活化胶粉复合改性沥青混合料的路用性能评价

王永宁，李晓民，杨涛，魏定邦，李波; WANG Yongning; LI Xiaomin; YANG Tao; WEI Dingbang; LI Bo

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活化胶粉复合改性沥青混合料的路用性能评价 PDF

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王永宁 ^1,2
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李晓民 ²
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杨涛 ³
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魏定邦 ²
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李波 ¹
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1. 兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070； 2. 甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司高性能材料研究所，甘肃兰州 730030； 3. 甘肃省公路交通建设集团有限公司甘肃兰州 730030

中图分类号： U414

最近更新：2024-02-29

DOI：10.3969/j.issn.1007-9629.2024.02.003

摘要

为评价双螺杆活化胶粉复合SBS改性沥青及其混合料的低温性能，用测力延度、半圆弯曲和裂缝扩展性能试验分别测试了SBS改性沥青、未活化胶粉复合SBS改性沥青和双螺杆活化胶粉复合SBS改性沥青的低温性能指标，并采用熵权法对测力延度指标进行优选，通过荧光显微镜和四组分试验对3种沥青的性能变化进行机理分析.结果表明：测力延度指标中最大屈服点可有效表征双螺杆活化胶粉复合SBS改性沥青的低温性能；双螺杆活化过程中交联键被打开，并与SBS形成稳定的交联网络结构，显著提高了改性沥青混合料的高温性能和抗水损害性能.

关键词

道路工程; 双螺杆活化胶粉复合SBS改性沥青; 力学性能; 裂缝扩展性能试验

回收胶粉因其内部复杂的网络交联结构使之与沥青不易相容^［

1‑2］，进而导致其储存稳定性差、不易施工、加工困难等，限制了其推广应用.目前，学者们主要采用化学活化、微波活化和机械活化等手段对胶粉进行预处理，以提高其与沥青的相容性等^{［参考文献 3‑6}3‑6］.但普遍认为双螺杆活化是最为理想的活化方式，因其可部分打开胶粉内部的三维网络结构，保留胶粉的部分弹性且降低交联密度，使其易与沥青融合，弥补了橡胶沥青储存稳定性差、施工和易性差、掺量低等问题^{［参考文献 6‑7}6‑7］.此外，学者们采用四点疲劳弯曲试验、裂缝扩展性能试验、半圆弯曲试验和数字图像相关技术等手段对橡胶沥青混合料的力学性能进行了大量研究，认为橡胶沥青混合料具有良好的抗裂性能^{［参考文献 8‑10}8‑10］.然而，目前对于活化橡胶沥青混合料的开裂研究较少，尤其对于活化胶粉复合改性后的沥青混合料开裂特性更是鲜有报导.

本文用测力延度、半圆弯曲（SCB）和裂缝扩展性能试验评价了SBS改性沥青（SBS‑MA）、未活化胶粉复合SBS改性沥青（CR/SBS‑MA）和双螺杆活化胶粉复合SBS改性沥青（ACR/SBS‑MA）的低温性能指标，为双螺杆活化胶粉复合SBS改性沥青的推广应用提供理论与技术支撑.

1 试验

1.1 原材料

采用甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司提供的镇海90#基质沥青、420 μm（40目）胶粉和1301线性SBS改性剂、糠醛抽出油和稳定剂分别制备SBS‑MA、CR/SBS‑MA和ACR/SBS‑MA.改性沥青及活化胶粉的制备过程参考文献［

11］，改性沥青的技术指标见表1.根据JT/T 797—2019《路用废胎橡胶粉》中附录A的溶解度试验方法，测试活化胶粉的活化度为49.2%.

