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橡膠瀝青技術性能評價標準現狀
2019年09月03日    閱讀量:5176    新聞來源: 瀝青路面  |  投稿

引言

 

橡膠瀝青是一種由膠粉顆粒與基質瀝青在高溫狀態下通過共混共融作用形成的兩相混合體。膠粉顆粒與基質瀝青在高溫狀態下充分混合,并吸收瀝青中的輕質組分而溶脹,進而在膠粉顆粒表面形成瀝青質含量較高的凝膠膜。溶脹后,膠粉顆粒的膨脹程度可達到0.73~1.78倍,其體積達到膠結料體積的近40%瀝青網sinoasphalt.com。膠粉顆粒之間通過凝膠膜連接,形成一個粘度很大的半固態連續相體系。由于橡膠瀝青獨特的作用機理,國內現行的瀝青與改性瀝青評價體系(針入度、軟化點、延度指標體系)并不適合評價橡膠瀝青技術性能。

 

近年來,隨著橡膠瀝青技術理論研究與工程實踐的不斷深入,國內橡膠瀝青技術的應用逐步趨于成熟,相應的行業標準、地方標準以及技術指南相繼出臺。然而,相較于國外橡膠瀝青評價標準,國內的評價標準仍具有一定的局限性。本文對比分析國內外橡膠瀝青技術性能評價標準的現狀,有助于更好地優化國內現有的評價體系,為更加科學合理地應用橡膠瀝青技術打下堅實的基礎。

 

國內外橡膠瀝青評價體系現狀

 

國外橡膠瀝青技術性能評價體系

 

綜合國外橡膠瀝青應用較為廣泛的國家對橡膠瀝青技術指標的評價體系。

 

可知,國外大多數的國家和地區主要從粘度、針入度(或錐入度)、軟化點以及彈性恢復4個方面對橡膠瀝青技術性能提出要求。其中又以粘度作為控制橡膠瀝青技術性能的最主要指標。

 

相較于基質瀝青以及SBSSBR類聚合物改性瀝青,國外橡膠瀝青評價體系中對于傳統的延度以及老化后的技術指標并沒有過多的要求。

 

國內橡膠瀝青技術性能評價體系

 

國內對于橡膠瀝青技術性能評價體系的研究,是對橡膠瀝青在國內道路建設和養護工程中的可行性和合理性的研究基礎上發展而來的。以交通部公路科學研究院主編的《橡膠瀝青及混合料設計施工技術指南》為代表,一系列相應的行業標準、地方標準相繼出臺。為國內部分省市出臺的橡膠瀝青技術性能評價體系匯總。

 

可見,目前國內橡膠瀝青技術指標評價體系是以粘度為主導,以傳統聚合物改性瀝青評價體系為基礎,同時結合國內道路瀝青實體工程的應用經驗和理論研究成果,參考國外相關技術標準和規范而制定的。主要包括180℃粘度、25℃針入度、軟化點、彈性恢復以及5℃延度這五大指標。

 

綜合國內外主要國家和地區對于橡膠瀝青技術性能評價體系的規定,可知用于評價橡膠瀝青膠結料技術性能的主要指標為粘度、軟化點、針入度、錐入度、彈性恢復(T0662)、回彈恢復(ASTMD5329)以及延度。而對于SBSSBR等聚合物改性瀝青中較為關鍵的離析試驗并沒有過多的要求,這主要是由橡膠瀝青在工程實際中多為現改現用并短期攪拌存儲這一特點所決定的。

 

此外,對基質瀝青和聚合物改性瀝青較為重要的一些指標,如老化后的質量變化、針入度比以及延度,大部分國家或地區的規范中并沒有作出規定。這是因為,對于傳統的瀝青老化試驗,多以老化盤(TFOT)或老化瓶(RTFOT)作為稱樣皿,在163℃的溫度條件下通過提供一定量的熱空氣來模擬瀝青的短期老化。試驗過程中為保證瀝青的均勻老化,需勻速轉動稱樣皿,使其中的瀝青混合均勻。然而,結合橡膠瀝青自身的特性,其在175~190℃之間的粘度一般為1.5~5.0Pa·s,遠大于SBS改性瀝青在135℃溫度條件下1.0~3.0Pa·s的粘度。故在163℃下進行橡膠瀝青的老化試驗時,橡膠瀝青在稱樣皿中很難均勻混合;而提高橡膠瀝青的老化溫度,無疑增加了橡膠瀝青脫硫降解的進程,最終導致老化后指標的衰變。再加上膠粉顆粒中含有較多的炭黑,具有較好的抗老化特性,故而在橡膠瀝青技術性能評價標準體系中較少含有老化后的評價指標。

