橡胶沥青的动态剪切流变性能影响因素分析

支鹏飞， 冯小伟， 张新雨

(1.甘肃省道路材料工程实验室， 甘肃 兰州 730050； 2.甘肃省交通科学研究院有限公司， 甘肃 兰州 730050)

橡胶沥青的动态剪切流变性能影响因素分析

支鹏飞1,2， 冯小伟1， 张新雨1

(1.甘肃省道路材料工程实验室， 甘肃 兰州 730050； 2.甘肃省交通科学研究院有限公司， 甘肃 兰州 730050)

橡胶沥青中由于废胎胶粉颗粒的存在，使得橡胶沥青的性能与基质沥青及其它类型的改性沥青有很大的区别，按SHRP指标评定的高温性能与胶结料的实际性能有较大出入。为此，选取用不同粒径制造的橡胶沥青、不同的沥青膜厚度、不同的温度、不同性能的橡胶沥青(原样、RTFOT样、PAV样)，进行橡胶沥青的动态剪切流变参数—沥青相位角δ、复数剪切模量G*、车辙因子G*/sinδ的分析研究。结果表明上述废胎胶粉的粒径、沥青膜厚度、温度对橡胶沥青的流变性能有较大影响，不同性能橡胶沥青(原样、RTFOT样、PAV样)的流变参数变化较小。得到的成果能为橡胶沥青高温性能的评价提供借鉴。

橡胶沥青； 动态剪切流变； 粒径； 沥青膜厚度； 变异系数

0 引言

橡胶沥青作为一种特殊的粘弹性材料，有着比其它类型的沥青材料更为复杂的高温流变特性，在抵抗路面高温变形的过程中发挥着重要作用。目前，我国对橡胶沥青高温动态剪切流变性能方面的研究还相对较少。橡胶沥青胶结料是一种较典型的温感性材料，不同温度时性能不同，而且在材料相同，不同制作工艺下橡胶沥青胶结料的路用性能差别很大。温度较低时，橡胶沥青的流动性降低，粘度增大，在极低气温下会显示出较强的弹性性质和明显的脆性；温度较高时，橡胶沥青的粘度降低，弹性也降低，表现出明显的塑性流动，这也是导致橡胶沥青路面在高温下车辙形成的主要原因之一；常温条件下，橡胶沥青是一种较典型的粘弹性结合体，其性能随着仪器加载时间和温度的变化而变化[1-4]。SHRP计划开发的动态剪切流变仪(DSR)综合考虑了加载情况和温度对胶结料性能的影响，通过试验确定橡胶沥青的相位角δ、复数模量G*，并计算G*/sinδ来评价橡胶沥青胶结料的高温性能[5]。

目前，在橡胶沥青广泛研究及应用于工程建设中的大背景下，对沥青的高温流变性能的研究显得很有意义[6]。但是用美国SHRP计划评价沥青胶结料高温动态剪切流变性能的方法来评价橡胶沥青却使得试验结果与实际情况有很大的出入。首先，橡胶沥青里由于胶粉颗粒的存在而使得其弹性大大增加，线粘弹性区间范围增大；其次，胶粉的存在使得原动态剪切流变试验中沥青膜厚度1 mm在橡胶沥青试验中捉襟见肘，试验结果的误差也在不断的增大。因此，笔者认为通过对影响橡胶沥青动态剪切流变性能因素的研究来更客观、实际的评价橡胶沥青的高温性能很有必要性。

1 试验简介

1.1 试验理论介绍

参考普通沥青胶结料的动态剪切流变试验，本部分试验在10 rad/s的角速度下测定橡胶沥青的相位角δ、复数模量G*，并通过计算车辙因子G*/sinδ来评价橡胶沥青胶结料的高温性能。同一温度下，车辙因子越大，沥青抵抗变形的能力也越大，高温稳定性能也就越好[7]。

相位角δ是作用在胶结料上的应力和由此产生应变间的时间滞后，是不可恢复的变形量与可恢复的变形量的相对指标。对于纯弹性体，在外荷载作用下，将产生相应的变形，此时相位角δ为0°；而对于完全粘性体，相位角δ则为90°[8]。对于橡胶沥青胶结料，则处于粘性和弹性之间，为粘弹性综合体，相位角在0°～90°之间。复数剪切模量G*是橡胶沥青在重复剪切变形作用下产生的阻力的度量，以全剪应力(τmax-τmin)与全剪应变(γmax-γmin)的比值来表示，G*值包含了弹性和粘性两部分[9]。

考虑到橡胶沥青在铺筑过程中的短期老化和使用过程中由于气候及交通荷载作用下产生的老化，其流变性能也会发生变化，直接影响到混合料的路用性能。为了对上述性能进行分析，本文除采用原样橡胶沥青样进行分析外，还采用模拟短期老化的RTFOT样和长期老化的PAV样来分析橡胶沥青的动态剪切流变性能。

