橡胶沥青复合材料动态剪切流变特性*

安文静,盛冬发,张思成,王怡楠,朱 军

(西南林业大学 土木工程学院 ,昆明 650224)

0 引 言

橡胶沥青复合材料作为一种典型的黏弹性材料，其动态流变力学性能比其他类型的沥青复合材料更复杂，在抗路面高温变形中起着重要作用[1-2]。同时，橡胶沥青复合材料也是一种较典型的温敏材料，不同工艺材料的路用性能差异较大。橡胶沥青复合材料是先将废旧轮胎原质加工成橡胶粉，同时加入各种高分子改性剂，并在高温条件下与基质沥青充分溶胀反水损坏性等特点，是一种理想的环保型路面材料。橡胶沥青复合材料由于加入了橡胶粉使得沥青材料的黏性和弹性提高，抗车辙能力提升，因此可广泛应用于道路结构中的应力吸收层和表面层中[4]。早在1845年，英国就开始在沥青中掺加橡胶以改善其力学性能。此后，日本、法国等国家也开始对橡胶沥青复合料的力学性能进行研究[5]。因此，橡胶沥青复合材料在国外早已得到广泛地应用[6]。在20世纪90年代之前，由于国内社会发展相对落后，汽车数量较少，旧轮胎总量不大，对环境污染影响较小。此外，废旧轮胎粉碎处理技术不太成熟，设备相对落后，复杂的社会环境等因素导致这项技术在国内没有受到足够重视。随着经济和社会发展，我国废旧轮胎的数量已跃居世界第二，橡胶回收利用迫在眉睫[7]。在绿色环保和橡胶沥青复合材料广泛应用的大背景下，我国也开展了橡胶沥青复合材料应用方面的研究。然而，国内对橡胶沥青复合材料动态剪切流变性能方面的研究仍然较少。因此，研究橡胶沥青复合材料动态流变性能具有重要意义。

黏度是橡胶沥青复合材料主要性能指标，在橡胶沥青复合材料应用更普及的国家和地区，黏度作为重要的温度控制指标而被使用[8]。黏度与橡胶沥青复合材料动态稳定性有着较强的相关性。载荷相同条件下，橡胶沥青复合材料黏度越高产生剪切变形越小，材料弹性性能恢复越好。另外，温度对橡胶沥青复合材料黏弹性影响显著。因此，想要有效提升路面抗变形能力，还需考虑橡胶沥青复合材料的变温黏弹性问题。国外通常使用Brookfield方法测定不同温度下橡胶沥青复合材料的黏度，且规范中提出橡胶沥青复合材料在135 ℃温度下的黏度不应超过3 Pa·s，用来控制规范橡胶沥青复合材料施工性能[9]。

韩丽丽等[10]通过频率扫描实验确定了储存模量、耗损模量等参数，研究结果表明在沥青混合料中添加纳米材料可以改善沥青弹性从而提高其抗车辙能力。王淋等[11]采用动态剪切流变仪对岩沥青改性沥青和SSB改性沥青等进行疲劳性能分析，研究结果表明添加5%岩沥青和18%胶粉可以提升材料的抗疲劳性能。邢明亮等[12]通过改变材料配比、温度等影响因素观察高黏沥青胶浆动态剪切流变特性，动态剪切流变试验结果表明增加沥青的黏度或增大矿粉表面积可提升高黏沥青胶浆的温敏性和抗变形性能。

本文介绍了橡胶沥青复合材料黏弹性基本理论，应用该理论和动态剪切流变实验对不同橡胶含量的沥青复合材料的动态剪切流变特性进行了研究。通过动态剪切流变仪在不同温度下对不同胶粉含量的橡胶沥青复合材料试样进行测试，得到橡胶沥青复合材料的黏度、储存模量和损耗模量，将理论与实验的结果进行对比发现理论值与实验值吻合较好。

1 橡胶沥青复合材料黏弹性基本理论

橡胶沥青复合材料的三参量流变模型[13]是由一个Kelvin模型和一个弹簧串联而成，如图1所示。

图1 橡胶沥青复合材料三参量流变模型

该模型的应力σ和应变ε可用元件参量表示为

(1)

式中：ε1为蠕变应变，ε2为弹性应变。E1、E2为弹性模量，η1为黏度。由Laplace变换与逆变换可导出该力学模型的本构关系为

(2)

式中各物理参数为p1=η1/(E1+E2)，q0=E1E2/(E1+E2)，q1=E2η1/(E1+E2)。

对该模型的本构方程(2)作Laplace变换与逆变换，可导出橡胶沥青复合材料的蠕变过程与松弛过程的表达式为

(3)