表1 改性沥青的技术指标

Table 1 Technical indexes of modified asphalts

Index		SBS‑MA	CR/SBS‑MA	ACR/SBS‑MA
SBS dosage(by mass)/%		4.5	3.0	3.0
Rubber powder dosage(by mass)/%		0	15	15
Penetration (25 ℃,100 g, 5 s)/(0.1 mm)		70	68	73
Penetration index		0.21	3.30	2.20
Ductility （5 ℃, 5 cm·min^-¹）/cm		36	21	39
Softening point/℃		87	63	91
Residue after rotating film heating	Mass loss/%	-0.08	0.10	-0.30
	Penetration ratio	0.80	0.83	0.84
	Ductility （5 ℃，5 cm·min^-¹）/cm	26	14	27

1.2 混合料配合比设计

采用SMA‑10成型沥青混合料，其级配见表2.对级配最佳混合料的沥青含量进行了测定，确定其沥青含量为6.3%.

表2 沥青混合料的级配

Table 2 Gradation（by mass） of asphalt mixtures Unit：%

Index	Sieve size/mm
Index	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
Upper limit	100.0	100.0	60.0	32.0	26.0	22.0	18.0	16.0	13.0
Lower limit	100.0	90.0	28.0	20.0	14.0	12.0	10.0	9.0	8.0
Median limit	100.0	95.0	44.0	26.0	20.0	17.0	14.0	12.5	10.5
Selected gradation	100.0	95.9	28.1	24.5	20.3	16.9	14.0	11.9	10.9

1.3 试验方法

1.3.1 测力延度试验

采用澳大利亚IPC global公司生产的81‑PV10B0研究型延度仪，按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》浇筑延度试件，拉伸速率为50 mm/min，水浴温度为5 ℃.

1.3.2 半圆弯曲试验

采用AMPT设备引进LLD控制模式进行加载，利用LVDT位移传感器对试件底部的位移进行监测，得到加载过程中试件底部位移的变化规律.根据文献［

12］，采用0.02 mm/s的LLD加载速率可以保证裂缝稳定扩展，试验温度为-10 ℃，试件厚度为25 mm，切口长度为15 mm.

1.3.3 裂缝扩展性能试验

采用AMPT中的Overlay Tester模块评价活化胶粉复合改性沥青的抗裂性能，根据文献［

13］，试验最大拉伸位移为0.625 mm，加载周期为10 s（加载5 s＋卸载5 s），试验温度为25 ℃，终止条件为载荷损失率达到93%或周期达到1 200 次.

2 结果与讨论

2.1 水稳定性和高温稳定性

根据JTG E20—2011对改性沥青混合料的水稳定性和高温稳定性进行测试，结果见表3.由表3可见：ACR/SBS‑MA混合料比SBS‑MA、CR/SBS‑MA混合料的残留稳定度比MS₀、抗拉强度比TSR和动稳定度DS大；与SBS‑MA和CR/SBS‑MA混合料相比，ACR/SBS‑MA混合料的残留稳定度比分别提高了16.6%、16.4%，抗拉强度比分别提高了4.19%、10.6%，动稳定度分别提高了87.5%、100.0%.综上，ACR/SBS‑MA混合料的高温性能非常突出，水稳定性能较为突出.

表3 改性沥青混合料的水稳定性和高温稳定性

Table 3 Water stability and high temperature stability performance of modified asphalt mixtures

Index	SBS‑MA	CR/SBS‑MA	ACR/SBS‑MA
MS₀/%	89.36	89.45	104.15
TSR/%	89.23	83.40	92.89
DS/(times·mm^-1)	4 800	4 500	9 000

2.2 测力延度试验结果分析

2.2.1 测力延度及计算指标分析

测力延度试验结果见图1.由图1可见：改性沥青的测力延度曲线均可分为3个阶段，即快速上升段、下降段和缓慢上升段；第一阶段3种沥青的特征相似；第二阶段SBS‑MA和ACR/SBS‑MA的特征相似，CR/SBS‑MA的斜率较小；第三阶段SBS‑MA和ACR/SBS‑MA的特征相似，CR/SBS‑MA的斜率较小；ACR/SBS‑MA具有更大的位移，CR/SBS‑MA位移最小.

