橡胶颗粒改性沥青混合料黏弹性研究_余苗.pdf

书书书第 40 卷第 2 期2023 年 2 月公路交通科技Journal of Highway and Transportation esearch and DevelopmentVol.40No.2Feb 2023收稿日期:20210203基金项目:国家自然科学基金项目(51608085);重庆市自然科学基金面上项目(cstc2021jcyj-msxmX0554);长安大学中央高校基本科研道路结构与材料交通运输行业重 点 实 验 室 业务费专项 资金项目(300102210506);重庆交通大学研究生科研创新项目(2020S0014);重庆市研究生科研创新项目(CYS21348)作者简介:余苗(1982)，女，陕西汉中人，博士，教授(yumiaoym )doi:10.3969/j.issn.10020268.2023.02.001橡胶颗粒改性沥青混合料黏弹性研究余苗1，2，赵晓宁1，陈海峰3，孔令云1，吴传海4(1.重庆交通大学土木工程学院，重庆400074;2.长安大学公路学院，陕西西安710064;3.绍兴市公路与运输管理中心，浙江绍兴312000;4.广东华路交通科技有限公司，广东广州510080)摘要:为研究橡胶颗粒改性沥青混合料的黏弹性能，明确橡胶颗粒掺量对沥青混合料弹性变形及恢复能力的影响，在无侧限条件下采用沥青混合料性能试验机进行动态模量试验，测定混合料的动态性能在不同加载频率、不同加载温度以及不同橡胶颗粒掺量情况下的变化规律。首先，分析不同加载频率和温度下，混合料动态模量、相位角及车辙因子指标的变化规律。接下来，基于动态模量测试讨论不同橡胶颗粒掺量、不同加载频率以及不同加载温度下的橡胶颗粒改性沥青混合料的动态性能变化规律。结果表明:橡胶颗粒改性沥青混合料的黏弹性能较为明显，在低温高频时，混合料表现出更多的弹性性能，在高温低频时，混合料的黏性性质更为明显;少量橡胶颗粒的掺入，增加橡胶颗粒改性沥青混合料的弹性恢复能力，随着橡胶颗粒掺量增加，混合料弹性增强，可恢复变形增大，弹性恢复时间缩短;沥青混合料试件的动态模量随温度、荷载作用频率和橡胶颗粒掺量出现变动，在试件温度相同条件下，动态模量随着荷载加载频率加快而增大，反之，当荷载加载频率一定时，动态模量随着试件温度增加而减小;当试件温度处于 T=10，20，30，40，50 时，沥青混合料的抗车辙因子随荷载加载频率升高而增大。关键词:道路工程;黏弹性;动态模量;橡胶颗粒;抗车辙因子;相位角中图分类号:U414文献标识码:A文章编号:10020268(2023)02000107Study on Viscoelasticity of Crumb ubber Modified Asphalt MixtureYU Miao1，2，ZHAO Xiao-ning1，CHEN Hai-feng3，KONG Ling-yun1，WU Chuan-hai4(1 School of Civil Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;2 School of Highway，Chang an University，Xi an Shaanxi 710064，China;3 Shaoxing Highway and Transport Management Center，Shaoxing Zhejiang 312000，China;4 Guangdong Hualu Traffic Technology Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510080，China)Abstract:In order to study the viscoelasticity of crumb rubber modified asphalt mixture，clarify the influenceof crumb rubber content on elastic deformation and recovery ability of asphalt mixture，the dynamic modulustest is carried out with asphalt mixture performance testing machine under the unconfined condition todetermine the change rules of the dynamic performance of the mixture under different loading frequencies，different loading temperatures and different rubber particle contents.First，the variation rules of the dynamicmodulus of mixture，phase angle and