1.2 原材料

试验所用的橡胶沥青是由陕西长大华础工程材料科技股份有限公司生产的30目、40目80目废胎胶粉，SK — 90号基质沥青通过20%掺量、190 ℃反应温度、60 min反应时间、高速搅拌的条件下制备的，RTFOT和PAV均按标准试验进行，其中PAV试验温度选取110 ℃，样品各项技术指标见表1。

表1 试验用橡胶沥青技术性能表Table1 Thetechnicalparameterstableofasphaltrubber橡胶沥青180℃旋转黏度/(Pa·s)弹性恢复/%25℃针入度/(0．1mm)软化点/℃5℃延度/cm30目样2．11465．644．966．810．040目样2．86268．643．767．710．880目样3．38670．050．468．611．040目RTFOT样2．90168．743．068．210．540目PAV样2．43163．541．570．49．2

1.3 试验方法

将按上面生产工艺制作的30目、40目、80目橡胶沥青样分别进行温度52、58、64、70、76、82、88 ℃以及沥青膜厚度0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm的动态剪切流变试验，将40目橡胶沥青和40目RTFOT老化样以及40目PAV老化样进行沥青膜厚度2.0 mm的动态剪切流变试验。

2 试验结果分析

2.1 胶粉粒径对动态剪切流变参数的影响

从影响橡胶沥青性能因素来看，目数对其各方面性能的影响都是显著的。橡胶沥青在高温下是一种黏度较高的混合体，废胎胶粉在沥青中是分散的，一般目数越大，越容易分散，与沥青的反应也就越充分。按照设计，本文选取同等条件下制备的30、40、80目橡胶沥青在温度82 ℃、沥青膜厚度2.0 mm的条件下进行动态剪切流变试验，结果见表2。

表2 不同粒径的橡胶沥青在规定条件下的动态剪切流变参数Table2 ThedifferentparticlesizeofasphaltrubberDSRparametersunderspecifiedconditions30目橡胶沥青40目橡胶沥青80目橡胶沥青相位角(δ)80．2178．9475．31复数剪切模量(G∗)95410171258车辙因子(G∗/sinδ)0．9681．0361．301

可以看出: 废胎胶粉对沥青高温性能的改性效果是非常明显的，按照美国SHRP计划里的PG分级标准，试验中的橡胶沥青高温分级比基质沥青提高了至少三级，其提高幅度不亚于当前国内外最常用的SBS改性沥青。从上面的数据还可知，在温度一定，沥青膜厚度一定的条件下，随着橡胶沥青中废胎胶粉粒径从30目到80目变细，橡胶沥青的相位角δ逐渐变小，复数剪切模量G*逐渐增大，车辙因子G*/sinδ逐渐增大，说明80目橡胶沥青在该条件下的弹性性能表现的最强，因而抵抗变形的能力也最强。这种现象可以理解为，随着废胎胶粉粒径变小，在与沥青的反应过程中溶胀进行的更彻底，期间的化学反应也更多，形成的沥青—废胎胶粉网状结构物也更多，弹性性能表现的更充分[10，11]，因而相位角δ更小，车辙因子G*/sinδ更大。

2.2 沥青膜厚度对动态剪切流变参数的影响

沥青薄膜的厚度对胶结料高温动态剪切流变性能具有较大影响。为了深入研究橡胶沥青薄膜厚度对动态剪切流变性能的影响，本部分选取按照前面生产工艺制造的30目、40目、80目橡胶沥青样品，在温度82 ℃下，分别在橡胶沥青膜厚度0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm的条件下分析其动态剪切流变性能，如图1，图2。

图1 橡胶沥青膜厚度对相位角的影响Figure 1 The influence of rubber asphalt film thickness to phase angle

图2 橡胶沥青膜厚度对车辙因子的影响Figure 2 The influence of rubber asphalt film thickness to rut factor

从上图可知: 随着橡胶沥青膜厚度从0.5 mm到2.5 mm增加，无论是30目、40目还是80目橡胶沥青，其相位角的变化趋势基本都是先减后增，薄膜厚度2.0 mm为其极小值点，粘弹性表征上说明随着沥青膜厚度增加，其弹性逐渐增加，在厚度2.0 mm时弹性表征的最强，其后粘性开始增强。其它条件相同情况下，几种不同粒径的相位角δ的大小规律是30目>40目>80目，说明等同条件下80目橡胶沥青的弹性最强，30目橡胶沥青的粘性最强。

橡胶沥青膜厚度对车辙因子G*/sinδ的影响和对相位角δ的影响恰好相反，随着橡胶沥青膜厚度增加，30目、40目、80目橡胶沥青车辙因子G*/sinδ的变化规律均是先增后减，在2.0 mm处达到极大值。同等条件下，车辙因子越大，橡胶沥青抵抗变形的能力越强，性能也就越优越。但在试验中还发现，随着沥青膜厚度的变化，结果出现的误差也有较大的变化，就试验过程中出现的误差归纳见图3。

