基于改进MSCR试验的胶粉SBS复合改性沥青高温蠕变恢复特性研究

陈永锋， 耿德华， 陆志红， 杨晓华， 袁松年， 周 洲

(1.江苏先达建设集团有限公司， 江苏 常州 213000； 2.常州市市政工程管理中心， 江苏 常州 213000；3.东南大学 道路交通工程国家级实验教学示范中心， 江苏 南京 211189； 4.东南大学 交通学院， 江苏 南京 211189)

SBS与胶粉复合改性沥青可以使SBS与胶粉这两种改性剂优势互补，生产出性能更加优良的改性沥青，提升沥青路面使用性能，满足交通量大、轴载重、气候变化大的现代交通要求；回收利用复合改性沥青中使用的胶粉，可以消耗废旧轮胎、保护环境、回收资源，一举多得[1-2]。然而目前国内外学者对于胶粉与SBS复合改性沥青的研究还处于起步阶段，需要深入探讨的问题还有很多，如：如何准确评价胶粉/SBS复合改性沥青的高温流变性能，并对其进行性能分级，对胶粉/SBS复合改性沥青的应用十分重要[3-5]。

当前，国内外研究者发现，现有的沥青性能分级规范并不适用于改性沥青。为此，多应力蠕变恢复试验(MSCR)被提出并被用于评价改性沥青的高温性能，MSCR试验分别在0.1 kPa和3.2 kPa下对沥青进行蠕变恢复循环加载，根据沥青在两个应力下的蠕变恢复情况分析沥青材料的高温蠕变特性[6]。国内外学者对MSCR试验评价改性沥青高温性能进行了广泛研究。总体而言，MSCR试验能够准确评价改性剂掺量较低的改性沥青高温性能，但对于改性剂掺量较高的改性沥青，如胶粉/SBS复合改性沥青，在3.2 kPa应力下可能仍然处于线弹性区域，不能反映改性沥青在重载交通下所受的应力或应变处于非线性区域的状态，因此学者们如Jafari、Golalipour等[7-8]均建议针对胶粉/SBS复合改性沥青这类改性剂掺量较高的沥青材料，应对标准MSCR试验进行改进，使用比3.2 kPa更大的应力对改性沥青进行蠕变恢复加载，从而准确反映其高温性能。目前，建议使用的应力为10 kPa或12.8 kPa。改进后的MSCR试验评价指标和指标的敏感性还有待进一步研究。

为准确评价胶粉/SBS复合改性沥青的高温性能，首先制备胶粉/SBS复合改性沥青，然后对制备的复合改性沥青进行改进的MSCR试验，对复合改性沥青在各应力水平下的蠕变恢复特性进行分析，提出适用于评价胶粉/SBS复合改性沥青高温性能的试验指标，评价胶粉对SBS复合改性沥青高温性能的改善效果。

1 原材料与试验

1.1 原材料

1.1.1沥青

研究使用的沥青为SBS改性沥青，SBS改性剂掺量为4.5%。根据试验规范对沥青的性能指标进行试验，试验结果见表1。

表1 SBS改性沥青技术指标测试结果类别针入度(25 ℃,100 g,5 s)/0.1 mm延度(5 ℃,5 cm·min-1)/cm软化点(环球法)/℃布氏黏度(135 ℃)/(Pa·s)薄膜加热TFOT(163 ℃, 5 h)TFOT后质量损失/%TFOT后针入度比(25 ℃)/%TFOT后延度(5 ℃,5 cm·min-1)/cm检测结果482677.51.620.207720试验方法T 0604-2011T 0605-2011T 0606-2011T 0625-2011T 0609-2011T 0604-2011T 0605-2011技术要求40～60≥20≥60≤3±1.0≥65≥15

1.1.2废胶粉

废旧橡胶在机械作用下加工成胶粉(CR)，胶粉的生产主要有干法粉碎(常温粉碎法、低温粉碎法)和湿法粉碎等方法。本研究中普通废胶粉是通过常温粉碎法制成，其目数为30目。将胶粉直接加入沥青中制备的橡胶沥青，由于其液固两相体系和高黏度特性导致储存稳定性与施工和易性较差，造成施工困难，所以需对橡胶沥青进行进一步改性。本研究将普通30目橡胶粉在密炼机中高温熟化，制备成高聚熟化胶粉(MCR)，改善了胶粉与沥青的共溶性，其技术指标如表2所示。胶粉的掺量为SBS改性沥青质量的6%、9%、12%、 15%和18%(制备的复合改性沥青简称为6%MCR、9%MCR、12%MCR、15%MCR和18%MCR)。