rutting factor at different loading frequencies and temperatures areanalyzed.Next，the dynamic performance change rules of the crumb rubber modified asphalt mixture underdifferent crumb rubber contents，different loading frequencies and different loading temperatures arediscussed.The result shows that(1)The viscoelasticity of crumb rubber modified asphalt mixture is obvious，and the mixture shows more elastic properties at low temperature and high frequency，while the viscous公路交通科技第 40 卷properties of the mixture are more obvious at high temperature and low frequency.(2)The incorporation of asmall amount of crumb rubber increases the elastic recovery ability of the crumb rubber modified asphaltmixture，with the increase of crumb rubber content，the elasticity of the mixture is enhanced，the recoverabledeformation is increased，and the elastic recovery time is shortened.(3)The dynamic modulus of the asphaltmixture specimen changes with temperature，load frequency and crumb rubber content.Under the samecondition of the specimen temperature，the dynamic modulus increases as the load loading frequencyaccelerates，otherwise，when the load loading frequency is certain，the dynamic modulus decreases as thespecimen temperature increases.When the specimen temperature is 10，20，30，40，50，the rutresistance factor of the asphalt mixture increases with the increase of load loading frequency.Key words:road engineering;viscoelasticity;dynamic modulus;crumb rubber;anti-rutting factor;phase angle0引言工业生产和日常生活中对生产原材料的过量开采以及大量固体废弃物的产生，严重影响着生态环境。废旧轮胎的合理回收再利用是一种新型解决思路，将废旧轮胎加工成橡胶颗粒作为废旧轮胎再生处理方式，既维护生活环境，又减少废弃物的填埋堆积12。国内外在道路工程中运用次生材料已有大量实例和广泛经验。自 20 世纪 60 年代，已开展将废旧轮胎橡胶作为一种集料掺入到筑路材料的研究，发现废旧轮胎橡胶的掺入对沥青路面的使用性能有所提高，同时可以实现废旧轮胎资源化利用35。此外，为提高路面弹性和增强轮胎与路面的附着作用，在抗滑面层中掺入废旧轮胎中的橡胶作为填充材料，既能缓解轮胎难以降解，长期堆放易引起火灾的问题，又符合可持续发展的理念6。沥青混合料属于热敏感性黏弹性材料，动态模量是表征其黏弹性质的重要指标之一7。在不同温度范围下对沥青混合料进行黏弹性试验，研究表明:低温小变形范围内接近线弹性体，高温大变形范围下表现为黏塑性体，常温过度范围内呈现出一般黏弹性体，对沥青混合料路面的路用性能和使用寿命产生直接影响8。美国 AASHTO2002 设计中规定，动态模量|E*|可有效反映沥青混合料路面性能910。与此同时，美国 NCHP919 项目中一项关于沥青混合料黏弹性能研究发现:动态模量|E*|与车辙有较好的相关性，抗车辙因子|E*|/sin 与车辙也有密切关系，相位角 代表混合料应变落后于应力的响应程度1113。而我国交通运输部在“九五”期间就影响动态模量的因素方面进行相关研究，研究成果表明:试验温度、荷载频率及加载方式等为动态模量的主要影响因素，而且研究中发现荷载间歇时间对动态模量影响不大14。