橡胶沥青沥青与沥青混合料低温性能评价研究

庞莹

南阳通途公路勘察设计有限公司 河南 南阳 473000

摘要：橡胶沥青不仅可以改善低温性能，还可以起到降低成本且有利于保护环境。为了进一步明确橡胶沥青的低温性能，本文对橡胶改性沥青的改性机理进行了详细阐述，并分析了其评价指标，指出了用于橡胶沥青和沥青混合料低温性能评价的优缺点，为道路材料设计和施工提供参考。

关键词：橡胶沥青；改性机理；沥青混合料；低温评价

1  引言

低温开裂是寒冷地区沥青路面最突出的病害形式之一。当温度降低时沥青路面结构内部产生的温度拉应力超过材料本身的抗拉强度时将产生裂缝，大大缩短了沥青路面的服役寿命。沥青路面的抗裂性能与沥青和沥青混合料的性能密切相关。有研究认为橡胶沥青可以抑制或降低路面温缩裂缝，1960s，在美国橡胶已经作为改性剂用于路面；目前，废旧橡胶粉不仅用作改善沥青性能的改性剂，还有利于经济和环境。橡胶沥青温度敏感性弱，低温下劲度模量减小且弹性恢复性能优。有研究表明：橡胶改性沥青的韧性增加且弯拉强度提高，改善了沥青路面的低温抗裂性能。

橡胶沥青作为改性剂加入基质沥青，目前主要有干法和湿法两种。有研究已经证实，进行湿法改性可以有效改善沥青路面的低温抗裂性能。改性过程中橡胶颗粒吸收基质沥青的轻质组分的体积变大，是原来体积的3-4被，溶胀过程中橡胶粉和基质沥青相互作用程度直接影响着性能改善程度。另外还有很多影响橡橡胶改性沥青的因素，包括：基质沥青种类、橡胶粉含量、橡胶粉类型和粒径、制备工艺参数（反应时间、反映温度、拌合方式等）。选择正确的生产工艺想着影响橡胶沥青性能，也可以根据需要加入更过种类的改性剂综合提高基质沥青性能。

评价橡胶沥青的低温性能，最早采用脆化点温度，极限劲度值等，有研究认为传统的方法不能精确的评价沥青的低温力学行为。提出了Superpave 规范中的弯曲梁流变仪(BBR)和间接拉伸试验（DDT）相结合的方法表征，采用DDT试验得到的失效应变不小于1%来控制低温开裂，同时BBR试验得到的60S时的劲度值S不能大于300MPa，蠕变速率大于0.3，DTT 试验是在低温条件下测量沥青结合料的低温最大拉伸应变，试样采用RTFOT 及PAV 老化后的沥青，低温下以1.0mm／min 的速率进行拉伸。DTT 试验只是评价沥青性能的辅助方法，一般只进行BBR 试验即可评价出沥青的低温性能，当需要对沥青低温脆裂温度进行进一步评价时往往进行DTT 试验。这一方法适用于多数基质沥青低温性能评价，但是不能很好地评价某些物理和化学改性沥青，因此提出了由BBR和DTT确定的临界开裂温度来控制沥青的低温开裂。

对于沥青混合料的低温性能评价，没有可靠的能直接得出沥青路面由于产生温度应力受限制而开裂时的温度。SHRP采用温度应力约束试件试验（TSRST）评价沥青混合料的低温抗裂能力，这一试验仅仅用来评价温缩裂缝，没有考虑交通荷载的影响。间接拉伸试验（IDT）也被开发用来评价沥青混凝土低温抗裂性能，目前被认为间接拉伸试验可以有效的预估低温性能。基于断裂力学的断裂试验是一种有效的方法，主要应用于模拟裂纹发展的过程，主要方法有半圆弯曲试验（SBC）、圆盘形紧凑拉伸试验（DCT）和预切口的小梁弯曲试验等。

本文主要研究影响橡胶沥青沥青低温性能的因素。包括橡胶沥青抗裂机理分析及关键影响因素分析。

2  橡胶沥青抗裂机理

2.1  橡胶沥青加入基质沥青的机理

橡胶沥青是一种复合材料，包括包括天然橡胶，合成橡胶、炭黑、芳烃等。炭黑发挥强化作用，芳烃含量增加橡胶的柔软性和可加工性。同样地，沥青是一种化学成分复杂的胶体物质，一般分为四个部分，即：沥青质、芳烃、树脂和饱和物。

一些研究者指出橡胶沥青加入基质沥青发生的相互作用主要有两种：橡胶颗粒的溶胀和降解（脱硫）。橡胶颗粒膨胀吸收芳香物质使其体积增加两倍或三倍，高温下作用下成为凝胶状材料。有人注意到粘结剂与橡胶颗粒间的物料交换在相互作用过程中是非化学反应。橡胶沥青溶胀吸收基质沥青的轻质组和芳香分，降低了改性沥青中的自由轻质组分含量。橡胶改性沥青的温度敏感特性明显下降，低温性能得到改善；另外，橡胶橡胶中的炭黑颗粒渗透到基质沥青中改善了沥青的高温性能，橡胶颗粒与基质沥青相互作用形成连续的或交叉的三维空间网络结构，节点网络结构可以提高橡胶沥青低温松弛性能与低温性能的改善。