 

橡膠瀝青單項評價指標現狀

 

粘度

 

在現有反映瀝青材料各種物理特性的評價指標中,粘度是最能反應橡膠瀝青本質特性的指標。粘度不僅直接反映橡膠瀝青的流動特性,也間接反映了橡膠顆粒在基質瀝青中的相互作用情況。故而粘度指標很大程度上代表了橡膠瀝青膠結料質量的優劣,也是橡膠瀝青生產過程中質量控制和檢測頻率最高的性能指標。

 

對于橡膠瀝青粘度的測試通常采用旋轉法,使用Brookfield粘度計、RionHaake等手持式粘度計測定。旋轉粘度用來監控橡膠瀝青膠結料的流體的一致性,以保證其在工程應用中的可泵送能力,確保膠結料粘度的變化不至于影響橡膠瀝青混合料的運輸、攤鋪、壓實及使用性能。

 

粘度的測定轉速

 

ASTMD6114中的A方法,即通過測定恒定剪切速率下的扭矩,確定非牛頓流體材料的表觀粘度,宜采用Brookfield粘度計,測試溫度為175℃。RionHaake粘度計在與Brookfield粘度計進行相關性檢驗后,可以進行粘度檢測,但應以Brookfield粘度計為準。

 

美國SHRP計劃建議采用Brookfield粘度計的SC4-27轉子,選取20r·min1的轉速測定瀝青的表觀粘度。2004JohnP.ZaniewskiMichaelE.Pumphrey編著的《瀝青性能分級的設備和手冊》中采用轉速20r·min1,測定135~165℃瀝青的粘度,結果表明:SC4-27轉子在20r·min1轉速下測定的粘度平行試驗誤差遠大于7.3%,認為AASHTO推薦的20r·min1轉速針對的是粘度大于171mPa·s的瀝青,同時根據儀器精度得出測量時扭矩應大于10%,因此提出SC4-2720r·min1轉速條件下測量的粘度最小應為1250mPa·s

 

2008年王旭東等在《橡膠瀝青及混凝土應用成套技術》中,通過對比測定SC4-27轉子旋轉扭矩為50%時的粘度以及轉速為20r·min1的粘度,推薦采用4~5種不同轉速進行粘度測定,繪制扭矩與粘度的關系曲線,通過內插得到50%扭矩條件下的粘度。

 

2010年西安公路研究院彌海晨等研究認為,粘度測試轉速宜從大到小(較大的轉速可縮短粘度穩定時間)20r·min1轉速對應扭矩較小且精度不足,室內試驗宜采用50%扭矩對應的粘度作為橡膠瀝青的標準粘度;而在生產和施工過程中,可采用與50%扭矩粘度較為接近的轉速粘度(一定轉速條件下測定的粘度)代替。

 

綜上所述,國內外對于采用Brookfield粘度計測定橡膠瀝青粘度具有較為一致的結論,而對采用Brookfield粘度計測量時所采用的轉速觀點不一致。國外規范中較多采用20r·min1條件下的粘度作為橡膠瀝青的標準粘度,而國內則多以50%扭矩所對應的粘度作為橡膠瀝青的代表粘度。

 

粘度的測定溫度及技術要求

 

可知,國內外對于橡膠瀝青粘度的測試溫度要求,主要集中在175~191℃,粘度值的要求一般在1.5~5.0Pa·s之間。相較于國外不同地區對于橡膠瀝青粘度測試溫度要求的差異性,國內各省市對于橡膠瀝青粘度的測試溫度較為統一,均為180℃。

 

可知,對比SBS改性瀝青粘度測試的溫度,橡膠瀝青粘度測試溫度的選擇更加側重考慮以下兩個方面。

 

(1)橡膠瀝青的加工溫度通常在175~191℃之間。

 

(2)對于膠粉摻量不少于15%(占膠結料總質量)的橡膠瀝青而言,在175~191℃之間的粘度通常為1.5~5.0Pa·s,這個粘度狀態下的膠結料的流動性可以滿足施工和易性的要求。

 

這兩個方面也是橡膠瀝青混合料在拌和、攤鋪、壓實過程中的施工溫度要求通常大于SBS改性瀝青的原因所在。

 

軟化點

 

軟化點即物質軟化的溫度,主要指的是無定形聚合物開始變軟時的溫度。它不僅與高聚物的結構有關,而且還與其分子量的大小有關。環球法軟化點是目前世界上普遍使用的瀝青評價指標,也是中國道路瀝青最常用的三大指標之一,其數值表達直觀,且與路面發軟變形的程度相關聯。

 