鉴于此，动态模量试验作为评价沥青混合料的高温性能以及黏弹性的方法，被国内外许多科研机构采用1517。动态模量|E*|可用复数模量形式来表示，如式(1)和式(2)所示:E*=E+iE，(1)或E*=|E|sin+|E|cos。(2)本研究旨在探讨橡胶颗粒改性沥青混合料在不同情况下的动态性能。具体而言，本研究选取橡胶掺量为=0%，3%，5.5%所配得橡胶颗粒改性沥青混合料1819，基于动态模量试验，分析其动态性能在不同加载频率、不同加载温度以及不同橡胶颗粒掺量情况下的变化规律，以期用来描述橡胶颗粒改性沥青混合料的黏弹性性质。1动态模量试验1.1试验材料(1)废橡胶颗粒:废橡胶颗粒相对密度为 1.101.30 g/cm3，本研究采用的废橡胶颗粒由 0.06 1.18 mm、1.182.36 mm 及 4.759.5 mm 这 3 种粒径按 1 4 5 的级配比例组成。废橡胶颗粒采用切削工艺成型，切面明显、棱角性强，有利于沥青间粘结。橡胶硬度能够反映橡胶颗粒在外力作用下抵抗变形的能力，与其力学性能密切相关，胎面胶的邵尔硬度在 5565 间，大于胎侧胶，从力学角度考虑选取胎面胶作为橡胶颗粒改性沥青混合料的重要组成材料。外掺橡胶颗粒会对原有骨架密实结构产生影响，骨架结构被撑开20，因此选用等体积内掺的橡胶掺配方式。(2)集料:玄武岩具有结构致密、抗压强度高等特点，可作为沥青混合料面层的优良材料。试验选2第 2 期余苗，等:橡胶颗粒改性沥青混合料黏弹性研究用玄武岩作为粗集料;细集料选用石灰岩;矿粉选用石灰岩磨制的矿粉;纤维选用北京某公司的絮状木质素纤维。(3)沥青:试验采用 SBS 改性沥青，其基本性能试验结果如表 1 所示。依据 公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTJ0522011)开展材料指标测试，测试结果各项指标满足技术规范要求。表 1SBS 改性沥青的基本性能Tab.1Basic performance of SBS modified asphalt性能指标试验结果技术要求针入度(25，100 g，5 s)/(0.1 mm)636080软化点/70.5465 延度/cm3125135 黏度/(Pa s)1.458闪点/302260溶解度(三氯乙烯)/%99.68离析(软化点差)/0.025 弹性恢复/%96薄膜加热条件下质量变化/%0.010.8薄膜加热条件下 25 针入度比/%76.261薄膜加热条件下 5 延度/cm27151.2橡胶颗粒改性沥青混合料设计橡胶用于沥青路面中有湿法和干法两种工艺。20 世纪 60 年代初，美国已进行两种工艺湿法和干法的对比，在多个州进行铺筑试验路21。干法相对于湿法，存在不易压实、性能不稳定的问题22，也具有较低施工温度、环境污染小、橡胶可掺量高的优势。干法工艺中可添加更高掺量橡胶颗粒，对更大限度提高路面弹性起到促进作用，因此采用橡胶颗粒干法工艺。本研究依据逐级填充理论，采用粗集料、细集料逐级捣实的方法，进行各级粒径间填充。以体积参数指标为评价依据进行混合料的橡胶颗粒掺入式、橡胶颗粒替换集料方式等因素对其面层的压实效果研究，从而确定更为准确的骨架嵌挤密实型级配设计方法及混合料最佳压实状态下的橡胶颗粒适宜掺量。最 终 采 用 橡 胶 颗 粒 掺 量 =0%，3%，5.5%，以内掺方式等体积替换沥青混合料中相应的集料颗粒。不同橡胶颗粒掺量试件体积指标如表 2 所示。1.3动态模量试验WITCZAK10 通过变化加载频率和温度，进行了表 2不同掺量橡胶颗粒试件体积参数Tab.2Volume parameters of specimen with differentcrumb rubber contents体积参数/%橡胶颗粒掺量/%0%3%5.5%VV4.03.74.3VMA16.516.116.4VFA75.777.874.7有无围压条件下试件的动态模量测试对比，得出沥青路面的永久变形与无约束的|E*|/sin 具有良好的相关性，但是在有围压条件下的试验结果相关性较差。因此本研究参照国内外的相关试验结果，依据 公路工程沥青及沥青混合料试验规程23，选用试验温度分别为 T=10，20，30，40 和 50，并在每个温度下分别测试 0.1，0.2，0.5，1，2，5，10，20，25 Hz 荷载作用频率共计 9 种频率，再利用沥青混合料性能试验机(AMPT)在无围压条件下进行动态模量试验，对混合料动态特性做出综合评价。其中橡胶颗粒掺量为 =0%，3%，5.5%的动态模量|E*|、相位角 和车辙因子|E*|/sin。试验条件参数如表 3 所示。表 3CM 沥青混合料动态性能试验参数Tab.3Dynamic performance test parameters of CMasphalt mixture项目试验参数设计孔隙率/%4应力水平50150 轴向动态应变对应的应力橡胶掺量/%0，3，5.5试验频率/Hz0.1，0.2，0.5，1，2，5，10，20，25测试温度/10，20，30，40，502试验结果及分析2.1动态模量|E*|图 1 为橡胶颗粒掺量为=0%，3%，5.5%的橡胶颗粒改性沥青混合料动态模量|E*|与荷载加载频率 V 的关系曲线。