针对基质沥青及不同制备参数研究对橡胶颗粒在基质沥青的溶解程度和溶解速率进行了研究，认为反应时间、温度和搅拌速率对橡胶粉的溶胀有重要影响，同时，橡胶粉颗粒对改性沥青性能具有决定性作用，溶胀时间随着橡胶颗粒的增加而增长。此外，基质沥青的酸度和芳香性对橡胶溶解度度和速率有积极影响。然而，有人认为，在橡胶颗粒与基质沥青之间的交换中可能存在化学反应，可通过计算基质沥青粘度变化，确定发生的反应类型，这种反应不仅促进了橡胶颗粒溶胀。

有文献还表明，橡胶粉在基质沥青中的局部分散现象是脱硫或解聚，这种反应破坏了基质沥青与橡胶粉之间的粘结，降低了分子量。在高搅拌速率和高温极端反应条件下，橡胶粉脱硫并溶解在基质沥青中，橡胶粉的S—S键或S—C键形成的网络结构被破坏，这可能是由于S—S键或S—C键在高温下不稳定容易断裂，有人得出结论，只有在160℃温度下，橡胶颗粒才会溶胀，当反应温度超过200℃时高分子化合物开始在基质沥青中溶解。

2.2  橡胶沥青的低温开裂机理

在基质沥青中加入橡胶粉已经是一种成熟的技术，橡胶粉因其独特的性质使其在低温下能保持弹性，对温度不敏感。低温下，橡胶粉改性沥青据哟相对小的劲度模量，改善了低温抗裂性。

有文献表明沥青结合料的脆化点温度表明了沥青的低温性能，如图1所示。可以看出，橡胶改性沥青的脆化点温度最低，在寒冷地区具有更强的低温抗裂性能。主要原因是橡胶颗粒具有良好的弹性，橡胶颗粒可以作为应力集中点增强低温冲击强度，微裂缝不会发展成破坏性裂纹，可以起到阻止裂缝扩展的作用。因橡胶颗粒在低温下具有良好的弹性，可作为基质沥青的弹性填料。

3 橡胶沥青混合料的低温性能评价

沥青路面抗裂与材料低温性能指标一直是国际道路学术领域的重要研究内容，采用什么样的指标来评价沥青混合料的低温抗裂性，以控制或预防沥青路面的温缩裂缝，仍然没有一种统一的方法。

现在国内外对于沥青混合料低温抗裂性能的试验研究方法主要有：控制应变加载的破坏试验（间接拉伸试验、弯曲、压缩试验）、直接拉伸试验、弯曲蠕变试验、受约束试件的温度应力试验、三点弯曲J积分试验、C*积分试验、收缩系数试验、应力松弛试验等。其实，要保证沥青混合料的低温抗裂性，也就是要保证两个条件：一方面看其在低温下的变形能力；另一方面看其在低温断裂时所能承受的断裂拉力的大小。上述试验方法基本都是针对这两种力学模式进行设计的。

在沥青混合低温性能抗裂测试与评价方面，60年代初加拿大开始对沥青混合料面层的低温收缩开裂进行了系统研究，结果表明，低温是引起沥青路面开裂的原因，使用低温流动性好的沥青可以减少这种横向开裂的产生。美国SHRP优先推荐约束冻断试验（TSRST），这种方法能较好模拟路面温缩裂缝的受力过程，反映路面温度的变化，能较为全面的放映极端气候各种因素对沥青混合料低温性能的影响。另外，在SHRP计划中，还提交了“沥青低温性能研究”报告，最早将弹塑性力学中的断裂判据J-积分作为评价沥青混合料低温性能的指标。

我国有些研究者对于沥青混合料的低温性能开展了一系列的室内试验研究，包括应力松弛试验、低温低频疲劳试验、等应变速率加载的弯曲及劈裂试验等，进一步提出采用低温蠕变速率来评价沥青混合料的低温抗裂性能。但是，研究者对这一指标持有不同意见；有的研究者认为，使用断裂试验得到的应变能评价沥青路面开裂更合理，也有人认为，低温断裂试验中受限试件的受力情况与实际不一致。郝培文^[1]在研究沥青混合料的抗裂性能时，提出了使用低温抗裂系数评价沥青路面低温性能的方法，低温抗裂系数越大，抗裂性能越好。谭忆秋[i]等研发了一种在低温条件下测试沥青混合料冻断的设备，可以同时考虑沥青混合料的收缩、应力松弛等，可较好的评价沥青混合料的低温抗裂性能。

总结国内外有关评价沥青混合料低温开裂性能主要的试验方法有：低温弯曲破坏试验、间接拉伸试验、低温弯曲蠕变试验、直接拉伸试验、应力松弛试验、低温收缩试验、约束试件的温度应力试验、带切口试件的弯曲试验、J积分等。其实，要保证沥青混合料低温抗裂能力，也就是要保证两个条件：一是看其在低温下的变形能力；一是看其在低温断裂时所能承受的断裂拉力的大小。以上试验方法都是基于这两种力学模量进行设计的。

4  小结

橡胶沥青具有较好的低温性能，BBR试验可以较好的评价沥青的低温性能。对于沥青混合料低温性能的评价不同的试验方法各有优缺点，半圆弯曲试验（SCB）内部的受力情况更接近实际情况，可以更合理的评价沥青混合料的抗裂性能。

参考文献：

[1]    郝培文,张登良.沥青混合料低温抗裂性能评价指标的研究[J].公路, 2000(5):63-67.

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