锥入度抗剪强度评价橡胶沥青性能的试验研究

王铁庆,　杨人凤,　李爱国，　陈　磊，　周　波

(1.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西 西安　710064; 2.西北农林科技大学 机械与电子工程学院,陕西 杨凌　712100; 3.陕西省交通建设集团公司，陕西 西安　710075； 4.中国中铁十局集团有限公司，山东 济南　250101)



锥入度抗剪强度评价橡胶沥青性能的试验研究

王铁庆1,2,杨人凤1,李爱国3，陈磊4，周波4

(1.长安大学 道路施工技术与装备教育部重点实验室,陕西 西安710064; 2.西北农林科技大学 机械与电子工程学院,陕西 杨凌712100; 3.陕西省交通建设集团公司，陕西 西安710075； 4.中国中铁十局集团有限公司，山东 济南250101)

摘要:为了研究橡胶沥青锥入度抗剪强度的规律特点及与其他性能指标的相关性,文章进行了不同胶粉掺量和不同反应温度条件下的橡胶沥青锥入度试验及其他性能指标试验,研究得到了胶粉掺量和反应温度对橡胶沥青锥入度和抗剪强度的影响情况,以及抗剪强度与其他性能指标的相关关系。结果表明:随着胶粉掺量增加,橡胶沥青的25 ℃锥入度减小而抗剪强度增大;反应温度对橡胶沥青25 ℃锥入度和抗剪强度的影响规律不明显;相比于锥入度,抗剪强度对橡胶沥青性能影响因素的变化反应更灵敏;不同胶粉掺量条件下橡胶沥青抗剪强度与其他几个指标相关性较好,不同反应温度条件下抗剪强度与177 ℃黏度和25 ℃回弹恢复率有一定的相关性,与软化点相关性不明显。在试验研究基础上初步提出了橡胶沥青25 ℃锥入度抗剪强度的指标要求为75～169 kPa。

关键词:橡胶沥青;锥入度试验;抗剪强度;胶粉掺量;反应温度;性能指标

橡胶沥青材料不但具有良好的路用性能,而且能够获得废物利用、环境保护的综合效益,因而受到越来越多的关注和重视[1-5]。橡胶沥青除了具有较强的高低温性能和抗老化性能等路用性能以外,当其用于应力吸收层时还具有良好的防水性、高弹性和抗疲劳性能[6]。在橡胶沥青的应用过程中,对于橡胶沥青的技术要求无论国外还是国内均不统一。橡胶沥青的技术指标究竟怎样才算合理,这应该与橡胶沥青的用途和当地的气候环境有关,例如当橡胶沥青用于开级配混合料,不使用矿粉,就需要橡胶沥青比较黏稠一些;而如果用于间断级配的SMA混合料,矿粉用量比较大,则橡胶沥青黏度就不需要太高[3]。虽然橡胶沥青技术指标不统一,但其核心技术指标主要为黏度、针入度(锥入度)、软化点和弹性恢复率。

针入度(锥入度)反映了橡胶沥青结合料的稠度,代表了结合料的软、硬程度,我国关于橡胶沥青技术的地方标准中大多数采用的是与SBS改性沥青一致的25 ℃针入度指标。由于橡胶沥青在宏观上是两相混合的非均质材料,常含有较大的橡胶颗粒,针入度试验的标准针较细,针扎到橡胶颗粒上和未扎到橡胶颗粒上会产生较大的误差,从而会影响测试结果的可靠性,因此,有些地区如美国California、Texas州用25 ℃锥入度取代了针入度。25 ℃锥入度比针入度对影响橡胶沥青结合料性能的因素更为敏感,其测量稳定性也比后者更好,因而可以更真实地反映橡胶沥青结合料这种两相材料在常温下的稠度[2]。

锥入度试验有锥入度和抗剪强度2个评价指标,在用于研究评价各种沥青胶浆的高温性能方面取得了较好的效果[7-11]。然而关于用锥入度抗剪强度来评价橡胶沥青结合料性能方面的研究很少。本文通过不同条件下橡胶沥青制备及性能检测试验,研究了橡胶沥青锥入度抗剪强度的特点以及抗剪强度与橡胶沥青其他性能指标之间的相关关系,并在试验研究的基础上初步提出了锥入度抗剪强度的指标要求。