从图 1 可以看出。(1)处于相同温度 T 时，随着荷载加载频率 V加快，橡胶掺量为=0%，3%，5.5%沥青混合料试件的动态模量|E*|均有不同程度的提高，即|E*|随着 V 加快而增大。分析原因:沥青混合料属于黏弹性材料，外部荷载应力作用使其存在一定的变形滞后，随着荷载加载频率 V 加快未能及时释放的能量逐渐3公路交通科技第 40 卷图 1各种混合料不同温度时的动态模量Fig.1Dynamic moduli of various mixtures at different temperatures增多，故沥青混合料动态模量|E*|增大。其次，掺入橡胶后沥青逐渐成为橡胶改性沥青，橡胶沥青是一种温感性材料，温度较低时流动性降低黏度增大，相同应力的应变变小，弹性成分表现得越突出，橡胶颗粒改性沥青混合料主要呈弹性性质。故掺入橡胶后沥青混合料的动态模量|E*|同样呈增大趋势。(2)从动态模量试验结果中还可以看出，相较于未掺橡胶沥青混合料的动态模量|E*|，橡胶掺量=3%时沥青混合料的动态模量|E*|升高，橡胶掺量=5.5%时下降，即橡胶颗粒掺量=5.5%沥青混合料相对于橡胶颗粒掺量 =3%沥青混合料的动态模量|E*|呈下降现象。这说明沥青混合料中掺入少量橡胶颗粒，沥青混合料变形将有效减少，从而增大混合料整体刚度。其中，橡胶颗粒的模量远比集料小，掺入橡胶颗粒后，橡胶颗粒与沥青间均匀融合，实现内部结构稳态。但随其掺量 逐渐增加，亦会造成同沥青融合不饱和状态，产生“团聚”现象，沥青混合料整体刚度将会降低。因此，橡胶掺量 =5%沥青混合料的动态模量|E*|相对于橡胶掺量 =3%沥青混合料的动态模量|E*|下降;从荷载加载频率 V 与动态模量|E*|角度上看，荷载加载频率 V 较高时沥青混合料的黏性特征不再明显即更接近于弹性变形，此时主要体现在集料本身对动态模量|E*|的影响。以上说明当试件温度30 T50 ，荷载加载频率 V20 Hz 处于较高频率时，橡胶掺量 =3%沥青混合料试件对比另外两种橡胶掺量情况的动态模量|E*|增加趋势显著。2.2相位角 相位角 为沥青混合料黏弹性的一个量化值24。橡胶掺量分别为 =0%，3%，5.5%的橡胶颗粒改性沥青混合料，其相位角 在不同温度下的变化情况如图 2 所示。从图 2 可以看出。(1)当试件温度在 T30 时，3 种沥青混合料试件的相位角 随荷载加载频率 V 增加而减少，这是因为沥青混合料在试件温度 T 较低时主要呈弹性特征促进其弹性形变恢复，其次荷载加载频率 V 越快，当最大应变尚未达到，荷载已开始下一周期作用，使得整体弹性变形量减少即刚度变大，因此相位角 呈随荷载加载频率 V 增加而减少的趋势;当试件温度在 T=40，50 及 T=30 (橡胶掺量=0%，3%)时，此时试件处于温度较高情况，3种沥青混合料试件随着荷载加载频率 V 加快，相位角 变化复杂均呈先增大后减小的趋势，且试件温度处于 T=40，V=5 Hz 及 T=50，V=10 Hz 时相位角 出现下降。分析原因:由于沥青混合料在高温时表现为黏性特征，即受到荷载作用后变形迟滞现象明显，变形越难恢复，而较低荷载加载频率 V可促进沥青混合料内部高分子材料运动，因此相位角 呈先增大后减小的趋势。(2)掺入橡胶颗粒后沥青混合料相位角 发生明显变化，其中橡胶掺量为 =0%沥青混合料试件的相位角 最大。由于橡胶颗粒是一种高弹4第 2 期余苗，等:橡胶颗粒改性沥青混合料黏弹性研究图 2各种混合料不同温度时的相位角Fig.2Phase angles of various mixtures at different temperatures性材料，以等体积法掺入沥青混合料后，当处于正弦波形荷载作用时，橡胶颗粒改性沥青混合料比未掺橡胶沥青混合料的弹性变形恢复快，说明无橡胶掺入的沥青混合料试件对外力作用下的力学响应滞后时间最长，因此未掺橡胶沥青混合料相位角 最大。2.3抗车辙因子|E*|/sin 抗车辙因子|E*|/sin 可由动态模量|E*|和相位角 计算得到。橡胶颗粒掺量为=0%，3%，5.5%，橡胶颗粒改性沥青混合料抗车辙因子|E*|/sin 的变化趋势如图 3 所示。图 3各种混合料不同温度时的车辙因子Fig.3utting factors of various mixtures at different temperatures从图 3 可以看出。(1)不同试件的抗车辙因子|E*|/sin 与动态模量|E*|具有相似变化趋势，当试件温度 T 相同时，沥青混合料试件的抗车辙因子|E*|/sin 随着荷载加载频率 V 加快而增大。在试件温度 T 处于低温条件下，=5.5%橡胶掺量沥青混合料试件的抗车辙因子|E*|/sin 明显较低，原因在于掺入过量橡胶无法充分反应，橡胶颗粒与沥青界面易产生应力集中现象。