

表1　橡膠改性瀝青、基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青短期老化性能指標(biāo)

從表1可以看出,經(jīng)過(guò)RTFOT老化后,質(zhì)量損失率：克90號(hào)基質(zhì)瀝青>橡膠改性瀝青>苯乙烯一丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青，但不能說(shuō)明基質(zhì)瀝青的抗老化性能好.因?yàn)镽TFOT試驗(yàn)方法是將瀝青暴露在熱空氣和氣流中,一方面瀝青與空氣中的O2發(fā)生氧化反應(yīng),另一方面促使瀝青中的輕質(zhì)油分揮發(fā),從而可能導(dǎo)致氧化瀝青的質(zhì)量增加,所以質(zhì)量損失或增加不能反應(yīng)瀝青的老化性能.

從表1以及圖1可以看出,RTFOT老化后,其殘留針入度比：橡膠改性瀝青>SBS改性瀝青>克90號(hào)基質(zhì)瀝青.殘留延度(5 ℃)：SBS改性瀝青>橡膠改性瀝青>克90號(hào)基質(zhì)瀝青.

圖1　橡膠改性瀝青、基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青RTFOT后殘留針入度比及5 ℃延度對(duì)比Fig.1　Rubber modified asphalt,asphalt,SBS modified asphalt RTFOT residual penetration and 5℃ centigrade ratio

3橡膠改性瀝青的長(zhǎng)期老化

采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)對(duì)橡膠改性瀝青的長(zhǎng)期老化性能進(jìn)行評(píng)價(jià).在大多數(shù)路面承受交通的溫度下,瀝青的狀況像一個(gè)彈性固體,又像一個(gè)黏性液體.DSR試驗(yàn)中通過(guò)測(cè)定瀝青材料的復(fù)數(shù)剪切模數(shù)G*和相位角δ來(lái)表征瀝青材料的黏性和彈性.復(fù)數(shù)剪切模數(shù)G*是最大剪應(yīng)力和最大剪應(yīng)變的比率[4],是材料重復(fù)剪切變形時(shí)總阻力的度量,包括2部分：彈性(可恢復(fù))部分和黏性(不可恢復(fù))部分.相位角δ是施加的應(yīng)力和由此產(chǎn)生的應(yīng)變滯后時(shí)間.對(duì)于完全彈性材料,加載和應(yīng)變響應(yīng)同時(shí)發(fā)生,相位角δ為0；黏性材料在加載和應(yīng)變響應(yīng)之間有較大的滯后,相位角δ接近90°.將復(fù)數(shù)剪切模數(shù)G*和相位角δ的正弦值2個(gè)參數(shù)相乘,得到一個(gè)與疲勞有關(guān)的系數(shù)—疲勞開裂因子.美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(SHRP)規(guī)定G*sinδ不大于5 000 kPa作為瀝青材料疲勞開裂的控制指標(biāo)[5],隨著瀝青在服務(wù)期內(nèi)的逐漸老化,G*sinδ不斷增加,若沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)年限前，瀝青的G*sinδ大于5 000 kPa,瀝青的抗老化性能差,導(dǎo)致瀝青抗疲勞的壽命縮短[6].本文采用馬爾文公司的CVOR150旋轉(zhuǎn)流變儀,試驗(yàn)角速度為10 rad/s,約相當(dāng)于1.59 Hz.克90號(hào)基質(zhì)瀝青、橡膠改性瀝青、SBS改性瀝青DSR試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2所示.

表2　瀝青原樣、RTFOT老化后以及PAV老化后DSR試驗(yàn)結(jié)果

3.1相位角δ變化規(guī)律

相位角δ在高溫條件下越小,其抵抗變形的能力越強(qiáng),表明在瀝青材料中彈性成分占的比例相對(duì)較大[8].圖2、3分別為原樣瀝青、RTFOT老化后、PAV老化后相位角δ隨溫度的變化情況.從圖2、3中可以看出,克90號(hào)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和橡膠改性瀝青其相位角δ均隨溫度的增高逐漸增加,說(shuō)明瀝青隨溫度的提高,彈性逐漸向黏性轉(zhuǎn)變.橡膠改性瀝青的相位角δ小于SBS改性瀝青、克90號(hào)基質(zhì)瀝青的相位角δ.說(shuō)明摻入橡膠粉可明顯提高瀝青的抗變形能力,且橡膠改性瀝青的抗變形能力優(yōu)于SBS改性瀝青.

a.原樣瀝青;b.瀝青RTFOT后.圖2　基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青原樣及其RTFOT后相位角δ隨溫度變化規(guī)律Fig.2　Change of the phase angle of the matrix asphalt,SBS modified asphalt,rubber modified asphalt and RTFOT with the text temperature

圖3　基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青PAV老化后其相位角δ隨溫度變化規(guī)律Fig.3　Phase angle of the matrix asphalt,SBS modified asphalt and rubber modified 　　　asphalt PAV after aging with the text temperature

3.2車轍因子G*/sinδ的變化規(guī)律

圖4為原樣克90號(hào)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青以及經(jīng)過(guò)RTFOT老化后的車轍因子G*/sinδ隨溫度變化規(guī)律.從圖4可以看出,克90號(hào)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青其車轍因子G*/sinδ都隨著溫度增高逐漸降低,橡膠改性瀝青的車轍因子G*/sinδ均大于SBS改性瀝青、克90號(hào)基質(zhì)瀝青的車轍因子G*/sinδ,說(shuō)明橡膠改性瀝青有更好的抗車轍性能.

