基于MSCR试验的橡胶改性沥青高温性能

崔鹰翔，郝培文

(长安大学 道路结构与材料交通行业重点实验室，陕西 西安 710064)

0 引 言

相关研究表明，将废旧轮胎胶粉作为改性剂通过一定的生产工艺加入到沥青中可以制备橡胶改性沥青；将其应用于道路建设中，不仅能够改善路面使用性能，也能够有效地解决环境问题[1-6]。

大量室内外试验表明，采用车辙因子评价改性沥青的高温性能时与其路面的抗车辙性能相关性较差，故美国沥青协会的John A. D’Angelo等人提出采用多应力重复蠕变恢复试验(MSCR)来评价改性沥青的高温性能[7]，研究结果表明，MSCR试验的不可恢复蠕变柔量与抗车辙性能的相关性系数高达0.816 7。由于该试验方法所提出的评价指标与沥青路面的高温性能相关性较高，且可操作性较强，在国外得到了广泛的关注。国内也有不少学者对该评价方法进行了相关研究：郭咏梅等提出MSCR试验与小振幅振动模式的动态力学分析方法相比，加载模式与实际沥青路面的交通状况更为接近[8]；蔡莉莉等采用MSCR试验研究了不同SBS掺量的SBS改性沥青的高温性能[9]；唐乃膨等在通过MSCR试验评价SBS改性沥青高温性能的基础上，采用AASHTO MP19-10标准对其进行高温性能分级[10]；吴春颖等结合传统的沥青高温评价指标，对掺加活性橡胶的沥青胶结料进行高温性能评价，结果表明MSCR试验评价方法能更真实有效地模拟路面实际应用的荷载作用情况[11]。

目前，研究者对于采用MSCR试验评价橡胶改性沥青高温性能的研究尚不深入，也缺乏相应的分级标准对橡胶改性沥青进行分级的适用性研究成果。故本文采用MSCR试验来研究橡胶改性沥青的高温性能，并依据AASHTO M332-14标准对不同胶粉掺量的橡胶改性沥青进行高温性能分级，以完善改性沥青高温性能评价和分级体系。

1 原材料

(1)沥青。试验采用70#基质沥青，其性能指标符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的技术要求。沥青相关技术指标见表1。

表1 70#基质沥青的技术指标

(2)胶粉。试验采用的胶粉为许昌金欧特沥青股份有限公司生产的40目胶粉。胶粉的筛分结果见表2。

表2 胶粉筛分结果

2 橡胶改性沥青的制备及试验

2.1 橡胶改性沥青的制备

橡胶改性沥青的制备过程如下：先将基质沥青加热至170 ℃，按照设计的胶粉掺量称取胶粉，保持沥青的温度在170 ℃±5 ℃，将称量好的胶粉分批次缓慢地加入沥青中并慢慢升温到180 ℃，使用高速剪切机进行剪切，转速为3 000 r·min-1，时间为60 min。有关研究表明，胶粉掺量为20%左右时，橡胶改性沥青的性能较好[12]，因此本文选取15%、20%、25%三种胶粉掺量制备橡胶改性沥青，分别测定其技术指标，结果如表3所示。

表3 橡胶改性沥青的技术指标

2.2 MSCR试验

MSCR试验是在动态剪切流变仪(DSR)上进行的，采用应力控制模式，包括加载和卸载2个阶段。试验过程中对沥青分阶段施加0.1 kPa和3.2 kPa两个应力水平，在每个应力水平下加载1 s，卸载9 s，重复10个周期。试验过程中加载阶段产生的变形在卸载阶段会部分恢复，不可恢复的变形则累计到下一个加载循环，能较好地模拟不同行车荷载的反复加载与卸载过程，以此来反映实际路面的高温性能。

MSCR试验有6个评价指标，分别是高、低2个应力水平时的变形恢复率R和不可恢复蠕变柔量Jnr，以及变形恢复率和不可恢复蠕变柔量的应力敏感性参数Jnrdiff和Rdiff。不可恢复蠕变柔量Jnr和变形恢复率R的计算方法如下。