表2 高聚熟化胶粉技术指标项目相对密度颗粒的单边长度/mm其他杂质含量/%丙酮抽提物/%灰分/%炭黑/%橡胶碳氢化合物/%检测结果1.1031.06706.846.7629.3559.06技术要求1.1～1.2≤4.7506～16≤8≥2842～65

1.2 制备方法

首先将SBS改性沥青加热至180 ℃，然后加入事先按掺量称量的高聚熟化胶粉，利用高速剪切仪制备胶粉/SBS复合改性沥青。剪切分为两个阶段：①预剪切，剪切仪转速(3 000±50)r/min，剪切时间15 min；②正式剪切，剪切仪转速(6 000±50)r/min，剪切时间90 min。剪切完成后将复合改性沥青放入130 ℃烘箱中发育1～2 h，即得到复合改性沥青。

1.3 试验方法

目前常规的MSCR试验包含两个阶段： ①0.1 kPa应力下进行20次蠕变恢复循环加载，每次蠕变恢复循环包括“1 s加载”和“9 s卸载”；② 3.2 kPa应力下进行10次的蠕变恢复循环加载，试验过程如图1所示。

(a)单次蠕变恢复循环加载(b)全部蠕变恢复循环加载

如前所述，在3.2 kPa应力下复合改性沥青材料可能仍处于线弹性应力范围内，不能准确反映胶粉/SBS复合改性沥青类材料的高温性能。因此本研究对现有MSCR试验进行改进，在3.2 kPa应力的基础上再增加更大的应力(12.8 kPa)，使复合改性沥青在非线性区域内，以更好地反映胶粉/SBS复合改性沥青类材料的高温性能。整个试验过程为： ① 0.1 kPa应力下进行10次蠕变恢复循环加载；②3.2 kPa应力下进行10次蠕变恢复循环加载；③12.8 kPa应力下进行10次蠕变恢复循环加载。每次蠕变恢复循环仍包括“1 s加载”和“9 s卸载”。改进的MSCR试验温度以江苏省苏南地区夏季路面上面层温度为基准，为64 ℃[9]，采用Anton Paar MCR 102仪器进行DSR试验，试样为短期老化(TFOT)后的沥青。

2 结果与讨论

2.1 MSCR试验评价指标

MSCR试验主要采用不可恢复蠕变柔量(Jnr)和蠕变恢复率(R)作为评价指标，分别计算MSCR试验中各应力下的Jnr和R，可得到Jnr，0.1、Jnr，3.2、Jnr，12.8、R0.1、R3.2和R12.8，计算公式如式(1)～(6)所示，公式中的参数含义如图2所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

图2 MSCR试验评价指标计算中应变含义示意

对于第1次加载，当t=0 s时，初始应变为0。此外，为了避免出现改性沥青在低应力下高温性能好而高应力下高温性能差的情况，MSCR试验还提出了应力敏感性指标：3.2 kPa下不可恢复蠕变柔量与0.1 kPa下不可恢复蠕变柔量之间的差异性指标Jnr，diff(3.2-0.1)，12.8 kPa下不可恢复蠕变柔量与0.1 kPa下不可恢复蠕变柔量之间的差异性指标Jnr，diff(12.8-0.1)，各指标计算公式如式(7)～(8)所示。

(7)

(8)

已有研究表明，应力敏感性指标(Jnr，diff)并不能很好地区分复合改性沥青在低应力和高应力下的蠕变恢复特性，因此另一指标Jnr，slope被提出作为Jnr，diff指标的代替，以更好地评价复合改性沥青的应力敏感性[10]，其计算公式如式(9)～(10)所示。

(9)

(10)

2.2 评价指标结果与分析

根据式(1)～(10)计算的胶粉/SBS复合改性沥青各评价指标结果如表3所示。

从表3中可以看出：

1)在低应力下(0.1 kPa和3.2 kPa)，复合改性沥青的Jnr值相比SBS改性沥青降低，R值增加，表明胶粉的掺入提升了SBS改性沥青的高温性能，但0.1 kPa下12%MCR和15%MCR沥青的Jnr值相同，3.2 kPa下15%MCR和18%MCR沥青的Jnr值相同，且胶粉掺量达到12%以上时，复合改性沥青的Jnr值差别不大，表明在较低应力水平下难以准确评价复合改性沥青的高温性能。

