橡胶粉改性沥青路面抗车辙性能试验

2022-09-25刘新亚

中国公路 2022年14期

刘新亚

（新疆那巴高速公路发展有限责任公司，新疆库尔勒 841000）

一、序言

橡胶沥青因良好的耐温变性能、抗疲劳和抗滑性能等受到道路施工单位的高度关注[1]。把利用废旧汽车轮胎生产的橡胶用于道路沥青改性，不但赋予了沥青更好的柔韧性，而且有利于环保，可二次利用[2]。许多学者尝试将污染物废橡胶与沥青拌和制成橡胶改性沥青，使得橡胶沥青的拌和技术得到发展，考虑到热拌技术施工过程中温度过高、环境污染物排放严重的问题[3]，故采用温拌技术制作的橡胶改性沥青混合料，重点分析温度降低条件下混合料的抗车辙性能[4,5]。

温拌橡胶沥青混合料是一种典型具备黏弹塑性的复合材料，其在常温范围内为一般黏弹性体[6]，随着荷载频率升高和温度降低，其靠近所谓的“玻璃态”呈现典型弹性特性；当温度升高和频率降低，其又表现出明显的黏性性质。因此，温拌橡胶沥青混合料黏弹性显著影响服役后的路用性能，尤其是高温永久变形[7]。国内研究者也探究了橡胶改性改性沥青的施工工艺和温拌性能[8,9]。橡胶改性沥青对施工温度要求不高，国内研究者将其与SBS沥青复合改性，取得了良好的效果[9]。

尽管国内对橡胶粉改性沥青研究较多，但多是针对橡胶粉改性沥青的施工性能及与SBS改性沥青的复合改性效果，较少关注其优秀的高温流变性，多采用常规指标如针入度、软化点、60℃动力黏度等表征其高温性能[10,11]。上述传统评价方法用于工程实践尚可，但用于科学研究往往不能准确区分不同掺量改性沥青的高温流变性能的差别。室内动稳定度试验不能完全反映真实路面行车过程中的车辙发生过程，为研究温拌添加剂的掺入对橡胶SMA沥青混合料（ARSMA-13型）的高温变形发展过程的影响，本文拟通过不同温度及不同围压条件下的单轴压缩黏弹性蠕变试验研究温拌橡胶沥青混合料与橡胶沥青混合料的蠕变特性。

现有研究表明，表面活性类温拌剂不会明显改变沥青混合料的基本路用性能，而有机降黏型温拌剂则能在一定程度上提高抗车辙能力[7]。因此，本文选取了一种有机降黏性温拌剂代表产品Sasobit，着重分析有机降黏温拌剂、加载温度、加载时间与围压大小等因素对橡胶改性沥青混合料蠕变应变行为的影响，并采用通用黏弹性Burgers模型分析温拌橡胶沥青混合料的力学特性，评价温拌橡胶沥青混合料的实际路用性能。

二、沥青的Burgers黏弹性本构模型

Burgers黏弹性本构模型能够综合反映沥青和沥青混合料等黏弹性材料的瞬时弹性变形、蠕变变形、蠕变恢复和应力松弛四个力学行为特征，相较于其他黏弹性模型，如Maxwell、Kelvin等能够在更大频域范围内更近似地描述沥青混合料的黏弹性能[12]。因此，本研究基于Burgers模型得到相关的黏弹模型参数来拟合橡胶改性沥青混合料的黏弹性行为。Burgers模型的本构模型如图1左所示，典型的时间-应力/应变关系如图1右所示。该模型的本构方程如式（1）所示：

图1 Burgers模型及其蠕变曲线

基于式（1），若在t＝0时刻，给整个模型系统输入应力σ0，通过求解微分方程得到Burgers模型，在初始应力σ0下的蠕变行为方程为

在t＝t0时刻的卸载位置，则有

该模型中包括四个参数，即所谓的典型四参数Burgers模型。其中E1和E2为弹性系数，η1和η2为黏性系数。

其中E1为瞬时弹性模量，其大小反映了瞬时荷载作用下材料对抗变形行为能力；而η1则为材料在瞬时荷载作用后，产生的不可恢复的残余变形的黏性系数，通过对比不同材料该值的大小，就可以判断材料的抗变形能力[13]，它们共同组成了Maxwell元件。其中τt1=η1/E1称为松弛时间，材料的松弛时间越长则表明材料越接近理想弹性体[14]。

E2、η2则是在持久荷载作用下，材料的变形发展与恢复速度的黏弹性指标，表征沥青混合料的蠕变和延迟弹性能力。它们共同组成了Kelvin元件，其中τt2=η2/E2称为延迟时间，是一个材料常数，本质上反应了Kelvin元件中黏性与弹性成分的比例大小，同时也可用来对比不同材料的延迟弹性特征，延迟时间越短，则说明材料越符合弹性变形的特性。