图1 测力延度试验结果

Fig.1 Results of force‑measuring ductility test

为进一步量化分析，分别计算各项测力延度指标，结果见表4（表中W_f为断裂功；F_max为峰值力；L_max为最大屈服应变）.由表4可见：ACR/SBS‑MA的断裂功、韧性面积、韧性比均较CR/SBS‑MA和SBS‑MA高，说明双螺杆活化后增加了胶粉的韧性；ACR/SBS‑MA的黏弹性面积、屈服应变能较CR/SBS‑MA和SBS‑MA低，说明胶粉活化后其黏弹性降低；对比拉伸柔量和黏弹性面积可以发现，胶粉活化后拉伸柔量变小，说明胶粉活化后弹性降低.综上，胶粉活化后韧性增加，弹性降低，导致其改性沥青最大屈服应变和屈服应变能较小.

表4 测力延度试验的计算指标

Table 4 Calculated indexes of force-measuring ductility

Index	SBS‑MA	CR/SBS‑MA	ACR/SBS‑MA
F_max/N	73.04	47.95	49.74
W_f/J	13.14	8.66	16.33
L_max/mm	7.13	11.67	7.48
Viscoelastic area/(N·mm)	0.407	0.466	0.294
Ductile area/(N·mm)	12.733	8.194	16.036
Stretch compliance/(N·mm^-1)	10.24	4.11	6.65
Yield strain energy/J	521	560	372
Toughness ratio/%	31.29	17.58	54.54

2.2.2 测力延度计算指标熵权法综合评价

前文采用多指标方式综合评判了改性沥青的低温性能，但对于多指标的离散程度尚不清晰，为此，本节采用熵权法的熵值来判断指标的离散程度.熵值越小，指标的离散程度越大，该指标对综合评价的权重就越大.具体步骤如下：

（1）确定基本指标体系

根据前文分析，本文选择断裂功、韧性比、最大屈服应变、屈服应变能、黏弹性面积、韧性面积、拉伸柔量和峰值力这8个指标进行评价.

（2）归一化处理

按式（1）、（2）对上述指标进行归一化处理：若指标为正，选用式（1）；若指标为负，选用式（2）.

x_{i j}^{'} = \frac{x_{i j} - m i n \{x_{1 j}, \dots, x_{n j}\}}{m a x \{x_{1 j}, \dots, x_{n j}\} - m i n \{x_{1 j}, \dots, x_{n j}\}}

（1）

x_{i j}^{'} = \frac{m a x \{x_{1 j}, \dots, x_{n j}\} - x_{i j}}{m a x \{x_{1 j}, \dots, x_{n j}\} - m i n \{x_{1 j}, \dots, x_{n j}\}}

（2）

式中： $x_{i j}$ 、 $x_{i j}^{'}$ 分别为第i个样本、第j个指标标准化前、后的值； $x_{i j}$ ，…， $x_{n j}$ 为第1，…，n个样本第j个指标的值；n为样本数量.

（3）计算指标的熵和权重

第i个样本的第j个指标的比重y_ij为：

y_{i j} = \frac{x_{i j}^{'}}{\sum_{i = 1}^{n} x_{i j}^{'}}

（3）

第j个指标的信息熵e_j为：

e_{j} = \frac{1}{l n n} \sum_{i = 1}^{n} y_{i j} l n y_{i j}

（4）

式中： $e_{j}$ ≥0；若 $y_{i j}$ =0，定义 $e_{j}$ =0.

第j个指标的权重w_j为：

w_{j} = \frac{1 - e_{j}}{\sum_{j = 1}^{m} (1 - e_{j})}

（5）

式中：m为指标数量.