表3 胶粉/SBS复合改性沥青改进MSCR试验评价指标结果材料类型Jnr,0.1/ kPa-1Jnr,3.2/kPa-1Jnr,12.8/kPa-1Jnr,diff(3.2-0.1)/%Jnr,diff(12.8-0.1)/%Jnr,slope(3.2-0.1)/kPa-2Jnr,slope(12.8-0.1)/kPa-2R0.1/%R3.2/%R12.8 /%SBS0.9060.9610.9846.078.611.770.6177.9864.3720.246%MCR0.1860.2250.64120.97244.621.263.5882.7668.8628.069%MCR0.1530.1810.58618.30283.010.903.4185.5673.4133.0912%MCR0.0990.1790.44780.81351.522.582.7489.4877.1836.9615%MCR0.0990.1720.31873.74221.212.351.7294.0880.6542.2318%MCR0.0920.1720.21186.96129.352.580.9495.4580.6846.11

2)在12.8 kPa应力下，可以发现随着胶粉掺量增加，复合改性沥青的Jnr值逐渐减小，且相比于0.1 kPa和3.2 kPa应力，不同胶粉掺量复合改性沥青的Jnr值有明显区分度，表明在MSCR试验中，对于复合改性沥青，应使用较高的应力对沥青材料进行蠕变循环加载，可以更为准确地反映复合改性沥青的高温性能。

3)考察应力敏感性指标，AASHTO M332规程中改性沥青MSCR试验分级要求Jnr，diff≤75%，但表3中复合改性沥青无论是3.2 kPa应力下，还是12.8 kPa应力下，其Jnr，diff除少数沥青外都超过了75%，按照AASHTO M332规程，这些沥青不能被分级，要降低温度进行试验直至Jnr，diff≤75%时才能分级并推荐使用场景。但考察复合改性沥青在12.8 kPa应力下的Jnr值，发现当胶粉掺量为6%和9%时，复合改性沥青的Jnr值为0.5～1.0，胶粉掺量为12%～18%时，复合改性沥青的Jnr值为0～0.5，按照AASHTO M332规程，胶粉掺量为6%和9%的复合改性沥青可以用于交通量ESAL>3 000万次或者行车速率 <20 km/h的沥青路面;胶粉掺量为12%～18%的复合改性沥青可以用于交通量ESAL>3 000万次且行车速率 <20 km/h的沥青路面。说明复合改性沥青在高应力水平下仍然有较好的高温性能，使用Jnr，diff指标评价其应力敏感性并不合理，这可能与低应力水平下Jnr值过小有关，使用Jnr，diff指标评价其应力敏感性时应充分考虑沥青材料的Jnr值。

4)对于另一应力敏感性指标Jnr,slope，表3中所有复合改性沥青的Jnr,slope指标都比较小，图3给出了复合改性沥青Jnr值和Jnr,slope值之间的关系，从图3中可以发现Jnr,slope(12.8-0.1)与Jnr,12.8之间有着较好的线性关系，说明Jnr,slope(12.8-0.1)能够较好地评价复合改性沥青的应力敏感性。同时较小的Jnr,slope(12.8-0.1)值说明复合改性沥青的应力敏感性低，在高应力下仍然有较好的高温性能。

(a)Jnr，3.2与Jnr,slope(3.2-0.1)的关系(b)Jnr，12.8 与Jnr,slope(12.8-0.1)的关系

3 结论

1) 胶粉的掺入使复合改性沥青的Jnr值相比SBS改性沥青降低，R值增加，表明胶粉的掺入提升了SBS改性沥青的高温性能。

2)对于复合改性沥青而言，在较高的应力水平(12.8 kPa)下对其进行蠕变恢复循环加载，可以更为准确地评价其高温性能。

3)Jnr,slope指标相比Jnr，diff指标更适合评价复合改性沥青的应力敏感性，并且Jnr,slope(12.8-0.1)与Jnr,12.8之间有着较好的线性关系，说明Jnr,slope(12.8-0.1)是评价复合改性沥青应力敏感性的合理指标，复合改性沥青的Jnr,slope(12.8-0.1)值均小于75%，表明其在高应力下仍然有较好的高温性能。

4)胶粉掺量较低时(6%和9%)，复合改性沥青在高应力下的黏弹性恢复性能较差；胶粉掺量为12%、15%和18%时，复合改性沥青的黏弹性恢复性能较好。因此，考虑重载交通时，复合改性沥青中胶粉掺量应大于12%，以保证其抵抗车辙能力。