三、ARSMA混合料设计参数

本试验采用新疆石河子提供的玄武岩集料，根据温拌ARSMA13混合料级配与体积指标温拌橡胶沥青混合料设计与成型，出料温度为180℃，实测空隙率为4%，且矿料间隙率≥18%，温拌剂Sasobit掺量为2%，混合料的油石比为6.5%，通过稳定性试验测得动稳定度为6750次/mm，设计级配如表1所示。

表1 ARSMA13合成级配

四、混合料高温性能试验分析

（一）蠕变特性试验

对Sasobit温拌改性橡胶沥青混合料（SAR-SMA13）与非温拌的橡胶沥青混合料（AR-SMA13），在规定的不同温度和不同围压水平条件下进行单轴静载压缩蠕变试验。试验参考《壳牌沥青手册》[15,16]推荐的单轴静载压缩蠕变试验方法。

采用应力控制模式加载试验，应力水平设为0.1MPa，平行试验试件数3个；旋转压实成型试件尺寸为180mm×150mm，然后钻芯取样，芯样试件尺寸为150mm×100mm；试验温度分别取40℃、60℃；围压分别取0kPa、20kPa；蠕变时间为60min；试验采用简单性能试验机(简称SPT)[17]。

（二）温度对混合料蠕变特性的影响

温拌橡胶改性沥青混合料蠕变特征随着温度的改变而改变。在高温环境下，温拌橡胶沥青混合料弹性减弱，而黏性提高。图2显示了不同温度、无围压条件下温拌橡胶沥青混合料单轴静载压缩蠕变试验得到的蠕变变形曲线。

图2 不同温度下单轴静载压缩蠕变

由图2（a）可知：当温度为40℃时，在无围压条件下，Sasobit温拌橡胶沥青与橡胶沥青混合料蠕变应变均表现为随时间增加而缓慢增加，但二者间的偏差总体不明显，表明在此温度下，Sasobit对橡胶沥青混合料高温性能提升有限，总体影响不明显。

由图2（b）可知：当60℃时，两种改性沥青混合料的蠕变应变均随荷载持续作用的时间增加而增加，其中橡胶沥青混合料在加载2000s后出现破坏（应变瞬时增大），而Sasobit温拌橡胶沥青的蠕变应变比较稳定，这说明在较高温度时，Sasobit降低了橡胶沥青的温度敏感性，因此混合料整体高温抗蠕变能力提升了。同时可以看出温拌橡胶沥青混合料的破坏状态，试件中部的“鼓型”压坏，表明随着温度的增加Sasobit增强了橡胶沥青混合料的高温稳定性。

根据蠕变试验结果，美国国家公路合作研究计划的研究项目NCHRP9-19指出：沥青混合料轴向应变存在最小变化率，最小变化率经历的时间被定义为流变时间(Flow time)，其反应了沥青混合料对于缓慢蠕变的抵抗能力。NCHRP的研究指出流变时间Ft、马歇尔动稳定度与车辙深度都能反映混合料的高温性能，但其中Ft与混合料的高温性能相关性最高，能够代表实际的抗车辙性能，若Ft越大，则表明混合料劲度越大，其相应高温抗车辙性能也越好[18]。

图3 60℃试件的流变时间Ft

两种混合料的Ft如图3所示，Sasobit橡胶沥青混合料的Ft约为橡胶沥青混合料的3倍，证明了有机降黏温拌剂在更高温度下增强了混合料的高温抗车辙性能。

（三）围压对混合料蠕变特性的影响

Kaliush[19]研究表明，骨支撑型沥青混合料，例如SMA，由于其集料骨架的交叉嵌挤作用需要侧限提供稳定的反力支点。因此，采用无侧限的抗压测试通常难以反应其真实的抗压蠕变性能，且和实际路面无侧限的受荷状态是相互违背的。因此，本研究进一步引入围压，在有侧限情况下考察混合料的蠕变特性。

图4 有侧限静态蠕变试验

参考国外围压设置与我国规范中的标准轴载[20,21]，我国有侧限蠕变试验一般取轴向压力0.7MPa，与此同时，在三向压缩测试仪中设置围压为138kPa，温度为40℃。本试验的目的是获取拟合黏弹性Burgers本构模型的相关参数，因此，参照《壳牌沥青手册》的试验方法要求[15]取0.1MPa，围压应力也按照此方法等比例缩小取20kPa，温度始终保持40℃，结果如图4所示。

从图4可以发现，随着围压增加混合料的高温蠕变变形不断降低，这更符合沥青路面服役条件下实际受力状态；Sasobit温拌橡胶沥青混合料在有围压条件下相对于橡胶沥青混合料蠕变变形大幅减小，最终蠕变柔量如图5所示，说明其在实际路面中的高温性能会相当优异。