橡胶沥青弹性恢复性能指标的对比试验研究

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)



橡胶沥青弹性恢复性能指标的对比试验研究

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：为了研究弹性恢复和回弹恢复在反应橡胶沥青弹性恢复性能方面的差异以及两者之间的相关性，进行了不同条件下的橡胶沥青性能试验。结果表明：胶粉掺量在18%～24%范围内，两指标与胶粉掺量、Haake黏度(177 ℃)以及两指标之间均线性正相关，回弹恢复对胶粉掺量及其引起的黏度变化更敏感，两指标在反应胶粉掺量对弹性恢复性能的影响方面具有很好的等效性。反应温度在170～200 ℃范围内，弹性恢复受温度影响更显著，两指标受反应温度影响的规律不完全一致，回弹恢复和Haake黏度的规律一致。反应时间在45 min～4 h内，两指标与反应时间、Haake黏度以及两指标之间均线性正相关，弹性恢复对反应时间及其引起的黏度变化更敏感，两指标在表征反应时间对弹性恢复性能的影响方面较为一致。

关键词：道路工程；橡胶沥青；相关性分析；弹性恢复；回弹恢复；性能指标

0引言

橡胶沥青材料不但具有优异的高温稳定性、低温抗裂性、抗疲劳性、低噪声等路用性能，而且能够获得废物利用、环境保护的综合效益，因而受到公路界越来越多的关注和重视[1-6]。橡胶沥青优异的路用性能与其良好的弹性恢复性能是分不开的。良好的弹性恢复性能可以减小路面材料在荷载作用下的残余变形，提高路面的疲劳强度，减少路面损坏。美国California州的橡胶沥青技术指南中明确指出，弹性恢复是表示橡胶沥青抗疲劳和抗反射裂缝方面现场性能最好的指标，弹性恢复指标是评价橡胶沥青技术性能的一个重要指标。高黏度、高弹性是橡胶沥青的特性，橡胶沥青的核心技术指标应选择黏度、弹性恢复等[7]。

然而，在橡胶沥青的应用过程中，对于其弹性恢复性能评价指标的采用并不统一。美国ASTM、Arizona州、California州和Texas州的橡胶沥青技术标准中采用回弹恢复(Resilience)(或称作压球弹性恢复、回弹率等)作为橡胶沥青弹性恢复性能的评价指标。我国一些学者在橡胶沥青的科学研究或推广应用中，对于橡胶沥青弹性恢复性能的评价，采用了和美国一致的回弹恢复指标[2，8-11]，而国内大部分关于橡胶沥青的技术标准和研究应用中，采用和改性沥青试验方法(T0662—2000)一致的弹性恢复(Elastic recovery)指标来评价橡胶沥青的弹性恢复性能[5-7,12-15]。那么，两种指标——弹性恢复和回弹恢复在反映或评价橡胶沥青弹性恢复性能方面有无差异，两者之间的相关关系或等效性怎样，这些是值得进一步研究的问题。杨人凤等认为对于橡胶沥青这种非均质的两相材料，由于其拉伸能力远差于普通沥青，对于其弹性恢复能力的测试不能采用普通沥青弹性恢复能力的试验方法，而可以用回弹性试验(Resilience Test)来评价[10]，但没有对这两种反应弹性恢复能力的指标进行对比试验。刘少文等通过研究指出，相比于弹性恢复，回弹恢复是评价橡胶沥青弹性恢复能力的更为合理的试验方法与指标，它更为准确地表征了橡胶沥青在较小变形(毫米级)范围的良好弹性性能。研究分别采用了弹性恢复和回弹恢复试验对橡胶沥青和SBS改性沥青进行了对比[11]，但没有对弹性恢复和回弹恢复在反应或评价橡胶沥青弹性恢复性能方面的差异，以及两种评价指标之间的相关性或等效性进行研究。鉴于此，为了获得橡胶沥青的这两种评价指标之间的差异和相关性，也为实际施工中合理选用橡胶沥青弹性性能评价指标提供依据，本研究在不同工艺条件下制备了橡胶沥青，进行了弹性恢复和回弹恢复指标检测试验，对橡胶沥青弹性恢复和回弹恢复两种指标之间的差异、与橡胶沥青黏度指标的相关性、以及两指标之间的相关关系进行了研究。

1弹性恢复与回弹恢复试验方法

弹性恢复试验(T0662—2000)在25 ℃水浴条件下进行，在延度试验仪上把橡胶沥青试样以(5±0.25) cm/min的速率拉伸至(10±0.25) cm时停止，并迅速从中间剪断，使试样保持在25 ℃水浴中1 h，然后根据测得的试件残余长度计算其弹性恢复率。弹性恢复率表示了试样材料被拉长一定长度后可恢复变形的百分率。