式中：γnr为每个加载周期内的残余变形；γ0为每个加载周期内的初始应变；τ为每个加载周期的应力水平；γp为每个加载周期内的峰值应变。

Jnr越小，表明沥青材料的残余变形越小，高温条件下抗变形能力越好；反之，高温抗变形能力越差。R值越大，表明沥青材料的弹性变形能力越强；反之，弹性变形能力越弱。

Jnr和R的应力敏感性参数由下式得到。

式中：Jnr0.1为应力水平为0.1 kPa时的不可恢复蠕变柔量(kPa-1)；Jnr3.2为应力水平为3.2 kPa时的不可恢复蠕变柔量(kPa-1)；R0.1为应力水平为0.1 kPa时的变形恢复率(%)；R3.2为应力水平为3.2 kPa时的变形恢复率(%)。

应力敏感性指标反映了沥青材料的力学响应对不同应力水平的敏感性，其本质是材料的非线性特征，该值越大，表明材料由低应力水平过渡到高应力水平时非线性特征越显著。

MSCR试验所采用的样本为短期老化后的沥青样本，所以首先对70#基质沥青和3种胶粉掺量的橡胶改性沥青进行短期老化试验，再对4种沥青短期老化后的残留物进行MSCR试验，选取的试验温度分别为64 ℃和70 ℃。

3 试验结果分析

3.1 不可恢复蠕变柔量Jnr

Jnr的试验结果如表4所示。从表4可以看出，相比于70#基质沥青，随着胶粉的掺入，无论是在低应力水平还是在高应力水平下，Jnr都显著地减小，且胶粉掺量越大Jnr越小，说明胶粉的掺入使得沥青的弹性变形能力增强，荷载作用下的不可恢复变形减小，从而使得沥青在高温条件下抵抗变形的能力增强。从Jnr的变化趋势来看，以64 ℃试验条件为例，15%胶粉掺量的橡胶改性沥青相对于基质沥青Jnr0.1和Jnr3.2分别减小了93.5%和92.2%。同样，增加5%的胶粉掺量，胶粉掺量从15%增大到20%，橡胶改性沥青的Jnr0.1和Jnr3.2分别减小了62.9%和54.2%；而胶粉掺量从20%增大到25%，橡胶改性沥青的Jnr0.1和Jnr3.2分别减小了38.5%和18.2%。可以看出，高掺量下胶粉对于沥青高温性能的改善作用越来越小，胶粉的掺量并不是越大越好。70 ℃试验条件下也得出了同样的结论。

图1是Jnr0.1和Jnr3.2随胶粉掺量的变化曲线。对比64 ℃和70 ℃试验条件下3种橡胶改性沥青的Jnr0.1和Jnr3.2，可以发现：温度升高会使Jnr0.1和Jnr3.2值都增大；且随着胶粉掺量的增大，无论是Jnr0.1还是Jnr3.2，在64 ℃和70 ℃两个温度下的差异越来越小，这说明随着胶粉掺量的增大，Jnr对温度的敏感性降低。

表4 不可恢复蠕变柔量Jnr的试验结果

图1 Jnr0.1和Jnr3.2随胶粉掺量的变化曲线

同时，由表4可以得到，在2个温度下，应力敏感性参数Jnrdiff随胶粉掺量增大而增大，这说明胶粉掺量的增大会使橡胶改性沥青的应力敏感性增大，抵抗永久变形的能力减弱。AASHTO M332-14标准要求改性沥青的Jnrdiff不超过75%，如果超过75%意味着改性沥青可能处于蠕变破坏阶段。可以发现，胶粉掺量25%的橡胶改性沥青在64 ℃和70 ℃下都不符合该要求，20%胶粉掺量的橡胶改性沥青在64 ℃下勉强符合要求，但是在70 ℃下不符合要求。15%胶粉掺量的橡胶改性沥青在64 ℃和70 ℃下都符合要求。从Jnrdiff角度来评价，胶粉掺量20%和25%的橡胶改性沥青的高温性能不如胶粉掺量15%的橡胶改性沥青，这与Jnr0.1和Jnr3.2所得出来的结论截然相反。

3.2 变形恢复率R

表5是变形恢复率R的试验结果。由表5可知，在64 ℃的试验条件下，70#基质沥青的R极小，沥青基本呈现黏性特征，但是随着胶粉的掺入，R0.1和R3.2显著增大，说明胶粉的掺入使得沥青的弹性变形能力有了显著的增强，且随着胶粉掺量的增大，R0.1和R3.2也增大。但同样增加5%的胶粉产量，可以明显看出掺量从20%增加到25%，R0.1和R3.2的增大幅度小于掺量从15%增加到20%时R0.1和R3.2的增大幅度，这与上一节Jnr的分析结果是一致的。对比R0.1和R3.2可以发现，随着应力的增大，R减小，但是随着胶粉掺量的增大，Rdiff不断减小，说明胶粉掺量的增大能降低橡胶改性沥青R的应力敏感性。从变形恢复率R的角度来评价沥青的抗变形能力，胶粉掺量20%和25%的橡胶改性沥青优于胶粉掺量15%的橡胶改性沥青，这与Jnr角度的评价结果一致而与Jnrdiff的评价结果相反。在70 ℃的试验条件下得出来的结论与64 ℃的试验条件下一致。同时可以发现，随着温度由64 ℃升高到70 ℃，R0.1和R3.2略有降低，但是变化幅度很小，说明R的温度敏感性较低。