（4）指标加权后计算得其综合评分S

S的计算式为：

S = \sum_{j = 1}^{m} 100 y_{i j} w_{j}

（6）

测力延度熵权法评价结果见表5.由表5可见，指标权重综合评分最大的为L_max，最小的为F_max.由此可见，最大屈服应变L_max能较好地表征3种改性沥青的低温性能.

表5 测力延度熵权法评价结果

Table 5 Evaluation results of force extension entropy weight method

Index	$e_{j}$	$w_{j}$	S/%
W_f	0.599	0.401	11.233
L_max	0.235	0.765	21.449
Toughness ratio	0.531	0.469	13.134
Yield strain energy	0.625	0.375	10.516
Viscoelastic area	0.614	0.386	10.821
Ductile area	0.598	0.402	11.262
F_max	0.630	0.370	10.362
Stretch compliance	0.600	0.400	11.224

2.3 半圆弯曲试验结果分析

为进一步验证L_max的测试结果，采用半圆弯曲试验对ACR/SBS‑MA、SBS‑MA和CR/SBS‑MA混合料的低温性能进行评价，结果见图2.由图2可见：CR/SBS‑MA混合料的峰值力最高，ACR/SBS‑MA混合料次之， SBS‑MA混合料最小；CR/SBS‑MA混合料的位移最大，SBS‑MA和ACR/SBS‑MA混合料相当；CR/SBS‑MA混合料的力-位移面积最大.Saed等^［

14］认为峰值力和力-位移面积越大，沥青混合料的低温抗裂性能越好，可见CR/SBS‑MA混合料的低温抗裂性能最好.

图2 半圆弯曲试验结果

Fig.2 Results of SCB test

为进一步定量描述3种改性沥青混合料的低温抗裂性能，由半圆弯曲试验计算其断裂功W_f、韧性区面积A_lig、断裂能G_f、柔性指数F_I和斜率k，结果见表6.由表6可见，CR/SBS‑MA混合料的断裂能和柔性指数最大，SBS‑MA和ACR/SBS‑MA混合料的断裂能和柔性指数相当.冯德成等^［

12］认为断裂能越大，低温性能越好，尤其是低温抗裂性能越好.对比CR/SBS‑MA与ACR/SBS‑MA混合料，可以发现胶粉经双螺杆活化后对沥青低温性能有较为显著的影响，但ACR/SBS‑MA混合料低温性能仍高于SBS‑MA混合料.

表6 半圆弯曲试验的计算指标

Table 6 Calculated indexes of SCB test

Index	SBS‑MA	CR/SBS‑MA	ACR/SBS‑MA
W_f/J	3.97	7.27	3.39
A_lig/m²	0.001 45	0.001 44	0.001 48
G_f/(J·m^-2)	2 732	5 047	2 290
k	1.739	2.313	1.717
F_I	15.71	21.82	13.33

2.4 裂缝扩展性能试验结果分析

Gu等^［

15］认为裂缝扩展性能试验可以有效区分沥青混合料的抗裂性能，力-位移面积表示断裂功，断裂功越大，其抗裂性能越好.为了进一步论证ACR/SBS‑MA混合料的低温性能，采用裂缝扩展性能试验分析了3种沥青的抗裂性能，结果见图3.由图3可见，CR/SBS‑MA混合料断裂功最大，SBS‑MA和ACR/SBS‑MA混合料的断裂功基本相当，说明CR/SBS‑MA混合料抗裂性能更好.

图3 裂缝扩展性能试验结果

Fig.3 Results of overlay test

由裂缝扩展性能试验计算了改性沥青混合料的临界断裂能G_c、W_f和A_lig，结果见表7.由表7可见，CR/SBS‑MA混合料临界断裂能最大，ACR/SBS‑MA混合料的临界断裂能比SBS‑MA略高，进一步说明CR/SBS‑MA混合料具有更好的抗裂性能，ACR/SBS‑MA混合料抗裂性能略好于SBS‑MA混合料.