回弹恢复试验(ASTM D5329)是用来测量粘结剂材料在受到挤压后回弹能力的试验，也可用来评价水泥和沥青路面裂缝和接缝密封填充材料的弹性恢复能力[16]。回弹恢复试验可以在针入度试验装置上实施，也可在锥入度仪上进行，但需用一个圆球贯入工具来取代标准的试针或圆锥贯入杆，具体的试验方法见参考文献[2，16]。

2试验原材料

基质沥青采用国外进口壳牌90#A级道路石油沥青，其主要技术指标见表1。废胎胶粉采用湖南产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见表2、表3(表中含量为质量分数)。

3试验方案和试验结果

橡胶沥青的原材料确定之后，胶粉掺量、反应温度和反应时间是影响橡胶沥青性能品质最重要的生产工艺因素，因此，需要在不同的工艺条件下研究橡胶沥青弹性恢复和回弹恢复性能指标的差异和相关性。

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(单位：%)

首先进行了不同胶粉掺量条件下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%和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 ℃，反应时间设定为45 min，橡胶沥青制备好后进行弹性恢复、回弹恢复以及黏度指标的检测试验，试验结果见表4。其次进行了不同反应温度条件下橡胶沥青试验：根据前期试验结果，在胶粉掺量为21%、反应时间为45 min的条件下，分别进行了170，180，190，200 ℃温度下橡胶沥青制备和性能指标检测试验，试验结果见表5。最后进行了不同反应时间条件下的橡胶沥青试验：参考目前我国、美国及南非对橡胶沥青反应时间的一般要求[12]，在反应时间分别为45 min，2 h和4 h的情况下进行橡胶沥青制备及性能检测试验，其中胶粉掺量均为21%，反应温度均为180 ℃，试验结果见表6。

表4 不同胶粉掺量橡胶沥青性能指标检测值

注：Haake黏度是采用Haake黏度计测得的黏度值。

表5　不同反应温度橡胶沥青性能指标检测值

表6　不同反应时间橡胶沥青性能指标检测值

4试验结果分析

4.1不同条件下两种弹性恢复指标对比分析

(1)不同胶粉掺量下两种弹性恢复指标对比

根据表4的数据，橡胶沥青弹性恢复和回弹恢复指标检测值的散点图及拟合曲线如图1所示。由于试验方法和原理的差别，橡胶沥青的弹性恢复值大于回弹恢复值，两种指标的数值分布范围明显不同。从拟合曲线看，胶粉掺量在18%～24%的范围内，弹性恢复和回弹恢复与胶粉掺量均近似为线性关系，并随着胶粉掺量的增加而增大，但回弹恢复拟合直线的斜率大于弹性恢复，说明回弹恢复对橡胶沥青中胶粉掺量的变化更为敏感，即胶粉掺量对橡胶沥青回弹恢复指标的影响更显著一些，关系更密切。

图1　不同胶粉掺量橡胶沥青弹性恢复和回弹恢复对比(单位：%)Fig.1　Comparison of elastic recovery and resilience of rubber asphalt with different crumb rubber contents(unit:%)

(2)不同反应温度下两种弹性恢复指标对比

根据表5的数据，橡胶沥青弹性恢复和回弹恢复指标随反应温度的变化规律如图2所示。不同温度下仍然是橡胶沥青的弹性恢复值大于回弹恢复值。从图中曲线可看出，总体上回弹恢复指标的变化曲线较为平缓，而弹性恢复指标随反应温度变化的显著性更强一些，即反应温度对弹性恢复的影响总体上强于对回弹恢复的影响。此外，弹性恢复和回弹恢复受反应温度影响的规律并不完全一致：反应温度从170 ℃增加至200 ℃的过程中，弹性恢复在170 ℃ 时最小而200 ℃时数值最大；回弹恢复呈现出先增加后减小的规律，在190 ℃时数值最大。

图2　不同反应温度下橡胶沥青性能指标变化规律Fig.2　Performance index variations of rubber asphalt at different reaction temperatures

(3)不同反应时间下两种弹性恢复指标对比

根据表6，不同反应时间橡胶沥青弹性恢复和回弹恢复检测值的散点图及拟合曲线如图3所示。从拟合曲线看，反应时间从45 min至4 h，弹性恢复和回弹恢复与反应时间均近似于线性关系，相关系数较大，并均随着反应时间的延长而增大；弹性恢复拟合直线的斜率远大于回弹恢复，说明弹性恢复对橡胶沥青反应时间的变化更敏感，即反应时间对橡胶沥青弹性恢复指标的影响更显著，而对回弹恢复的影响不显著。