3.3抗老化性能G*sin δ的變化規(guī)律

G*sinδ越小,說(shuō)明瀝青結(jié)合料的抗老化性能越好[9].圖5為克90號(hào)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青經(jīng)過(guò)PAV老化G*sinδ隨溫度的變化規(guī)律.從圖5可見(jiàn)隨溫度的不斷增加,PAV老化后的抗老化性能G*sinδ均減小,橡膠改性瀝青G*sinδ均小于基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青,說(shuō)明橡膠改性瀝青的抗老化性能較好.3種瀝青中其抗老化性能比較：橡膠改性瀝青抗老化性能> SBS改性瀝青抗老化性能>克90號(hào)基質(zhì)瀝青抗老化性能.

圖4　克90號(hào)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青原樣及其RTFOT后其G*/sinδ隨溫度變化規(guī)律Fig.4　Change law of G*/sinδ delta with the change of the temperature of the matrix 　　　asphalt,SBS modified asphalt rubber modified asphalt and RTFOT

圖5　基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青經(jīng)PAV老化后G*sinδ隨溫度變化規(guī)律Fig.5　Change law of G*sin δ delta with the temperature of the matrix asphalt,SBS modified asphalt and rubber modified asphalt by PAV

4小結(jié)

本文給出了干旱荒漠區(qū)橡膠改性瀝青RTFOT后殘留針入度對(duì)比試驗(yàn)、橡膠改性瀝青長(zhǎng)期老化DSR試驗(yàn),通過(guò)分析橡膠改性瀝青相位角δ變化規(guī)律、車轍因子G*/sinδ的變化規(guī)律、抗老化性能G*sinδ的變化規(guī)律,得出如下研究結(jié)論：

1)RTFOT短期老化試驗(yàn)表明,殘留針入度:橡膠改性瀝青>SBS改性瀝青>克90號(hào)基質(zhì)瀝青；殘留延度(5 ℃)：SBS改性瀝青>橡膠改性瀝青>克90號(hào)基質(zhì)瀝青.

2)DSR實(shí)驗(yàn)表明：克90號(hào)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和橡膠改性瀝青相位角δ均隨溫度的增高逐漸增加，橡膠改性瀝青的相位角δ最小.實(shí)驗(yàn)說(shuō)明摻入橡膠粉可明顯提高瀝青的抗變形能力,且橡膠改性瀝青的抗變形能力優(yōu)于SBS改性瀝青.

3)研究發(fā)現(xiàn),克90號(hào)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、橡膠改性瀝青其車轍因子G*/sinδ均隨溫度的增高逐漸降低,橡膠改性瀝青的車轍因子G*/sinδ最大，SBS改性瀝青次之，克90號(hào)基質(zhì)瀝青的車轍因子G*/sinδ最小,說(shuō)明橡膠改性瀝青具有優(yōu)良的抗車轍性能.

4)分析PAV老化后的抗老化性能G*sinδ規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn)：隨著溫度的不斷增加,3種瀝青抗老化性能G*sinδ均減小,橡膠改性瀝青G*sinδ最小,說(shuō)明橡膠改性瀝青抗老化性能最優(yōu)，且SBS改性瀝青抗老化性能大于克90號(hào)基質(zhì)瀝青抗老化性能.

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(責(zé)任編輯：王蘭英)

Analysis of long-term ageing properties of rubber modified asphalt in desert areas

YANG Sanqiang,ZHANG Shuai

(College of Civil and Architectural Engineering,Hebei University,Baoding 071002,China)

Abstract:Asphalt ageing test is an important method to evaluate the service life of asphalt pavement.By using the RTFOT residual penetration and delay test,DSR dynamic shear rheological test method the rubber modified asphalt short-term and long-term ageing rules in desertarea were obtained.The results showed that the rubber modified asphalt RTFOT short-term aging residual penetration>SBS modified asphalt residual penetration>G No.90 asphalt residual penetration;rubber modified asphalt DSR test phase angle DeltaSBS modified asphalt anti-aging properties>G No.90 asphalt anti-ageing performance.The research showed that the addition of rubber powder could obviously improve the anti deformation and anti aging properties of asphalt.Research results could provide scientific theoretical support and technical guidance approach for the waste rubber powder mixed with asphalt.

Key words:rubber powder;modified asphalt;dynamic shear;ageing property

DOI：10.3969/j.issn.1000-1565.2016.01.003

收稿日期：2015-03-12

基金項(xiàng)目：西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(2011318365600)；河北大學(xué)高層次引進(jìn)人才項(xiàng)目

中圖分類號(hào)：U419.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-1565(2016)01-0011-06

第一作者：楊三強(qiáng)(1980—),男,四川綿陽(yáng)人，河北大學(xué)教授,博士后，主要從事路基、路面工程方向研究.

E-mail：ysq0999@163.com