1锥入度试验方法

锥入度试验可以采用沥青针入度仪来进行,但需要将针入度仪的标准针取下换成特制的标准锥。标准锥的尺寸和技术要求参见文献[12], 整个运动体(包括锥头、针入度仪的主轴和附件)的总质量为(150±0.1)g,锥针顶角角度为30°。盛样皿采用内径为70 mm、深度为45 mm的大盛样皿。试验前首先将制备好的橡胶沥青倒入盛样皿内,橡胶沥青应装填至盛样皿的边缘,并让试样在标准的室温(23±2)℃下养生冷却2 h,然后将盛样皿放入温度为(25±0.1)℃的恒温水浴中养生2 h,取出后吸干试样表面水分,进行锥入度试验。试验步骤同沥青针入度试验方法,试验进行时应保持实验室的环境温度在标准室温(23±2)℃下,试样的温度应始终控制在(25±0.5)℃的范围内。锥入度抗剪强度根据所测得的锥入度值计算，公式为:

其中,τ为抗剪强度;Q为贯入质量(锥头、针入度仪的主轴和附件的总质量,150g);α为锥针顶角角度(30°);h为锥入度。

2试验原材料

制备橡胶沥青的基质沥青采用国外进口SK-90# A级道路石油沥青,其主要技术指标见表1所列。废胎胶粉采用陕西产30目常温研磨粉碎的货车子午胎胶粉,其物理和化学技术指标分别见表2、表3所列(表中含量为质量分数)。

表1　基质沥青主要技术指标

表2　废胎胶粉物理指标

表3　废胎胶粉化学指标质量分数　　　　%

3试验研究方案

为了研究橡胶沥青锥入度抗剪强度的特性及与其他性能指标的关系,首先进行了不同废胎胶粉掺量的橡胶沥青制备及性能检测试验。在湿法工艺制备橡胶沥青常用的胶粉掺量范围内,选取18%、20%、21%、22%、24% 5种橡胶粉掺量(占基质沥青质量),用强力搅拌器将沥青与橡胶粉混合搅拌,反应温度严格控制在180 ℃,反应时间统一设定为50 min,橡胶沥青制备好后进行25 ℃锥入度试验及其他技术指标的检测。其次,考虑反应温度对橡胶沥青性能的影响较大,根据项目依托工程的实际情况,分别进行了170、180、190、200 ℃ 4种反应温度下橡胶沥青制备和性能检测试验。除了25 ℃锥入度试验外,其他检测项目包括177 ℃旋转黏度、25 ℃回弹恢复率(ASTM D5329)和软化点(T0606)。

4试验结果与分析

4.1橡胶沥青锥入度试验

4.1.1胶粉掺量对锥入度和抗剪强度的影响

在反应温度为180 ℃、反应时间为50 min条件下，不同胶粉掺量橡胶沥青的锥入度试验结果见表4所列,锥入度和抗剪强度与橡胶粉掺量关系的拟合曲线如图1所示。

表4　不同胶粉掺量橡胶沥青锥入度和抗剪强度

图1　胶粉掺量对橡胶沥青锥入度和抗剪强度的影响

从表4和图1中可以看出:

(1) 25 ℃锥入度随着橡胶沥青中胶粉掺量的增加而逐渐减小,锥入度与胶粉掺量接近幂函数关系,相关系数超过了0.94。这表明随着胶粉掺量增加，橡胶沥青稠度增加,逐渐变硬。同时该试验结果也说明,25 ℃锥入度指标能够反映橡胶沥青中胶粉掺量的变化。

(2) 抗剪强度随着橡胶沥青中胶粉掺量的增加而逐渐增大,抗剪强度与胶粉掺量的对数近似为线性关系,相关系数接近0.96。这表明随着胶粉掺量增加,橡胶沥青常温抗挤压和抗剪切的能力增大。该试验结果说明锥入度抗剪强度也能够反映橡胶沥青中胶粉掺量的变化。

