多重应力蠕变恢复试验（MSCR）测定橡胶-SBS复合改性沥青性能

郭怀存

（1甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030；2甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司，甘肃 兰州 730203）

甘肃省自然区划主要包含陇东、陇中黄土高原地区、河西戈壁沙漠地区、祁连山高寒阴湿地区及陇南多雨地区三个大区，全省年太阳辐射值大约在4800～6400mL/m2左右，全年最高温为42.8℃、最低温为-29.3℃，温差可达72.1℃。境内地形复杂，山脉纵横交错，海拔相差悬殊，高山、盆地、平川、沙漠和戈壁等兼而有之，是山地型高原地貌；从东南到西北包括了北亚热带湿润区到高寒区、干旱区等各种气候类型，是典型的复杂地质气候条件区域。

复杂地质气候条件下公路建设中更加要注重材料的选取，沥青作为公路建设中不可缺少的原材料对公路的质量有着举足轻重的作用，不同的区域及气候条件下应该选择不同的沥青，不能采用统一的标准。传统的PG方法对改性沥青的评价有着天然的缺陷，即假定交通量一定，在交通量或者行车速度变化时采用越级方式去选取沥青，具有一定的不合理性。多重应力蠕变恢复试验（MSCR-Multiple Stress Creep and Recovery）是一种改性沥青的测试试验方法（ASTM D7405-08），是在不同应力条件下测试改性沥青的粘弹特性，并将粘性变形从沥青材料中分离出来，以此来区分改性沥青的质量[1]。沥青作为粘弹性材料，在剪切蠕变荷载作用下，产生的变形包括瞬时弹性变形、延迟弹性变形以及粘性变形，其中粘性变形作为不可恢复变形，其变形值与所施加的剪切应力的比值称为不可恢复蠕变柔量[2]。美国沥青研究所环道试验结果表明，此值与车辙深度的相关系数达到0.75[3]。因此，利用MSCR试验进行改性沥青的研究具有重要的意义。

1 原材料、仪器与试验方法

1.1 原材料

本文采用的基质沥青为中海油90#沥青，SBS改性沥青改性剂为燕山石化1301，进行SBS改性沥青室内合成，其技术指标分别见表1、表2所示。

表1 中海油90#沥青

表2 燕山石化SBS改性剂1301

废轮胎橡胶粉：40目，泰安铭颖复合材料有限公司生产。

1.2 实验仪器

剪切机：上海威宇BME100L剪切乳化机。

沥青剪切流变仪（DSR）：美国TA公司AR1500型高级流变仪。

1.3 试验方法

多重应力蠕变恢复试验（MSCR）：在0.1kPa和3.2kPa剪切应力下分别进行10次蠕变恢复试验，蠕变1s，恢复9s，试验温度为64℃，然后根据采集的应变计算不同应力下的Jnr以及Jnr随应力的变化率Jnr-diff[4,5]。其计算方法如下：

其中：ε0—初始变形；εr—经过9s回复后剩余变形；δ—剪切应力；

Jnr—不可恢复蠕变柔量；Jnr−diff—不可恢复蠕变柔量随应力变化率；

重复蠕变恢复试验：在0.1kPa剪切应力下进行蠕变1s，恢复9s的蠕变恢复试验，重复进行100次，采集最终的累计应变。

2 试验结果分析

2.1 多应力蠕变试验

图1、图2、图3分别是普通SBS改性沥青、废橡胶粉（CR-crumb rubber）改性沥青以及橡胶-SBS复合改性沥青三种沥青的MSCR试验结果。其中横坐标是该实验的全局时间，纵坐标是改性沥青发生的应变。

图1 SBS改性沥青

图2 橡胶改性沥青

图3 橡胶-SBS复合改性沥青

图4、图5、图6分别是三种改性沥青不同MSCR试验结果分析。

图4 不同SBS掺量的SBS改性沥青

图5 不同CR掺量的橡胶改性沥青

图6 不同SBS掺量的复合改性沥青

由图4、图5、图6可以看到，对于这三种沥青，3.2kPa下的Jnr均大于0.1kPa下的Jnr，说明Jnr对剪切应力具有依赖性，且随剪切应力增加而增加，即：剪切应力影响沥青的抵抗高温变形能力。这为选择重载或长陡坡路段地区的改性沥青提供了有力的依据与解释。