低温时沥青路面整体刚度会变大出现开裂病害，且抗车辙因子|E*|/sin 对沥青混合料低温开裂参考价值不大。故本试验主要对试件温度 T 处于高温条件下的抗车辙因子|E*|/sin 进5公路交通科技第 40 卷行对比分析。(2)当橡胶颗粒含量 =3%时，沥青混合料试件的抗车辙因子|E*|/sin 随 T 升高而增大，且增大趋势远高于另外 2 种沥青混合料试件;当橡胶颗粒含量 =0%，5.5%时，抗车辙因子|E*|/sin 基本持平。分析原因:掺入少量橡胶颗粒起到了填充沥青混合料空隙的效果，从而提高了混合料的密实程度，对路面刚度也有增大作用，因此随着温度 T 升高抗车辙因子|E*|/sin 增大;随着橡胶掺量增加，沥青无法满足与过量橡胶颗粒反应，因此表现为一定幅度下降。3结论本研究采用等体积内掺的橡胶颗粒掺配方式，采用粗集料、细集料逐级捣实的方法，橡胶掺量为=0%，3%，5.5%制备的沥青混合料试件，在无侧限条件下选用 AMPT 进行动态模量试验，分析橡胶颗粒改性沥青混合料动态模量|E*|、相位角 、车辙因子|E*|/sin 指标，在不同荷载加载频率以及不同加载温度情况下的变化规律。研究得出以下结论。(1)沥青混合料试件的动态模量|E*|随温度、荷载作用频率和橡胶颗粒掺量出现变动。当试件温度 T 相同时，动态模量|E*|随着荷载加载频率 V 加快而增大;反之，当荷载加载频率 V 一定时，动态模量|E*|随着 T 增加而减小。其中橡胶掺量=3%时呈现出最高动态模量|E*|;橡胶掺量=5.5%时，动态模量|E*|随试件温度 T 升高而呈现减缓趋势。(2)当试件温度 T20 下，相位角 随荷载加载频率 V 加快而减小;在试件温度 T=30 左右，=0%，3%橡胶掺量沥青混合料试件随荷载加载频率增高，相位角 先呈增大趋势后有所减小;当试件温度 T40 时，3 种沥青混合料试件的相位角 随 V 加快均呈现先增大后减小的现象。(3)在试件温度 T=10，20，30，40，50 下，混合料的抗车辙因子|E*|/sin 随着荷载加载频率 V 升高而增大。这说明沥青混合料中掺入少量橡胶颗粒对其空隙起到填充作用，提高了混合料的密实程度。(4)废旧橡胶颗粒与沥青在高温下的反应处于不稳定状态，为保证橡胶沥青及混合料的生产质量，橡胶沥青及混合料的生产、施工比一般沥青混合料要求更加严格。上述试验表明:当橡胶颗粒掺量由0%增加到3%时，混合料的抗车辙因子|E*|/sin 增加明显，即混合料高温性能改善显著，而橡胶颗粒掺量超过 5%时，混合料的抗车辙因子|E*|/sin 明显较低。因此，从路用性能角度考虑，在实际工程应用中建议橡胶颗粒掺量=3%作为最优掺量。参考文献:eferences:1杨志峰，李美江，王旭东 废旧橡胶粉在道路工程中应用的历史和现状 J 公路交通科技，2005，22(7):1922YANG Zhi-feng，LI Mei-jiang，WANG Xu-dong TheHistory and Status Quo of ubber Powder Used Inoadbuilding J Journal of Highway and Transportationesearch and Development，2005，22(7):1922 2YU M，WU G X，LIU W，et al The Shaping Processesearch on Crumb ubber Modified Asphalt Mixture J Applied Mechanics and Materials，2012，178181:15681572 3ZHANG Q Effect of Grading Type on the Performance ofWarm-mixubber-asphaltMixture C /IOPConference Series:Earth and Environmental Science Sl:IOP Publishing Ltd，2020，526:012152 4ZHU J Q，MA T，DONG Z Evaluation of Optimum MixingConditions for ubberized Asphalt Mixture Containingeclaimed AsphaltPavement J ConstructionandBuilding Materials，2020，234:117426 5MOENO F，UBIO M C，MATINEZ-ECHEVAIA MJ Analysis of Digestion Time and the Crumb ubberPercentage in Dry-process Crumb ubber Modified HotBituminousMixesJ ConstructionandBuildingMaterials，2011，25(5):23232334 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