可知,盡管國內外對于橡膠瀝青膠結料軟化點的要求略有不同,但基本為大于50℃或60℃。相較于國內對于70#90#基質瀝青軟化點分別大于46℃或45℃而言,有一定程度的提升。

 

軟化點是瀝青在一定條件下的等粘溫度。簡而言之,軟化點表征瀝青材料等粘度下的溫度,而等溫粘度表征瀝青材料等溫度下的粘度,兩者之間有著表征瀝青材料高溫性能的一致性。軟化點越高,表明瀝青的粘度越大,耐流動性越好。

 

基于上述論述,在以粘度指標為主的橡膠瀝青技術性能評價體系中,由于橡膠瀝青膠結料本身的特點,造成表觀粘度的測定易產生較大的誤差,而采用軟化點作為輔助指標,可以更加準確地評價橡膠瀝青的高溫性能。

 

針入度與錐入度

 

針入度和錐入度試驗用于評價瀝青的軟硬程度,兩者具有一定的相似性,同時又有一定的差異性。針入度體現為針尖部位對瀝青試樣的剪切作用,瀝青試樣對標準針針體具有向上的阻力。而錐入度則為整個錐體對瀝青試樣的作用,錐尖部位體現出與針入度類似的剪切效應,且錐體對瀝青試樣還有向下的壓應力。針入度試驗是以瀝青的抗剪效應來反應粘稠程度在評價瀝青性能,而錐入度試驗則既有抗剪效應又有抗壓效應。

 

可知,國外對于橡膠瀝青軟硬程度的評價采用針入度或錐入度,具有一定的差異性。采用針入度評價橡膠瀝青技術特性時,一般為25℃和4℃相結合的方式。其中橡膠瀝青25℃的針入度指標與普通基質瀝青或SBS改性瀝青25℃的測試條件一致,而4℃的針入度通常采用200g的配重以及60s的作用時間。

 

在進行25℃的針入度試驗時,由于橡膠瀝青中膠粉顆粒固體核心的存在,針尖是否扎入膠粉顆粒之中會使試驗結果具有較大的波動性。而在4℃溫度條件下,瀝青與膠粉模量的差別較小,增加配重、延長扎入時間可以減少膠粉顆粒對試驗精度的影響。與此同時,低溫下的針入度與瀝青混合料的脆化點溫度有較好的相關性,故采用4℃的針入度來評價橡膠瀝青的技術性能,可以在一定程度上反應其低溫抗裂性能。然而就試驗設備而言,4℃的試驗溫度對于試驗儀器的制冷效果精度要求更高,一定程度上增加了試驗成本和操作難度。

 

結合橡膠瀝青自身的特性,錐入度試驗在評價瀝青稠度及軟硬時,更多的是對材料本身抗壓特性或彈性特性的評價,因而更適于評價橡膠瀝青,尤其是由30目或者更粗的膠粉制得的橡膠瀝青。

 

可知,相較于表8中國外橡膠瀝青軟硬程度評價指標的多樣性,國內較為一致地采用25℃針入度(100g5s)進行評價。這種評價手段對于40目或更細的膠粉加工的橡膠瀝青而言,其檢測結果的變異性較小,而當膠粉粒徑大于30目時則具有較大的變異性。

 

回彈恢復與彈性恢復

 

由于存在著通過凝膠體與瀝青分子相連的固體核心,橡膠瀝青不僅呈現出基質瀝青與凝膠體的特性,而且也呈現出固體橡膠顆粒的特性,即良好的彈性特性,尤其是在毫米級的變形范圍內有著較大的彈性。

 

評價膠結料彈性恢復性能的試驗方法通常有彈性恢復試驗(JTGE-202011T0662)以及回彈恢復試驗(ASTMD5329)兩種,國內常用前者評價熱塑性橡膠類聚合物改性瀝青,而后者則是國外較為常用的橡膠瀝青彈性恢復評價方法。

 

可知,對于橡膠瀝青彈性特性的測試溫度,國內外均采用25℃,這是由于在道路工程中,中溫條件下更多地需要瀝青材料的彈性特性。國外對于橡膠瀝青的回彈恢復率要求一般為大于15%,而國內對于彈性恢復率的要求一般大于50%。兩者在數值上的差異與其測試方法有關。

 

對于彈性恢復試驗,主要體現材料的抗拉伸恢復能力,這種拉伸恢復能力更大程度上與基質瀝青和橡膠粉的相容性有關。回彈恢復試驗更多地體現材料的抗壓恢復能力,與彈性恢復試驗有著較為本質的區別。相較于抗拉伸恢復能力,橡膠瀝青混合料更多地需要膠粉顆粒的抗壓恢復能力。從這個角度來說,回彈恢復試驗對橡膠瀝青混合料彈性特性的表征更為有效。

