废橡胶裂解炭黑改性沥青混合料的黏弹特性研究

冯振刚， 孙安石， 张东阳， 李新军， 栗培龙

(1.长安大学 公路学院， 陕西 西安 710064； 2.广东省交通规划设计研究院股份有限公司， 广东 广州 510507)

0 引言

废橡胶裂解炭黑(PCB)是废旧橡胶在高温条件下热分解得到的一系列裂解产物中的一种.采用PCB对沥青进行改性，不仅可以改善沥青混合料一些方面的性能，而且可以降低成本，提高废旧橡胶的回收利用率，具有良好的经济与环保效益[1-3].目前，针对PCB改性沥青混合料的性能研究主要是基于常规力学方法，获得的参数可以用于评价或预测沥青混合料的路用性能.然而，作为一种具有黏弹性质的材料，对PCB改性沥青混合料的黏弹特性进行研究有助于深入认识其在实际路面应用中对环境因素与行车荷载的动态响应.

动态模量与相位角作为表征沥青混合料黏弹特性的重要参数，能较好地反映沥青路面的实际受力状况与动态响应[4-7].简单性能试验机(SPT)利用动态试验方法可以测定沥青混合料的动态模量与相位角，从而用于评估沥青混合料的路用性能[8-9].赵延庆等[10]研究了荷载频率和温度对Superpave 20与SMA-13两种沥青混合料动态模量的影响，分析了不同荷载频率与温度下动态模量与相位角的变化；刘红等[11]利用SPT研究了掺入聚酯纤维的沥青混合料在不同温度及荷载频率下的动态模量；王昊鹏等[12]测试了两种高模量改性沥青混合料的动态模量，预测了两种高模量沥青混合料的高、低温性能.然而，基于SPT对PCB改性沥青混合料黏弹特性的研究还鲜有报道.

笔者选用PCB对密级配沥青混合料AC-13进行改性，制备了PCB改性AC-13沥青混合料.采用SPT分别测试了沥青混合料在不同温度与荷载频率下的动态模量和相位角，研究了PCB对沥青混合料动态模量及相位角的影响.通过数值分析方法拟合了PCB改性沥青混合料的动态模量和相位角主曲线，进一步分析了PCB对沥青混合料黏弹特性的影响.

1 试验过程

1.1 原材料

沥青，韩国SK-70#基质沥青，物理性能见表1；矿料为玄武岩类材质；废橡胶裂解炭黑，由废轮胎经高温裂解、超细化粉碎与表面活化而成，粒径约为150 μm.

1.2 混合料级配

废橡胶裂解炭黑改性沥青混合料(PCB/AC-13)采用与普通密级配沥青混合料(AC-13)相同的级配，沥青混合料的级配见表2.

表1 SK-70#沥青的物理性能

经试验确定AC-13的最佳沥青用量为4.51%，PCB/AC-13的最佳沥青用量为4.49%，炭黑用量为最佳沥青用量的10%.

1.3 试件制备

PCB改性沥青混合料通过干法制备，采用JGUS-200型旋转压实仪成型试件，两种沥青混合料试件的尺寸均为Φ150 mm×h170 mm，混合料拌和温度为180 ℃，旋转压实成型温度约为150 ℃，将成型试件进行钻芯取样，并切割成Φ100 mm×h150 mm的圆柱体试件.

1.4 SPT试验

采用SPT对上述圆柱体试件进行动态模量试验.依据《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》[13]规定，在4.4、21.1、37.8、54.4 ℃ 4个温度和25、10、5、1、0.5、0.1 Hz 6个频率下进行试验，按照由低温向高温、由高频向低频的顺序测得不同温度和不同频率下两种沥青混合料的动态模量和相位角.

表2 AC-13沥青混合料的级配

2 结果与讨论

2.1 PCB对沥青混合料动态模量的影响

PCB对沥青混合料动态模量的影响见图1.由图1可知，与AC-13相比，PCB/AC-13在不同温度和频率下的动态模量曲线呈现出相似的变化趋势，即随着温度的升高动态模量逐渐减小.这主要是因为温度较低时，沥青混合料呈现弹性特性，动态模量较大；随着温度的升高，沥青发生软化，粘结力下降，使得沥青混合料弹性逐渐减弱，黏性逐渐增加，由弹性逐渐向黏性转变，因而动态模量逐渐减小.

图1 PCB对AC-13动态模量的影响Fig.1 Influence of PCB on the dynamic modulus of AC-13

从图1中可以看出，PCB/AC-13的动态模量在较低温度时(4.4 ℃和21.1 ℃)明显大于AC-13，表明PCB的加入可以增大沥青混合料抵抗变形的能力.随着温度的升高，两种沥青混合料的动态模量差值逐渐减小.在相同荷载频率下，温度升高至一定程度时(54.4 ℃)，两种沥青混合料的动态模量趋近相同.这表明PCB/AC-13与AC-13在较高温度下，两者表现出的黏弹性能比较接近.

PCB/AC-13与AC-13的动态模量均随着荷载频率的降低而逐渐减小，温度越低，动态模量随频率的变化越明显(见图1).在较低温度时(4.4 ℃和21.1 ℃)，两种沥青混合料在不同荷载频率下的动态模量差值比较接近，动态模量曲线近似平行.当温度升至37.8 ℃时，PCB对沥青混合料动态模量的影响受频率的影响较为明显，从25 Hz到1 Hz，PCB/AC-13的动态模量相比于AC-13有所增大，且随频率的降低增大的幅度减小.当频率小于1 Hz时，PCB/AC-13与AC-13的动态模量曲线几乎重合.54.4 ℃时，PCB/AC-13与AC-13的动态模量比较接近，几乎不受频率的影响.这表明较低温度时(4.4 ℃和21.1 ℃)，频率对沥青混合料动态模量的影响较大，PCB对沥青混合料动态模量的提高作用受频率的影响不显著；随着温度的升高(37.8 ℃)，频率对沥青混合料动态模量的影响减弱，PCB对沥青混合料动态模量的影响依赖于频率的变化；当温度进一步升高(54.4 ℃)，频率对沥青混合料动态模量的影响很小，PCB对沥青混合料动态模量的影响几乎不受频率的影响.

