胶粉-SBS复合改性沥青低温黏弹性能评价

Evaluation of Low Temperature Viscoelastic Properties of Rubber Powders-SBS Composite Modified Asphalt

摘要

沥青路面的服役寿命与沥青低温抗裂性能密切相关。为了探究胶粉掺量、应力等级及温度等多因素对复合改性沥青低温抗开裂性能的影响，采用沥青弯曲梁流变（BBR）试验测试复合改性沥青在多温度梯度及多级应力条件下的蠕变行为，结合低温劲度模量（S）、低温松弛性能（m值）及修正Burgers模型分析复合改性沥青低温黏弹性，并评价其低温柔韧性及抗多级应力开裂能力。结果表明：胶粉的掺入有助于提高SBS改性沥青低温蠕变变形量，减弱降温引起的硬化程度，并提高其柔韧性。此外，在多温梯度及多级应力作用下，胶粉可显著改善复合改性沥青的低温韧性，增强其抗弯拉蠕变损伤能力。研究结果可为胶粉-SBS复合改性沥青在寒区的应用提供支撑。

Abstract

The service life of asphalt pavement is closely related to the low-temperature crack resistance of asphalt. To investigate the effects of multiple factors such as crumb rubber content, stress level, and temperature on the low-temperature crack resistance of composite modified asphalt, the bending beam rheometer (BBR) test was used to evaluate the creep behavior of composite modified asphalt under multiple temperature gradients and multi-level stress conditions. The low-temperature stiffness modulus (S), low-temperature relaxation performance (m-value), and the modified Burgers model were combined to analyze the low-temperature viscoelasticity of composite modified asphalt and to assess its low-temperature toughness and resistance to multi-level stress cracking. The results show that the addition of crumb rubber helps to increase the low-temperature creep deformation of SBS modified asphalt, mitigate the hardening caused by temperature drop, and enhance its flexibility. Moreover, under multiple temperature gradients and multi-level stress conditions, crumb rubber can significantly improve the low-temperature toughness of composite modified asphalt and enhance its resistance to flexural creep damage. The research findings can provide support for the application of crumb rubber-SBS composite modified asphalt in cold regions.

Graphical abstract

关键词

道路工程 / 胶粉-SBS复合改性沥青 / 低温黏弹性 / 低温柔韧性

Key words

Pavement engineering / Rubber powder-SBS composite modified asphalt / Low-temperature viscoelastic property / Low-temperature flexibility

低温开裂是沥青路面常见病害，严重影响沥青路面结构的整体性及行车的安全性。在低温环境下，沥青面层会出现温度收缩现象，超过极限破坏应变或极限抗拉强度时，沥青路面产生裂缝甚至破坏^[1-2]。研究人员通常在沥青混合料中添加纤维、胶粉及苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)等改性剂来改善沥青路面的低温抗开裂性能，其中胶粉和SBS效果明显^[3]。WU等^[4]利用沥青弯曲梁流变(BBR)试验发现，SBS/胶粉复合改性沥青具有优异的低温松弛能力和低温抗裂性能，同时指出在一定的试验温度下，用低温劲度模量(S)、低温松弛性能(m值)来评价沥青的低温性能存在一定的局限性。彭建湘等^[5]指出，与胶粉改性沥青和SBS改性沥青相比，胶粉和SBS复合改性沥青在极端低温状况下在柔韧性、应力松弛能力、低温抗裂性能、抗疲劳开裂性能方面均更为优异。LIU等^[6]结合FM试验和BBR试验发现，聚苯乙烯接枝活性胶粉可与SBS改性沥青形成强复合网络结构，进而提高复合改性沥青的低温抗裂性。HE等^[7]指出，胶粉和SBS复合改性沥青在长期老化后仍保持良好的柔韧性，其温度敏感性和低温应力松弛能力得到改善。ZHOU等^[8]利用分数阶黏弹性模型评估SBS和胶粉复合改性沥青混合料低温性能，结果表明，SBS/胶粉改性沥青在较宽温度范围内的抗曲蠕变刚度最小，相比SBS改性沥青和SBS/TPS改性沥青低温性能优异。GONG等^[9]指出，在胶粉改性沥青中加入适量星形SBS和线性SBS均能够提高低温延度。LIU等^[10]利用延度试验研究低掺量胶粉对SBS改性沥青性能的影响，发现随着胶粉掺量的增加(2%~6%)，复合改性沥青的低温延性降低。周志刚等^[11]指出，胶粉掺入能够吸收SBS改性沥青中的轻组分，使SBS改性沥青塑性减小，低温延度降低。LI等^[12]和李立顶^[13]利用测力延度试验评估胶粉-SBS改性沥青低温性能，发现胶粉的掺入能够降低SBS改性沥青的低温延度，提高其断裂拉力、屈服应变能及韧性比。胶粉在复合改性沥青中仅能够部分溶解，在延度张拉过程中，低模量的基体沥青在拉伸方向的变形量比胶粉大，胶粉与基体沥青之间的交界面产生应力集中，导致延度试样提前破坏，这表明延度试验在评估胶粉改性沥青低温性能方面存在一定局限性。综上可见，利用不同试验方法评估胶粉-SBS改性沥青低温性能结果存在一定的差异性。胶粉的掺入虽对复合改性沥青的延度存在不利影响，但却能够提高复合改性沥青的柔韧性和应力松弛能力。