表7 裂缝扩展性能试验的计算指标

Table 7 Calculated indexes of overlay test

Index	SBS‑MA	CR/SBS‑MA	ACR/SBS‑MA
G_c/(J·m^-2)	84 000	121 000	86 000
A_lig/m²	0.281 00	0.281 00	0.281 00
W_f/J	236.25	340.31	241.88

2.5 机理分析

2.5.1 荧光显微镜结果分析

采用荧光显微镜观察了CR/SBS‑MA、SBS‑MA和ACR/SBS‑MA的微观结构，结果见图4.由图4可见：CR/SBS‑MA中SBS改性剂和胶粉颗粒均呈团簇状态，且分布不均匀；SBS‑MA和ACR/SBS‑MA中SBS改性剂和胶粉颗粒分散均较为均匀.这主要是由于在高温剪切作用下，双螺杆活化胶粉内部的交联键被破坏，橡胶分子链不断发生断裂，变成细小的链段，进而均匀分散于基质沥青体系中，形成稳定的交联网络结构，表现出良好的高温性能.

图4 荧光显微镜结果

Fig.4 Results of fluorescence microscope

2.5.2 四组分分析

郝培文等^［

16］、李添帅等^{［参考文献 17

百度学术}17］认为随着沥青质和胶质含量的增加，沥青材料的水稳定性呈衰减的趋势；王勤芳等^{［参考文献 18

百度学术}18］认为沥青质含量越高，沥青材料的低温性能越好.为了进一步分析ACR/SBS‑MA的高温稳定性和水稳定性提升和低温性能下降的原因，参照于丽梅等^{［参考文献 19

百度学术}19］的四组分试验，分析了CR/SBS‑MA、SBS‑MA和ACR/SBS‑MA中胶质、沥青质、饱和分及芳香分的占比（质量分数），结果见图5.图5可见：CR/SBS‑MA的沥青质和胶质占比最大，SBS‑MA的沥青质和胶质占比次之，ACR/SBS‑MA的沥青质和胶质占比最小，ACR/SBS‑MA的水稳定性最好，与前文研究结果一致；CR/SBS‑MA的饱和分和芳香分轻质组分占比最少^［20］，说明未活化胶粉和SBS更多地吸附沥青中的饱和分和芳香分，并进行了充分的物理溶胀，分散在沥青的连续相中，从而提高了其低温性能.

图5 四组分试验结果

Fig.5 Results of four components test

2.6 相关性分析

对2.2中提出的指标——最大屈服应变L_max与断裂功W_f、临界断裂能G_c进行相关性分析，结果见图6.由图6可见，L_max与W_f、G_c均有很好的相关性，相关系数均在0.99以上，这说明测力延度的最大屈服应变指标可以有效表征ACR/SBS‑MA、SBS‑MA和CR/SBS‑MA的低温抗裂性能.

图6 最大屈服应变与断裂能、临界断裂能的相关性分析

Fig.6 Correlation analysis of L_max and W_f，G_c

3 结论

（1）双螺杆活化过程中打开了胶粉的部分交联键，使其与SBS在基质沥青中形成稳定的交联网络结构，从而使双螺杆活化胶粉复合SBS改性沥青混合料具有非常突出的高温和较突出的水稳定性能.

（2）未活化胶粉和SBS更多地吸附沥青中的饱和分和芳香分，并进行充分的物理溶胀，进而分散在沥青的连续相中，使未活化胶粉复合SBS改性沥青混合料具有较为突出的低温性能.

（3）测力延度指标中最大屈服应变可有效表征改性沥青的低温抗裂性能，且与半圆弯曲试验计算的断裂功和裂缝扩展性能试验计算的临界断裂能的相关系数均在0.99以上.

（4）本文仅仅针对同一活化度的活化胶粉复合SBS改性沥青与未活化胶粉复合SBS改性沥青、SBS改性沥青对比分析，后期将进一步研究不同活化度胶粉对其复合改性沥青低温性能的影响规律.

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