2.2 PCB对沥青混合料相位角的影响

PCB对沥青混合料相位角的影响如图2所示.PCB/AC-13在不同温度和频率下的相位角呈现出与AC-13相似的变化趋势：在4.4 ℃和21.1 ℃时，两种沥青混合料的相位角均随着荷载频率的降低而逐渐增大；在37.8 ℃时，两种沥青混合料的相位角均随着频率的降低，表现出先增加后减小的变化趋势；在54.4 ℃时，两种沥青混合料的相位角均随着频率的降低而减小.这表明在较低温度时(4.4 ℃和21.1 ℃)，荷载频率降低，沥青混合料的黏性特征逐渐显著；当温度升高到一定程度时(37.8 ℃)，沥青混合料的黏弹性变化会在频率为5 Hz左右出现一个转折点，频率大于5 Hz时，沥青混合料随频率的降低黏性特征逐渐增强，频率小于5 Hz时，沥青混合料随频率的降低弹性特征逐渐增强；当温度继续升高到54.4 ℃时，荷载频率降低，沥青混合料的弹性特征逐渐显著.这是由于随着温度的升高，沥青混合料的黏性行为逐渐显著，随着荷载频率的降低，沥青混合料应力松弛所需要的时间增加.即高温状态时混合料对应力和应变的敏感程度不如低温状态时敏感，所以导致相位角在高、低温状态出现相反的趋势[14].此外，当温度升高和荷载频率降低时，沥青混合料会逐渐变软，此时矿料骨架作用增加并强于结合料的黏性作用，混合料中的矿料多呈现弹性特性，黏性性能不再明显，导致了相位角减小.

图2 PCB对 AC-13相位角的影响Fig.2 Influence of PCB on the phase angle of AC-13

从图2可以看出，与AC-13相比，在4.4、21.1、37.8 ℃下，PCB/AC-13的相位角在不同温度和频率下均有所减小，表明PCB的加入可以增大沥青混合料的弹性成分，弹性特征较为显著.在54.4 ℃下，PCB/AC-13的相位角在低频时略小于AC-13，随着频率的增大，两者的相位角趋于一致，表明高温PCB对沥青混合料黏弹特性的影响不大.

2.3 PCB对沥青混合料动态模量和相位角主曲线的影响

以21.1 ℃为参考温度，根据西格莫德函数，利用数值分析软件进行系数回归和检验,西格莫德函数模型：

(1)

式中：|E*|为沥青混合料动态模量的模；fr为缩减频率；δ为动态模量极小值的对数；α为动态模量极大值的对数；β、γ分别为回归参数.

在主曲线构成过程中，将各温度下的动态模量曲线平行移动，得到各个温度下的移位因子，如表3所示.在拟合过程中，获得各温度下的移位因子后，可计算出不同温度和频率所对应的缩减频率，结果见表4.最后利用Origin数值分析软件进行非线性拟合，拟合出西格莫德函数的回归参数，结果见表5.

表3 PCB/AC-13和AC-13的移位因子

表4 PCB/AC-13和AC-13的缩减频率

表5 动态模量主曲线的回归系数

根据回归结果，确定在参考温度21.1 ℃下AC-13与PCB/AC-13两种沥青混合料的动态模量和相位角主曲线，结果分别见图3和图4.由图3可知，两种沥青混合料的动态模量主曲线呈“S”型，通过分析动态模量主曲线可以确定两种沥青混合料在极端温度及荷载频率下的动态响应，也能表征任意温度和任意荷载频率下沥青混合料的黏弹特性.由图4可知，两种沥青混合料的相位角主曲线不是一条相对光滑的曲线.相位角主曲线可以直观地判别出沥青混合料的黏弹特性，将其与动态模量主曲线结合起来，能够全面地表征沥青混合料的动态力学特性.

由图3和图4可以看出，在图中“标定线”右侧(低于37.8 ℃)的频率范围内，即低温和高频时,PCB/AC-13的动态模量大于AC-13，而相位角小于AC-13.这表明在低温和高频时，PCB的加入使得沥青混合料的动态模量明显增大，相位角明显减小，弹性特征增强，黏性特征减弱.在图中“标定线”左侧(高于37.8 ℃)的频率范围内，即高温和低频时,PCB/AC-13的动态模量主曲线和相位角主曲线与AC-13基本重合，表明高温和低频时，PCB对沥青混合料黏弹性的影响不明显.

图3 PCB对AC-13动态模量主曲线的影响Fig.3 Influence of PCB on dynamic modulus master curve of AC-13

图4 PCB对AC-13相位角主曲线的影响Fig.4 Influence of PCB on phase angle master curve of AC-13

3 结论

(1)PCB改性沥青混合料的动态模量随温度的升高与荷载频率的降低逐渐减小，减小速率随温度的升高而减缓.PCB改性沥青混合料的相位角在较低温度时随着荷载频率的降低逐渐增大，当温度升高至一定值时相位角随着频率的降低，表现出先增加后减小的变化趋势，温度继续升高，相位角则随着频率的降低而减小.

(2)在低温和高频时，PCB的加入使得沥青混合料的动态模量明显增大，相位角明显减小，弹性特征增强，黏性特征减弱.高温和低频时，PCB对沥青混合料黏弹性的影响不明显.

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