为了进一步分析胶粉掺量、低温梯度及应力等级等因素对胶粉-SBS复合改性沥青低温黏弹性能的影响，本文将对不同胶粉掺量的复合改性沥青进行多温度梯度和多应力等级BBR试验，并结合修正Burgers模型，综合柔量、存储应变能、耗散应变能及耗散-存储应变能等对其低温黏弹性能进行研究，为胶粉-SBS改性沥青在严寒地区的应用提供参考。

1 实验部分

1.1 主要原料

苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)，SBS改性沥青中SBS的质量分数为4%，线性结构，苯乙烯(S)、丁二烯(B)质量比为4∶6，购自辽宁瑞德公路科技有限公司。表1为SBS改性沥青性能参数^[14]。橡胶颗粒，经粉磨筛分后制备成胶粉，粒径为40目，购自长春市拓展橡胶颗粒厂。表2为胶粉物理性能参数。

1.2 仪器与设备

剪切机，FM300，上海昕沪实验设备有限公司；烘箱，DHG-9035A，上海一恒科学仪器有限公司；沥青弯曲梁流变仪(BBR)，WXWQL-1，湖南旺轩科技有限公司。

1.3 样品制备

首先将SBS改性沥青置于(170±5) ℃的环境下加热至熔融状态，随后向沥青中分别加入质量分数5%、10%、15%以及20%的胶粉(按沥青质量计算)^[15-16]。之后将沥青加热至(190±5) ℃，使用剪切机高速剪切40 min(转速为3 000 r/min)后，将剪切机转速降至1 000 r/min搅拌20 min最后将剪切处理后的复合改性沥青在烘箱中溶胀60 min，烘箱温度为(175±5) ℃。作为对照组的原样SBS改性沥青也按照上述工艺处理。

将原样SBS改性沥青与4种复合改性沥青分别命名为SRP0、SRP5、SRP10、SRP15和SRP20。

1.4 BBR试验

低温韧性是评估沥青结合料低温抗开裂能力的重要指标。采用沥青弯曲梁流变仪(BBR)对胶粉-SBS复合改性沥青进行测定，表征沥青在多温度梯度条件的低温韧性。BBR试验流程依据JTG E20—2011，试验温度分别设定为-6、-12、-18、-24 ℃，试验荷载为980 mN。为了评估多级应力作用下复合改性沥青的低温韧性，依据T 0627—2011试验方法开展弯曲蠕变变形试验。针对每种沥青结合料，在每组温度及应力状况下，均安排3组平行试验，接触荷载为35 mN，试验流程持续时间240 s。图1为复合改性沥青制备及低温黏弹性能测试过程。