 

延度

 

路用瀝青的延度是通過在規定的速度和溫度下,拉伸標準試件的兩端直到斷裂的長度。由于其再現性不好,國內外尚存在不同的看法。但大都認為瀝青的延度與瀝青路面的使用性能有一定的相關性,尤其是低溫延度與低溫開裂性能關系密切。基于瀝青延度試驗具有試驗簡便、測試快速等優點,以及對瀝青中的蠟含量起到一定的限制作用,國內瀝青評價體系一直將其延續至今。

 

可知,國內對于橡膠瀝青延度的測試與SBS改性瀝青相一致,但對其技術指標的要求通常為大于5cm10cm

 

橡膠瀝青作為一種非均質的固液兩相材料,它的延伸能力遠不如單相的瀝青材料,更不像SBS改性瀝青那樣被拉得很長而不斷裂。國外一般不采用延度評價橡膠瀝青的低溫性能,認為進行橡膠瀝青5℃延度測試時,自由瀝青的大變形能力和橡膠顆粒低流動能力的矛盾趨于尖銳,會誘發橡膠顆粒與瀝青界面的應力集中,造成斷裂迅速發生,導致橡膠瀝青的低溫延度很小。

 

從材料組成的本質而言,橡膠瀝青更加側重的是通過膠粉顆粒的溶脹發育吸收基質瀝青中的輕質組分,增加瀝青的粘稠程度。同時膠粉顆粒固體核心的存在又使得瀝青具有良好的彈性特征,但這種彈性特性并不能有效地增加瀝青在低溫下的延伸特性。而SBS等聚合物改性瀝青則側重于形成空間凝膠網絡,在低溫下具有較好的延伸特性。因此,相較于其他聚合物改性瀝青,通過延度檢測來評價橡膠瀝青在低溫下的技術特性具有一定的局限性。

 

結語

 

橡膠瀝青以其獨特的固液兩相混融狀態,與SBSSBR等聚合物改性瀝青有較為顯著的不同,其自身的獨特性決定了橡膠瀝青評價標準的特殊性。相較于傳統瀝青的三大指標評價體系而言,橡膠瀝青的評價體系更多地體現出粘度指標的主導地位。

 

(1)盡管國內外對于橡膠瀝青技術性能評價指標體系存在一定的差異,但對以粘度為主導的認識是一致的。然而,對于粘度的測定條件存在一定的差異性。不同的粘度測定溫度與各國家或地區的橡膠瀝青加工溫度和施工溫度等工程應用實踐有較為密切的聯系。對于橡膠瀝青Brookfield粘度測定所采用的轉速,國外多采用20r·min1,而國內多以內插50%扭矩對應的粘度作為橡膠瀝青的代表粘度。以轉速標準測定粘度,其物理意義更加明確;而采用扭矩標準測試粘度,結果的保證率更高。

 

(2)軟化點作為等粘條件下溫度的反映,與等溫條件下的粘度結果具有較高的相關性,在國內外橡膠瀝青技術性能評價體系中均占有一席之地。但是,由于軟化點對橡膠瀝青膠結料特性的敏感程度低于粘度指標,其更多地在評價體系中作為橡膠瀝青高溫性能的輔助評價指標。

 

(3)相較于國內較為一致的采用25℃針入度(100g5s)來評價橡膠瀝青的軟硬程度,國外對于橡膠瀝青該項特性的評價存在針入度和錐入度兩種評價手段。采用25℃針入度評價橡膠瀝青時多采用4℃針入度(200g60s)作為輔助指標。25℃的錐入度(150g5s)在評價橡膠瀝青膠結料軟硬程度的同時,在一定程度上也能表現出橡膠瀝青膠結料中膠粉顆粒固體核心的彈性特性。

 

(4)對于橡膠瀝青膠結料彈性特性,國內多采用彈性恢復試驗(T0662)表征,而國外則以回彈恢復試驗(ASTMD5329)來評價。彈性恢復試驗更多地評價橡膠瀝青拉伸后的彈性恢復能力,這種方式的彈性特性的評價更多地停留在對于SBSSBR等聚合物改性瀝青彈性特性的評價。而回彈恢復試驗更多地考慮橡膠瀝青中膠粉顆粒的抗壓回彈特性,能較好地表現出橡膠瀝青自身的彈性特性。

 

(5)國外在橡膠瀝青的技術評價中基本不采用延度指標,而國內則多以5℃延度作為橡膠瀝青膠結料低溫特性的評價指標。這與國內多采用5℃延度評價SBS等聚合物改性瀝青的低溫特性有關。


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