随着改性剂掺量的增加，两种应力水平下的Jnr都呈现下降的趋势，说明其粘性变形会随着改性剂的增加而减少，也即改性剂掺量越高，其具有更好的抗高温变形能力。其中复合改性沥青其两种应力下的Jnr均要比单组份改性沥青小约一个数量级（图6），表明复合改性沥青具有更好的抗高温变形能力。但是，对于普通的SBS改性沥青以及橡胶改性沥青，其Jnr随应力的变化率Jnr-diff值随改性剂掺量增加呈现上升趋势，说明虽然改性剂掺量越高，其具有更好的抗高温变形能力，但是其粘性变形对剪切应力的依赖也越重。而橡胶/SBS复合改性沥青则呈现下降趋势，表明其粘性变形对剪切应力的依赖程度较低。

2.2 重复蠕变试验

图7 不同改性沥青重复蠕变试验结果

通过图7所示重复蠕变试验结果可以看到，SBS改性沥青、橡胶沥青、橡胶-SBS复合改性沥青100次蠕变恢复试验累计变形分别为157.5%、764.9%、7.8%，与单组份改性沥青相比，橡胶/SBS复合改性沥青具有更加优异的高温抗变形能力。

ASTM D7405-08虽然形成了MSCR试验规范，但是目前沥青结合料规范中还没有引用到该试验结果，而美国沥青研究所（AI）则是给出一个建议值，即把PG64的改性沥青根据荷载量大小分为四个等级[3]（表3），结合图8所示，SBS改性沥青、橡胶沥青和橡胶/SBS复合改性沥青三种沥青的Jnr-diff值均低于0.75，为合格的PG64改性沥青，但是Jnr(3.2kPa)的数据结果三者分别为1.43KPa、1.52KPa和0.05Pa，表明虽然提高SBS改性剂掺量也可以适用于重载交通或长陡坡路段，但是过高掺量会带来生产以及施工等多方面的不便以及不可控性，导致路面质量的降低。而如果采用橡胶粉/SBS复合改性沥青，由于其较低的高温高应力下的不可恢复蠕变柔量，会更加适合于高温重载路段。而MSCR试验也为区分改性沥青的这一性能提供了重要方法和依据。

表3 PG64改性沥青建议标准

图8 不同改性沥青重复蠕变试验结果分析

3 结 语

通过多重应力蠕变恢复试验（MSCR）发现，相比较于SBS改性沥青和橡胶粉改性沥青，橡胶-SBS复合改性沥青具有更低的不可恢复蠕变柔量值Jnr，并且其随应力的变化率Jnr-diff不会随着改性剂掺量的增加而增加，说明橡胶、SBS复合改性沥青具有更好的高温抗变形能力以及对剪切应力较低的依赖程度，适用于甘肃省复杂地质气候条件如高温重载或长陡坡路面修建；MSCR试验也为此类地质气候条件下改性沥青的选择提供合理的依据。

[1]ASTM D7405-08.Standard Test Method for Multiple Stress Creep and Recovery(MSCR)of Asphalt Binder Using a Dynamic Shear Rheometer[S].

[2]丁海波,徐大卫.多应力蠕变恢复试验的流变分析[J].公路交通科技,2014,(12):20-24+30.

[3]John D’Angelo.Guidance on the Use of the MSCR Test with the M320 Specification[R]Asphalt Institute Technical Advisory Committee.KENTUCKY:2010

[4]蔡莉莉.利用多应力重复蠕变恢复(MSCR)方法评价改性沥青胶结料高温性能[J].石油沥青,2013,(06):21-24.

[5]陈林,王树杰.沥青胶浆的MSCR试验研究[J].石油沥青,2016,(05):49-52.