图3　不同反应时间弹性恢复和回弹恢复对比Fig.3　Comparison of elastic recovery and resilience with different reaction time

4.2两种弹性恢复指标与黏度的相关性对比

高温黏度是橡胶沥青的核心性能指标，也是橡胶沥青施工现场控制的主要技术指标，黏度大的橡胶沥青在载荷作用下产生较小的剪切变形，与沥青混合料的动稳定度有很好的相关关系。因此，有必要对弹性恢复和回弹恢复与橡胶沥青高温黏度的相关性进行一下对比研究。

不同胶粉掺量下橡胶沥青弹性恢复和回弹恢复与Haake黏度(177 ℃)的相关关系曲线见图4。从图4可知，两种弹性恢复性能指标与Haake黏度(177 ℃)均近似为线性关系，随着黏度的增加而增大，但回弹恢复与黏度的线性相关性更强一些，拟合直线的斜率也较大，对胶粉掺量不同引起的黏度变化反应更灵敏。

图4　不同胶粉掺量下弹性恢复和回弹恢复与黏度的相关性Fig.4　Correlations of elastic recovery, resilience and viscosity with different crumb rubber contents

不同反应温度下两种弹性恢复性能指标与Haake黏度(177 ℃)的变化规律见图2。从表5中的数据和图2可知，随着反应温度增加，回弹恢复和Haake黏度均呈现先增大后减小的规律，在190 ℃时达到最大值，一致性较好，而弹性恢复和Haake黏度在180～200 ℃范围内的变化规律并不一致。

不同反应时间橡胶沥青弹性恢复和回弹恢复与Haake黏度(177 ℃)的相关关系见图5。从图5可知，两种弹性恢复性能指标与Haake黏度均近似为线性关系，且随着黏度的增加而增大；弹性恢复与Haake黏度的线性相关性较好，拟合直线的斜率也较大，对反应时间不同引起的黏度变化反应更灵敏；回弹恢复与Haake黏度相关系数较小，且拟合直线的斜率很小，对反应时间引起的黏度变化不敏感。

图5　不同反应时间弹性恢复和回弹恢复与黏度的相关性Fig.5　Correlations of elastic recovery, resilience and viscosity with different reaction time

4.3弹性恢复和回弹恢复相关性分析

根据表4，不同胶粉掺量下橡胶沥青回弹恢复和弹性恢复的相关关系如图6所示。从图6可看出，两种性能指标的线性相关系数接近于1，正相关性很好，说明两种指标在反应或评价胶粉掺量对橡胶沥青弹性恢复性能的影响方面具有很高的等效性；图中拟合直线的斜率大于1，说明回弹恢复比弹性恢复的变化率大。

图6　不同胶粉掺量回弹恢复和弹性恢复的相关关系(单位：%)Fig.6　Correlation between resilience and elastic recovery with different crumb rubber contents(unit:%)

根据表5，不同反应温度橡胶沥青的回弹恢复和弹性恢复的相关关系如图7所示。从图7可看出，两种弹性恢复性能指标的相关拟合曲线近似为开口向下的抛物线，说明在反映或评价反应温度对橡胶沥青弹性恢复性能的影响方面，两种指标得出的规律存在一定的差异，并不完全一致。反应温度在170～190 ℃时，随着温度升高胶粉与基质沥青的溶胀反应不断加强，橡胶沥青弹性性能增强，回弹恢复和弹性恢复均增大。当温度达到200 ℃时，沥青中的橡胶粉加速降解，大颗粒变小，很多小颗粒将彻底溶解于沥青中。由于回弹恢复试验测试的是橡胶沥青受到挤压后的反弹能力，是基质沥青与橡胶粉颗粒共同起作用的结果，胶粉颗粒变小以及大量小颗粒的溶解势必弱化橡胶沥青中胶粉的反弹能力，从而使橡胶沥青的回弹恢复值减小；而弹性恢复试验表征的是橡胶沥青拉伸后的收缩能力，主要取决于基质沥青的性能，橡胶粉大量降解以后，减轻了橡胶沥青拉伸过程中胶粉颗粒与沥青界面的应力集中，从而使弹性恢复值增大。这就是图7中相关曲线近似为开口向下的抛物线的原因。

图7　不同反应温度回弹恢复和弹性恢复的相关关系(单位：%)Fig.7　Correlation between resilience and elastic recovery at different reaction temperatures(unit:%)

根据表6，不同反应时间橡胶沥青回弹恢复和弹性恢复的相关关系如图8所示。从图8可知，两种性能指标的相关关系接近于线性关系(相关系数小于图6中的相关系数)，具有正相关性，说明两种指标在表征不同反应时间对橡胶沥青弹性恢复性能的影响方面具有一致性；图中拟合直线的斜率很小，说明回弹恢复的变化率远小于弹性恢复指标的变化率。