2 结果与讨论

2.1 低温黏弹性能

2.1.1 BBR试验结果

图2为复合改性沥青弯曲蠕变变形演变及拟合曲线。从图2可以看出，复合改性沥青的蠕变变形量随加载时间的延长而增大，并且其蠕变变形量的增加速度逐渐变缓；随试验温度的降低，复合改性沥青的蠕变变形量和蠕变速率均呈减小趋势。

这是因为随环境温度降低，沥青逐渐硬化，其抗变形能力有所增强，但同时沥青的脆性有所提高。沥青蠕变变形量(t=60 s)与试验温度变化的拟合结果显示，拟合曲线的指数幂次方系数随胶粉掺量的增加而减小。这表明胶粉可改善SBS改性沥青的低温韧性，且胶粉掺量越高，对沥青低温韧性的改善效果越佳。此外，胶粉掺量较高的复合改性沥青具有更大的蠕变变形量，其中SRP15在-6、-12、-18及-24 ℃下竖向变形分别增加9.13%、17.18%、35.87%及20.24%。结果表明，胶粉赋予沥青良好的弹性，在低温环境下掺入可使沥青吸收更大的变形能。

2.1.2 复合改性沥青低温柔韧性和应力松弛特性

为定量分析复合改性沥青的低温韧性，计算各加载时间下4种复合改性沥青的低温劲度模量S(t)，计算公式为^[17]：

S(t)=\frac{P(t)L^{\mathrm{3}}}{\mathrm{4}b{h}^{\mathrm{3}}\delta (t)}(1)

式(1)中：P(t)为施加在小梁上方的弯曲蠕变荷载，N；L、b及h分别为沥青小梁的跨长、宽度及高度，根据模具制样，对应尺寸为101.6 mm×12.7 mm×6.35 mm；\delta (t)为小梁跨中位移量随加载时间变化的函数，mm。

图3为多温度梯度复合改性沥青劲度模量演变，均为980 mN加载下的劲度模量。从图3可以看出，沥青的S(t)随实验温度的降低而显著增高。这是因为温度降低后沥青内部分子热运动变缓，分子间距离变近，分子间的相互作用使沥青内部分子相互缔结，使材料硬化、劲度模量变高。以-24 ℃复合改性沥青在60 s的S(t)为例，掺入质量分数5%、10%、15%及20%的胶粉使SBS改性沥青的S(t)分别降低3.88%、5.77%、16.42%及29.63%。表明胶粉能够显著降低复合改性沥青的S(t)，且在各温度条件下呈现相近趋势。研究表明，沥青的S(t)与其低温韧性关联密切，S(t)越大，其柔韧性越差，在低温下越易开裂^[18-19]。胶粉的掺入能够使SBS改性沥青的柔韧性显著提高，低温性能增强，进而降低了低温开裂风险，且胶粉含量越高，对沥青低温韧性改善效果越显著。此外，车辆荷载和温度荷载等外部荷载会在沥青路面内部引发应力，但沥青的应力松弛特性能够消解一部分应力，并且沥青的应力松弛性能越好，在低温环境下越能抵抗开裂^[20-21]。

美国国家沥青路面战略研究计划(SHRP)提出利用m值作为沥青应力松弛能力的定量评价指标，计算公式为：

\mathrm{l}\mathrm{g}S(t)=A+B\times \mathrm{l}\mathrm{g}t+C\times {(\mathrm{l}\mathrm{g}t)}^{\mathrm{2}}（2）

m(t)=\left|\frac{\mathrm{d}\mathrm{l}\mathrm{g}S(t)}{\mathrm{d}\mathrm{l}\mathrm{g}t}\right|=\left|B+\mathrm{2}C\mathrm{l}\mathrm{g}t\right|（3）