(3) 从表4中锥入度和抗剪强度的数值对比中可知,不同胶粉掺量橡胶沥青的锥入度差值比较小(尤其当胶粉掺量在20%～24%范围内变化时),而不同掺量橡胶沥青的抗剪强度差值相对较大。因而相对于锥入度而言,抗剪强度指标更容易反映出橡胶沥青中胶粉掺量的变化。

4.1.2反应温度对锥入度和抗剪强度的影响

根据前期试验情况和依托工程的施工要求,对21%胶粉掺量的情况进行了4种不同反应温度的橡胶沥青制备和锥入度试验,反应时间均为50 min。锥入度试验结果见表5所列,相应的变化曲线如图2所示。

表5　不同反应温度橡胶沥青锥入度和抗剪强度

图2　反应温度对橡胶沥青锥入度和抗剪强度的影响

从表5和图2中可以看出,反应温度在170～200 ℃范围内变化时,橡胶沥青的锥入度和抗剪强度与反应温度之间并不存在单调递增或者递减的关系;从试验结果来看,反应温度为190 ℃时其锥入度较小,抗剪强度较大,表明此时橡胶沥青较硬;其余3个反应温度时的锥入度和抗剪强度值均变化不大。此外,对比表5中的试验数据和图2中2条折线在各段的斜率可知,通过锥入度计算得到的抗剪强度指标能够把较小的锥入度差值放大,从而对橡胶沥青制备过程的反应温度变化反应更灵敏。

4.2抗剪强度与其他技术指标的相关性分析

4.2.1不同胶粉掺量条件

不同胶粉掺量橡胶沥青的其他性能指标检测结果见表6所列。

表6　不同胶粉掺量橡胶沥青其他技术指标检测结果

旋转黏度代表了橡胶沥青结合料在外力作用下抵抗流动的阻力,它反映了结合料的施工和易性,同时也在一定程度上反映了结合料的黏弹性;25 ℃回弹恢复率代表了橡胶沥青结合料在常温下的弹性性质,它反映了结合料抗疲劳破坏和抗反射裂缝的能力;软化点则代表了橡胶沥青结合料在沥青路面工作温度下的高温性能[2]。

从表6可知,橡胶沥青的177 ℃黏度、25 ℃回弹恢复率和软化点均随着胶粉掺量的增加而增大,同抗剪强度的变化规律一致。根据表4和表6中的数据,绘制橡胶沥青25 ℃锥入度抗剪强度与177 ℃黏度、25 ℃回弹恢复率、软化点的关系曲线如图3所示。

从图3a可知,随着胶粉掺量增加,橡胶沥青抗剪强度与177 ℃黏度近似为幂函数关系,相关系数达到了0.98以上。

从图3b、图3c可知,随着胶粉掺量增加,橡胶沥青的抗剪强度与25 ℃回弹恢复率和软化点的对数近似为线性关系,相关系数分别达到了0.93和0.83，说明胶粉掺量的变化对橡胶沥青25 ℃锥入度抗剪强度和其他几个指标的影响具有较高程度的一致性。即在区分不同胶粉掺量对橡胶沥青性能的影响方面,锥入度抗剪强度与其他几个指标具有较好的一致性。

(a)　抗剪强度与177 ℃黏度

(b)　抗剪强度与25 ℃回弹恢复率

(c)　抗剪强度与软化点

4.2.2不同反应温度条件

不同反应温度橡胶沥青的其他性能指标检测结果见表7所列。反应温度对橡胶沥青锥入度抗剪强度和其他指标的影响情况对比如图4所示。从图4中折线的变化趋势看,总体上反应温度对橡胶沥青抗剪强度的影响和对177 ℃黏度、25 ℃回弹恢复率的影响存在一定程度的一致性,而对橡胶沥青抗剪强度的影响和对软化点的影响之间则无明显的相关性。