图3 试验过程中的变异系数随沥青膜厚度的变化情况Figure 3 The variation coefficient changes with the film thickness of the asphalt during the test

与相位角δ的变化规律相近，30目、40目和80目橡胶沥青的变异系数均是先减后增，2.0 mm厚度为一分界点，也就是说在2.0 mm厚度时各粒径的橡胶沥青动态剪切流变试验产生的误差最小。纵向比较，80目橡胶沥青试验的变异系数最小，30目最大。上述变异系数产生的规律可以理解为，在沥青膜厚度较小时，试验时由于胶粉颗粒的支托作用使得试验的偶然误差骤增，后随沥青膜厚度增大而减少。而当沥青膜厚度增加到2.5 mm时，由于刮膜等一系列试验操作中产生的不可避免的误差增大，变异系数也就随之增大。

综上，选取膜厚度2.0 mm进行橡胶沥青的动态剪切流变性能试验是最为适宜的，在此厚度下胶结料的相位角δ最小，弹性性能凸显；车辙因子最大，抵抗变形的能力最强；产生的误差最小，易于试验操作和分析。

2.3 温度对动态剪切流变参数的影响

与其它类型的沥青一样橡胶沥青也是一种感温性的典型的粘、弹、塑性综合体，在低温小变形范围内接近现弹性体，在高温大变形范围内表现为粘塑性体，而在通常温度的过渡范围内则为一般粘弹性体。本部分选取52、58、64、70、76、82、88 ℃不同的温度进行30目、40目、80目橡胶沥青动态剪切流变性能的分析，结果见图4。

图4 车辙因子随温度的变化情况Figure 4 Rutting factor changes with temperature

从上图可以看出: 无论那种粒径的橡胶沥青其车辙因子G*/sinδ均是温度的敏感性参数，温度越高，橡胶沥青的粘性越大，弹性越小，也就是车辙因子越小。对上述30目、40目、80目橡胶沥青随温度变化的车辙因子进行指数回归，发现车辙因子均是温度的相关系数R2在0.99以上的函数，其中80目橡胶沥青的车辙因子G*/sinδ随温度的变化更为敏感，30目的G*/sinδ最为迟钝。

2.4 老化作用对动态剪切流变参数的影响

由于制作出来的橡胶沥青在生产和服务周期内都要不可避免经过短期老化和长期老化，为了对其性能进行研究，本部分将40目橡胶沥青分别进行RTFOT老化(老化温度选择为183 ℃)和RTFOT老化后的PAV老化，模拟其老化性能。然后将40目原样橡胶沥青、RTFOT老化样、PAV老化样进行动态剪切流变试验，参数见表3。

从表3可以看出: RTFOT老化后和PAV老化后其动态剪切流变参数的变化为：RTFOT老化后的相位角δ小于原样橡胶沥青的相位角，PAV老化后的相位角64 ℃之前大于RTFOT样，64 ℃之后小于RTFOT样。相位角δ减小，说明橡胶沥青内部弹性成分增强，粘性部分减弱，抵抗剪切变形的能力增强[12-14]。与之相对应的，PAV老化后车辙因子最大，RTFPT次之，原样橡胶沥青最小。这也反应出了橡胶沥青具有较好的荷载响应能力，在高温低频(10 rad/s)下具有较低的相位角，因而表现出更好的抗车辙能力。但总体来看，橡胶沥青在老化前后性能随温度的变化趋势基本相同，变化幅度也不大，再次证明了橡胶沥青具有优良的抗疲劳老化能力。

表3 原样和老化作用下的橡胶沥青动态剪切流变参数比较Table3 ThecomparisonoforiginalandagingasphaltrubberDSRparameters试验温度T/℃原样橡胶沥青RTFOT样PAV样δG∗G∗/sinδδG∗G∗/sinδδG∗G∗/sinδ5263．671589017．7360．812020023．1361．853028034．345866．0189819．83062．161154013．0562．571660018．706469．1050975．45664．3966687．39463．71934910．437072．3128913．03567．1939314．26565．3454105．9537675．0017171．77769．9323552．50867．2031763．4458278．9410171．03672．4114461．51669．4818752．0028878．90630．10．64274．51929．40．96471．1011811．249

3 结论

本文通过对影响橡胶沥青动态剪切流变性能参数的试验研究，通过理论介绍与试验结果，主要得到如下结论：

① 废胎胶粉粒径对橡胶沥青动态剪切流变参数的影响是显著的，粒径越小，相同试验条件下得到的相位角δ就越小，车辙因子G*/sinδ越大。说明废胎胶粉粒径越小的橡胶沥青抵抗剪切变形的能力就越强。