图8　不同反应时间回弹恢复和弹性恢复的相关关系(单位：%)Fig.8　Correlation between resilience and elastic recovery with different reaction time(unit:%)

4.4两种评价指标试验结果差异的原因分析

弹性恢复与回弹恢复均用来表征橡胶沥青的黏弹性性质，但从以上试验结果来看，这两个指标存在一定差异，产生差异的原因至少可以从以下两个方面来解释：第一，两种指标的试验方法不同，橡胶沥青材料在这两种试验方法中的受力状态不同。弹性恢复试验中橡胶沥青是受拉伸伸长后的收缩恢复，其恢复能力主要取决于基质沥青的性能，而且试验过程中橡胶沥青的变形量较大；回弹恢复试验中橡胶沥青是受到挤压后的反弹恢复，其恢复能力由基质沥青和橡胶粉颗粒共同起作用，而且橡胶沥青是在较小范围(毫米级)内的变形。第二，对于弹性恢复试验，橡胶沥青在受拉伸过程中，由于橡胶沥青为两相材料，橡胶粉颗粒与基质沥青的界面处由于应力集中的存在容易发生分离，从而造成基质沥青局部的细微断裂，进而影响橡胶沥青的收缩恢复能力。从以上分析可知，回弹恢复试验中橡胶沥青的受力与变形状态和橡胶沥青胶结料在实际路面中的受力状态更为接近，而且试验结果不受橡胶粉与沥青界面应力集中的影响，因而作为橡胶沥青的弹性性能评价指标更具有合理性。

5结论

(1)胶粉掺量在18%～24%范围内，弹性恢复和回弹恢复与胶粉掺量均近似为正相关的线性关系。反应温度在170～200 ℃范围内变化时，两种指标受反应温度影响的规律不完全一致。反应时间从45 min 至4 h，两种指标与反应时间均线性正相关。

(2)胶粉掺量在18%～24%范围内，两种指标与橡胶沥青Haake黏度(177 ℃)均线性正相关，但回弹恢复与黏度的相关性更强。反应温度在170～200 ℃范围内，回弹恢复和Haake黏度的变化规律一致。反应时间为45 min～4 h时，两种指标与Haake黏度均线性正相关，但弹性恢复与Haake黏度的相关性更好。

(3)橡胶沥青回弹恢复和弹性恢复两种指标在反应胶粉掺量对橡胶沥青弹性恢复性能的影响方面具有很好的等效性，在表征反应温度对橡胶沥青弹性恢复性能的影响方面存在一定的差异，在表征反应时间对橡胶沥青弹性恢复性能的影响方面具有一致性。

(4)相比于弹性恢复试验，回弹恢复试验中橡胶沥青的受力状态和在实际路面中的受力状态更接近，回弹恢复指标作为橡胶沥青的弹性性能评价指标更具有合理性。

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Comparative Experimental Research of Elastic Recovery Performance Indexes of Rubber Asphalt

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

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

Abstract：In order to study the difference and correlation between elastic recovery and resilience in response to the elastic recovery performance of rubber asphalt, the performance tests of rubber asphalt are conducted under different conditions. The test result shows that (1) when the crumb rubber content is in the range of 18%-24%, the relation of the 2 indexes with crumb rubber content and Haake viscosity (177 ℃), and the relation between the 2 indexes are all positive linear correlations, resilience is more sensitive to the crumb rubber content and the viscosity change caused by it, and the 2 indexes have good equivalence in response to the influence of crumb rubber content on elastic recovery performance of rubber asphalt; (2) when the reaction temperature is in the range of 170-200 ℃, the elastic recovery is more significantly affected by temperature, the influence of reaction temperature on the 2 indexes are not completely consistent, and the rules of resilience and Haake viscosity affected by reaction temperature are consistent; (3) when the reaction time is in the range of 45 min-4 h, the relation of the 2 indexes with reaction time and Haake viscosity (177 ℃), and the relation between the 2 indexes are all positive linear correlations, elastic recovery is more sensitive to the reaction time and the viscosity change caused by it, and the 2 indexes have consistency in response to the influence of reaction time on the elastic recovery performance.

Key words：road engineering; rubber asphalt; correlation analysis; elastic recovery; resilience; performance index

中图分类号：U414

文献标识码：A

文章编号：1002-0268(2016)04-0032-07

doi:10.3969/j.issn.1002-0268.2016.04.006

作者简介：王铁庆(1980-)，男，河北文安人，博士研究生.(66765277@qq.com)

基金项目：陕西省交通厅科技项目(2014-02K)

收稿日期：2015-05-04