式(2)~式(3)中：A、B和C为待拟合参数；m(t)为表征沥青结合料松弛特性的参数。

图4为复合改性沥青m值计算结果。从图4可以看出，不同胶粉掺量下的复合改性沥青的m值均随试验温度的降低呈现减小趋势。这是因为环境温度的降低导致复合改性沥青硬化，沥青分子链的重卷曲与解缠结速度变缓，其应力松弛能力逐渐减弱。然而，在不同温度下，胶粉掺量对沥青m值的影响趋势不同，随着胶粉掺量的增加，沥青在-6 ℃和-12 ℃环境下的m值呈现减小的趋势，而在-18 ℃和-24 ℃环境下的m值呈现增加的趋势。

2.1.3 复合改性沥青低温黏弹性蠕变松弛演变

在荷载作用下，沥青的黏弹性变形主要表现为瞬时弹性变形、黏弹性变形和黏性变形这三种类型。尽管劲度模量和m值可较好地评估沥青的柔韧性和应力松弛能力，但难以全面描述复合改性沥青的三种黏弹形变规律。为此，采用修正Burgers模型拟合温度梯度下复合改性沥青的劲度模量。式(4)为该模型的本构关系。

\frac{\mathrm{1}}{S(t)}=\frac{\mathrm{1}}{E_{\mathrm{1}}}+\frac{\mathrm{1}}{AB}(\mathrm{1}-e^{-Bt})+\frac{\mathrm{1}}{E_{\mathrm{2}}}(\mathrm{1}-e^{-\frac{E_{\mathrm{2}}}{{\eta }_{\mathrm{2}}}t})(4)

式(4)中：E₁和E₂分别为复合改性沥青的瞬时弹性模量和黏弹行为弹性模量，MPa；η₂为黏弹行为黏滞系数，MPa·s；AB为复合改性沥青抵抗黏性变形的能力，MPa。

图5为多温度梯度下劲度模量修正Burgers模型拟合结果。从图5可以看出，复合改性沥青的E₁均随温度的降低显著升高，这表明温度降低后沥青的瞬时弹性变形程度减小，表明其抵抗瞬时弹性变形的能力增强，但脆性也随之增加。此外，E₂和η₂随温度的降低显著升高，表明沥青抵抗黏弹变形能力增强。复合改性沥青抵抗黏性变形的能力也随温度的降低而增强，长期单位荷载作用下的黏性变形量逐渐减小。随着温度的降低，复合改性沥青抵抗弯曲蠕变变形的能力显著增强，但脆性明显增加，降低了其整体变形能力。对比模型拟合结果可以看出，胶粉的掺入降低了复合改性沥青的E₁、E₂及η₂，改善了沥青的柔韧性。

综合蠕变柔量也可用于表征沥青在低温环境下的蠕变特性，按照修正Burgers模型拟合结果和式(5)计算得出t=60 s时复合改性沥青的综合蠕变柔量J_c^[22]。

J_{\mathrm{c}}=J_{\mathrm{v}}\left(\mathrm{1}-\frac{J_{\mathrm{e}}+J_{\mathrm{e}\mathrm{v}}}{J_{\mathrm{e}}+J_{\mathrm{e}\mathrm{v}}+J_{\mathrm{v}}}\right)(5)

式(5)中：J_e、J_ev及J_v分别为复合改性沥青瞬时弹性柔量、黏弹柔量及黏性柔量，MPa^-1。其中，J_e=1/E₁，J_ev=[1-exp(-E₂t/η₂)]/E₂，J_v=[1-exp(-Bt)]/AB。

图6为多温度梯度下复合改性沥青柔量参数计算结果。从图6可以看出，随着温度的降低，复合改性沥青的J_v、J_ev、J_e和J_c均呈现显著下降的趋势，表明沥青的应力松弛能力及柔韧性削弱，进而导致低温抗裂性能劣化。但胶粉的加入不仅能够抑制沥青柔量参数的降低，并且随着胶粉掺量的增加，各柔量参数均有提升，表明胶粉的掺入能够显著改善复合改性沥青的低温抗裂性能和低温柔韧性。