② 橡胶沥青膜厚度对动态剪切流变性能的影响体现在，随着沥青膜厚度从0.5 mm到2.5 mm变化，各粒径橡胶沥青的相位角δ基本上都呈先减后增的变化趋势，2.0 mm为其极小值点；车辙因子呈先增后减的趋势，2.0 mm为其极大值点，说明随着膜厚度增加，试验得到的橡胶沥青的弹性成分是先增后减的趋势。且在膜厚度为2.0 mm时试验误差也最小，因此，建议在进行橡胶沥青动态剪切流变试验时取膜的厚度为2.0 mm。

③ 橡胶沥青是一种温感型材料，温度越高，其粘性成分表现的越突出，弹性成分越弱，车辙因子G*/sinδ随温度T基本呈指数函数的规律变化。

④ RTFOT和PAV老化后，橡胶沥青的相位角δ变小，车辙因子G*/sinδ变大，但老化前后其性能随温度的变化趋势总体基本相同，变化幅度也不大，再次证明了橡胶沥青具有优良的抗疲劳老化能力。

[1] JTG/T F50-2011,橡胶沥青及混合料设计施工技术指南[M]．北京：人民交通出版社，2008.

[2] 黄彭，吕伟民．橡胶粉改性沥青混合料性能与工艺技术研究[J].中国公路学报，2001，3(12)：21-24.

[3] 王旭东，李美江．橡胶沥青及混凝土应运成套技术[M]．北京：人民交通出版社，2008.

[4] 黄文元．国内外轮胎橡胶在路面工程中的应用及研究[A]．第六届全国路面材料及新技术研讨会(2005年)论文集[C].2005，185-190.

[5] Bahia H,Davies R．Factors controlling the effect of crumb rubber on critical properties of asphalt binders[J]. Journal of the Association of Asphalt paving Technologists, 1995,64: 130-162.

[6] 魏建明，侯岩峰，王国清．基于动态剪切流变试验的沥青高温性能研究[J]．公路与汽运，2007(5)：117-120.

[7] 张丽萍，邱欣，薛亮,等．废旧轮胎橡胶改性沥青混合料路用性能的室内试验[J]．沈阳建筑大学学报:自然科学版，2005，21(4)：293-296.

[8] 沈金安．沥青及沥青混合料路用性能[M]．北京:人民交通出版社，2001.

[9] 段守容，任瑞波．应用动态剪切流变仪(DSR)评价沥青胶浆路用性能的研究[J]．中南公路工程，2001，26(4) ：81-83.

[10] 姜利，赵建峰.不同轴载对含应力吸收层沥青路面的影响[J]．森林工程，2015,31(1):88-91.

[11] 吴耀东．采用动态剪切流变试验评价沥青高温性能[J]．北方交通，2007(1):45-47.

[12] 付新新，张海涛.预防性养护阶段的沥青路面性能力学分析[J]．森林工程，2016，32(5)：76-80.

[13] 成豪杰，王绍全，郭耀龙，等.养生条件对沥青水泥砂浆抗折强度的影响[J]．森林工程，2016，32(5)：92-96.

[14] 田小革，郑健龙，张起森．老化对沥青结合料高温性能的影响[J]．公路，2004(1):110-112.

Research on the Dynamic Shear Rheologic Properties and Influencing Factors of Asphalt Rubber

ZHI Pengfei1,2, FENG Xiaowei1, ZHANG Xinyu1

(1.GanSu Provincial Engineering Laboratory For Road Materials，Lanzhou, Gansu 730050， China； 2.Gansu Provincial Transportation Research Institute Co., Ltd, Lanzhou, Gansu 730050，China)

Due to the exist of rubber powder in asphalt rubber, makes asphalt rubber performance are very different from base asphalt and other types of modified asphalt, and its high temperature performance in SHRP plan has great gap with the actual performance of cement. In this paper, by selecting different size of rubber asphalt, different thickness of asphalt film, different temperatures, different properties of asphalt rubber (original sample, RTFOT sample, PAV sample), testing its Dynamic Shear Rheologic parameters-asphalt phase angleδ, complex shear modulusG*,andrutfactorG*/sinδ, as well as analysis its performance. The results show that the rubber powder, thickness of asphalt film, temperatures has a great influence to Dynamic Shear Rheologic parameters, different properties of rubber asphalt (original sample, RTFOT sample, PAV sample) has small changes in rheological parameters. The fruit can provide a reference for the evaluation of high-temperature performance of rubber asphalt.

asphalt rubber； dynamic shear rheologic； particle size；a sphalt film thickness； coefficient of variation

2016 — 01 — 29

甘肃省科技计划资助项目(1305TCYA024)

支鹏飞(1982 — )，男，陕西宝鸡人，硕士，主要从事道路方面的研究工作。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)06 — 0107 — 05