表5 变形恢复率R的试验结果

3.3 基于MSCR试验的高温分级

基于MSCR试验的改性沥青高温性能分级标准AASHTO M332-14，与基于车辙因子的基质沥青高温性能分级标准AASHTO M320采用的分级温度是相同的，即高温等级的范围为46 ℃～82 ℃，以6 ℃划分间隔。2个标准不同之处在于：相同的路面服役温度下如何考虑重交通量的影响，即以车辙因子为基础的分级标准在选择沥青时，对于重交通量只是简单的比正常交通量在PG高温等级上高一个等级；而基于MSCR试验的分级标准AASHTO M332-14，在同一服役温度下根据不同交通量的需求进一步细化了分级，具体的分级和分级指标见表6。

表6 AASHTO M332-14基于MSCR试验指标的高温性能分级方法

根据表6对3种胶粉掺量的橡胶改性沥青在64 ℃和70 ℃进行分级时，胶粉掺量15%的橡胶改性沥青和胶粉掺量25%的橡胶改性沥青在64 ℃和70 ℃下Jnrdiff>75%，不符合标准要求，无法进行高温分级；但胶粉掺量20%和25%的橡胶改性沥青虽然在Jnrdiff上不满足要求，但是相比于胶粉掺量15%的橡胶改性沥青，它们具有更低的Jnr和更高的R。国外学者Faxina在研究多聚磷酸掺量改性沥青时发现，2%多聚磷酸改性沥青的Jnrdiff高达93.22%，但该沥青与研究中的其余改性沥青相比在任一应力条件下都具有最小的不可恢复蠕变柔量Jnr和最大的变形恢复率R，这造成从Jnrdiff角度的高温性能评价结果与从Jnr和R的角度的评价结果是相互矛盾的。在另一项研究中，当改性剂为SBS时，随着SBS掺量的增大，Jnrdiff的变化规律与Jnr和R的变化规律是一致的，此时用Jnrdiff对SBS改性沥青进行高温分级是合适的。由此可以得出，Jnrdiff的评价指标并不适用于所有改性沥青，其适用性应视具体的改性剂而定。

图2 不同胶粉掺量橡胶改性沥青高温分级情况

在不考虑Jnrdiff≤75%要求的情况下，只考虑Jnr3.2指标对3种胶粉掺量的橡胶改性沥青在64 ℃和70 ℃两个温度下进行分级，结果如图2所示。可以看出：在64 ℃下3种改性沥青的分级都为PG64E；而在70 ℃下，胶粉掺量15%的橡胶改性沥青被评为PG64H，胶粉掺量20%和25%的橡胶改性沥青被评为PG64E。70 ℃下不同胶粉掺量的橡胶改性沥青的高温分级相比于64 ℃下的分级结果更有区分度，但从中也可以得出，如需进一步细化胶粉掺量20%和25%的橡胶改性沥青的高温分级，需要更高的分级温度。

4 结 语

(1)橡胶改性沥青随着胶粉掺量的增大，不可恢复蠕变柔量Jnr减小，变形恢复率R增大，沥青在高温下抵抗永久变形的能力越强。

(2)橡胶改性沥青的变形恢复率R的温度敏感性较低，不可恢复蠕变柔量Jnr的温度敏感性较高，胶粉掺量的增大能够降低Jnr的温度敏感性。

(3)基于MSCR试验的改性沥青高温性能分级标准AASHTO M332-14的Jnrdiff评价指标并不适用于所有改性沥青，其适用性应根据改性剂而定。当不考虑Jnrdiff只考虑Jnr3.2指标进行分级时，64 ℃下无法对不同胶粉掺量的橡胶改性沥青的高温分级进行区分，70 ℃下的高温分级虽然有一定的区分度，但要进一步细化高温分级仍需要更高的分级温度。