2.2 多级应力作用下的复合改性沥青低温黏弹性能

2.2.1 低温多级应力弯曲蠕变测试结果

在温度荷载或车辆荷载的作用下，沥青作为黏结剂将承受较大的拉应力或弯拉应力，当内应力过大而无法及时消散或通过沥青的松弛消解时，沥青会产生微损伤，并且在重复荷载作用下，沥青内部损伤进一步扩大，导致沥青混合料的失效^[23-25]。因此，探究沥青材料在弯拉荷载作用下的应力松弛演变过程具有重要意义。

图7为复合改性沥青多级应力弯曲蠕变测试结果。从图7可以看出，复合改性沥青的弯曲蠕变变形随应力水平的提高而显著增大。在荷载加载过程中，跨中弯曲位移变化呈现出两个阶段，在刚开始施加荷载的阶段，位移增长速率逐渐减慢，但在荷载持续作用60 s后，位移增长速率呈现线性递增趋势，表明沥青正在经历从弹性向塑性转变过程。此外，胶粉的掺入使不同测试温度下沥青的弯曲蠕变变形能力提升，这表明胶粉能够增强沥青的低温韧性，进而优化复合改性沥青的低温抗开裂损伤能力。

图8为复合改性沥青多级应力弯曲劲度模量。基于修正Burgers模型，对沥青的劲度模量曲线拟合，深入分析沥青的劲度模量特性，图9为多级应力下劲度模量修正Burgers模型拟合结果。从图9可以看出，修正Burgers模型能够较好地表征多级应力条件下复合改性沥青的劲度模量演变趋势。进一步分析发现，当掺入胶粉后，复合改性沥青的弹性成分和黏性成分的阻力响应均显著增强，其弹簧元件模量以及黏壶元件的黏滞系数均明显降低，从而提高了沥青结合料在低温条件下的韧性。

图10为多级应力作用下柔量参数计算结果。从图10可以看出，各等级加载应力条件下，J_v、J_ev、J_e及J_c随胶粉掺量的增加均呈升高趋势，表明复合改性沥青的抗低温开裂性能增强。

2.2.2 基于应变能的复合改性沥青低温抗裂性能

沥青的S和m值仅可从单一角度间接评价沥青的低温抗开裂性能，因此有学者提出采用能量指标综合评价沥青的抗开裂能力^[26]。黏弹力学理论认为，在理想状态下外部荷载对沥青所做的功包括存储应变能W_s(t)和耗散应变能W_l(t)。其中，W_s(t)对应修正Burgers模型中与弹簧元件有关的变形能，W_l(t)对应黏壶和广义黏壶元件有关的变形能。在式(4)的基础上可推导W_s(t)和W_l(t)的计算公式为：

\begin{array}{c}{W}_{\mathrm{s}}(t)={\int }_{\mathrm{0}}^t{\sigma }_{\mathrm{0}}d{\epsilon }_e(t)=\frac{{\sigma }_{\mathrm{0}}^{\mathrm{2}}}{E_{\mathrm{1}}}+{\int }_{\mathrm{0}}^t{\sigma }_{\mathrm{0}}(\mathrm{1}-e^{\frac{-E_{\mathrm{2}}t}{{\eta }_{\mathrm{2}}}})d\frac{{\sigma }_{\mathrm{0}}}{E_{\mathrm{2}}}(\mathrm{1}-e^{\frac{-E_{\mathrm{2}}t}{{\eta }_{\mathrm{2}}}})=\\ {\sigma }_{\mathrm{0}}^{\mathrm{2}}[\frac{\mathrm{1}}{E_{\mathrm{1}}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{E}_{\mathrm{2}}}(\mathrm{1}-\mathrm{2}{\mathrm{e}}^{\frac{-E_{\mathrm{2}}t}{{\eta }_{\mathrm{2}}}}+{\mathrm{e}}^{\frac{-\mathrm{2}{E}_{\mathrm{2}}t}{{\eta }_{\mathrm{2}}}})]\end{array}(6)