表7　不同反应温度橡胶沥青其他技术指标检测结果

(a)　对橡胶沥青抗剪强度和黏度影响

(b)　对橡胶沥青抗剪强度和回弹恢复影响

(c)　对橡胶沥青抗剪强度和软化点影响

4.3锥入度抗剪强度指标要求的确定

由前面的试验分析可知,锥入度抗剪强度可以在一定程度上表示橡胶沥青的塑性强度,并且与橡胶沥青的旋转黏度、回弹恢复率等指标具有良好相关性,因此,应研究确定其技术指标的要求,以便于工程实际应用。参考目前国内外技术标准以及我国的应用经验,橡胶沥青177 ℃旋转黏度的技术要求范围一般为1.5～4.0 Pa·s,根据图3a中抗剪强度与177 ℃旋转黏度的拟合公式,可以得出25 ℃锥入度抗剪强度对应的数值范围为139～169 kPa;根据橡胶沥青25 ℃回弹恢复率的技术要求(≥18%)[2],利用图3b中抗剪强度与25 ℃回弹恢复率的拟合曲线,可以得出25 ℃锥入度抗剪强度的要求为大于等于75 kPa。综合考虑我国各地材料、气候环境等的差异性,指标要求宜适当宽泛,因此初步确定橡胶沥青25 ℃锥入度抗剪强度的指标要求范围为75～169 kPa。

5结论

橡胶沥青的25 ℃锥入度抗剪强度随着橡胶沥青中胶粉掺量的增加而增大,而受橡胶沥青反应温度影响的规律不明显。相比于25 ℃锥入度指标,抗剪强度对橡胶沥青性能影响因素的变化反应更灵敏。不同胶粉掺量条件下橡胶沥青的25 ℃锥入度抗剪强度与177 ℃黏度、25 ℃回弹恢复和软化点相关性较好;不同反应温度条件下橡胶沥青的25 ℃锥入度抗剪强度与177 ℃黏度、25 ℃回弹恢复率有一定的相关性,与软化点相关性不明显。通过试验初步确定了橡胶沥青25 ℃锥入度抗剪强度的指标要求范围为75～169 kPa。

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[12]ASTM D 217-02,Standard test methods for cone penetration of lubricating grease[S].

(责任编辑张镅)

Experimental research on applying shear strength of cone penetration to performance evaluation of rubber asphalt

WANG Tie-qing1,2,YANG Ren-feng1,LI Ai-guo3，CHEN Lei4，ZHOU Bo4

(1.Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2.College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China; 3.Shaanxi Provincial Communication Construction Group, Xi’an 710075, China; 4.China Railway No.10 Engineering Group Co., Ltd., Jinan 250101， China)

Abstract:In order to investigate the regularity of shear strength of cone penetration and the correlations with other performance indexes of rubber asphalt, cone penetration tests and other performance tests of rubber asphalt were operated under the conditions of different crumb rubber contents and different reaction temperatures. The regularities of rubber asphalt cone penetration and shear strength were obtained, and the correlations between shear strength and other performance indexes were acquired. The results show that the cone penetration at 25 ℃ decreases and the shear strength increases with increase of crumb rubber content, while there is no obvious regularity in the effect of reaction temperature on asphalt rubber cone penetration at 25 ℃ and shear strength. Compared to the cone penetration, the shear strength is more sensitive to the changes of factors affecting rubber asphalt performance. Rubber asphalt shear strength has relatively strong correlations with other indexes under the conditions of different crumb rubber contents, but has weak correlations with viscosity at 177 ℃ and resilience at 25 ℃ and no correlation with softening point under the conditions of different reaction temperatures. Based on the experimental research, the technical requirement of shear strength at 25 ℃ was proposed as 75-169 kPa.

Key words:rubber asphalt; cone penetration test; shear strength; crumb rubber content; reaction temperature; performance index

中图分类号:U414

文献标识码：A

文章编号：1003-5060(2016)03-0380-05

doi:10.3969/j.issn.1003-5060.2016.03.019

作者简介：王铁庆(1980-),男,河北文安人,长安大学博士生,西北农林科技大学讲师;杨人凤(1960-),女,山西河津人,博士,长安大学教授,博士生导师.

基金项目：陕西省交通厅科技资助项目(14-02K)

收稿日期：2015-04-12；修回日期：2015-07-22