\begin{array}{c}{W}_{\mathrm{l}}(t)={\int }_{\mathrm{0}}^t{\sigma }_{\mathrm{0}}d{\epsilon }_v(t)=\\ {\int }_{\mathrm{0}}^t{\sigma }_{\mathrm{0}}\mathrm{d}\frac{\mathrm{1}}{AB}(\mathrm{1}-{\mathrm{e}}^{-Bt})+{\int }_{\mathrm{0}}^t{\sigma }_{\mathrm{0}}{\mathrm{e}}^{\frac{-E_{\mathrm{2}}t}{{\eta }_{\mathrm{2}}}}\mathrm{d}\frac{{\sigma }_{\mathrm{0}}}{E_{\mathrm{2}}}(\mathrm{1}-{\mathrm{e}}^{\frac{-E_{\mathrm{2}}t}{{\eta }_{\mathrm{2}}}})=\\ {\sigma }_{\mathrm{0}}^{\mathrm{2}}[\frac{\mathrm{1}}{AB}(\mathrm{1}-{\mathrm{e}}^{-Bt})+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{E}_{\mathrm{2}}}(\mathrm{1}-{\mathrm{e}}^{\frac{-\mathrm{2}{E}_{\mathrm{2}}t}{{\eta }_{\mathrm{2}}}})]\end{array}(7)

图11为多级应力作用下W_l、W_s及两者的比值W_l/s计算结果。从图11可以看出，随着加载应力的增加，沥青的W_s(t)和W_l(t)均有不同程度的降低。这表明随着荷载应力的增加，改性沥青的弹性和黏性阻力响应增强，单位荷载作用下的蠕变变形减小。此外，随着胶粉掺量的增加，复合改性沥青的W_s(t)和W_l(t)均呈增大的趋势，表明胶粉能够增强沥青的低温韧性，提高沥青低温变形所消耗的能量，提升沥青低温抗开裂性能。

W_l(t)与W_s(t)的比值，即耗散-存储应变能比W_l/s(t)可同时反映沥青的黏性和弹性成分低温变形所消耗的能量，W_l/s(t)越大，对应沥青的低温抗开裂性能越好^[27-28]。从图11c可以看出，随着加载应力的提高，不同胶粉掺量的复合改性沥青的W_l/s(t)均逐渐减小。这一趋势表明，在较高应力作用下，沥青材料的低温性能显著下降，但胶粉的加入能够起到显著的改善作用。具体而言，含有胶粉的复合改性沥青在各个应力水平下的W_l/s(t)均高于未掺胶粉的沥青。这表明胶粉的加入增强了沥青的低温抗开裂能力这表明胶粉的加入增强了沥青的低温抗裂性能，使其在不同应力条件下均可保持较好的低温使用性能。

3 结论

随着试验温度降低，复合改性沥青的蠕变变形量呈现负指数函数趋势降低，然而胶粉掺入能够显著提高SBS改性沥青低温蠕变变形量。当胶粉质量分数分别为5%、10%、15%及20%时，复合改性沥青的弯曲劲度模量相比未掺胶粉的沥青分别降低3.88%、5.77%、16.42%及29.63%。胶粉的掺入能够提高复合改性沥青的柔韧性和应力松弛能力，从而减弱降温引起的材料硬化程度，有效提升复合改性沥青的低温抗开裂性能。

当温度降低后，复合改性沥青的抵抗弯曲蠕变变形能力和脆性显著增强，变形能力减弱。胶粉的掺入能够显著降低复合改性沥青的瞬时弹性模量、黏弹行为弹性模量及黏滞系数，从而提升其柔韧性。

多级应力蠕变实验结果显示，复合改性沥青的蠕变变形量随加载应力的增大而显著增加。同时，W_s(t)、W_l/_s(t)、W_l(t)及J_c均有所降低，表明其抗低温蠕变损伤的能力减弱。然而，胶粉的掺入有助于改善复合改性沥青的低温韧性，提高其在多级应力下的抗弯拉蠕变损伤能力。

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基金资助

青海省交通运输厅科技项目(2023-07)