(4)

令

(5)

(6)

通过实验数据发现橡胶沥青复合材料的黏度η1与温度T呈现二次幂函数关系，与橡胶粉掺量M呈现指数关系，而与时间的关系较为复杂，并未发现明显的规律。因此，利用DSR黏度预估模型得到橡胶沥青复合材料的理论黏度η1为

η1=a(T+b)2·ecM+d

(7)

式中，a、b、c、d为待定常数。以橡胶粉掺量M=5%为例，由不同温度下的DSR黏度数据，采用Origin软件的函数拟合功能，对黏度预估模型的4个待定参数进行了拟合，得到待定常数a、b、c、d分别为1、-93.31、-264.17和0.0013。其拟合曲线如图2所示。

图2 黏度预估模型温度谱

将待定常数代入黏度目标预估模型，即可得到DSR黏度预估模型为

η1=(T-93.31)2·e-264.17M+0.0013

(8)

从该预估模型相关性分析可知其相关系数为0.979，说明该黏度预估模型具有较高的精度。对于不同橡胶粉掺量，由其得到的待定常数和由橡胶数掺量M=5%得到的待定常数相同。限于篇幅原因，这里不再对其他橡胶粉掺量的黏度目标预估模型进行拟合。

由松弛模量与复模量的转换关系式，可得到复模量的实部(储存模量G′)和复模量的虚部(损耗模量G″)即

(9)

(10)

式中，ω为实验频率，其值取1.59156 Hz。并且可以定义损耗因子(即损耗角正切值)为

(11)

表1为3种橡胶沥青复合材料在不同时刻下的应变量，{εi}为其对应的应变列阵。由式(6)采用最小二乘法原理对实验数据进行曲线拟合，即

表1 3种橡胶沥青复合材料不同时刻的应变量

{|δ|}2={|Δε|}2=(Δε)TΔε=({εi}-{J(ti)}σ0)T({εi}-{J(ti)}σ0)

(12)

为了求得3种橡胶沥青复合材料的弹性模量E1、E2，可对式(12)隐含的未知量p1、q1分别求导，并令其导数等于零，可得到未知量p1、q1。再根据由实验确定的黏度η1可得到材料的两个弹性模量E1和E2，如表2所示。

表2 3种橡胶沥青复合材料的弹性参量

将所求得的流变参量E1、E2、η1代入式(9)～(11)，可得到不同温度下橡胶沥青复合材料的储存模量、损耗模量以及损耗因子的理论值。

2 实验与结果分析

2.1 动态剪切流变实验

实验所用橡胶粉为常温研磨法生产的废胎胶粉，取自上海(大货子午胎)；基质沥青为70号A级道路石油沥青，由上海宏润建设集团股份有限公司生产。橡胶沥青制备采用湿法工艺，将3份相同基质沥青加热到180～185 ℃，分别加入5%、10%和15%橡胶粉(外掺)，均采用高速剪切机分别进行搅拌，速度为1 000 r/min，反应时间为60 min。实验仪器为动态剪切流变仪，型号为Smart Pave 92，由上海商贸有限公司安东帕公司生产。

采用动态剪切流变仪对橡胶沥青复合材料的黏度(η)、储存模量(G′)、损耗模量(G″)和损耗因子(tanδ)进行测定。温度变化范围为20～100 ℃，升温速度约为1 ℃/min，测量频率为1.59156 Hz。采用实验模具分别制作5%、10%和15%橡胶沥青复合材料试样，然后分别将试样放于DSR仪器的旋转轴和固定板间。将超出旋转轴边缘的试样部分修正规整，然后再消除试样之间的间隙。将橡胶沥青复合材料试件放置好，试验温度稳定后等待温度同测试温度平衡，为了方便控制参数和记录实验结果将计算机同DSR相连。随后在不同温度下对橡胶沥青复合材料的动态剪切流变力学特性进行测试。利用DSR分析仪对胶沥青复合材料进行动态黏弹性测定，分别得到橡胶沥青复合材料的黏度、储存模量、损耗模量和损耗因子等参数。

2.2 结果与讨论

将实验测得的黏度、储存模量、损耗模量和损耗因子等参数与理论值进行对比分析。图3、图4分别为测量频率1.59156 Hz下，5%、10%和15%橡胶沥青复合材料黏度η与储存模量G′温度谱的实验值与理论值对比。由图3可知，在DSR测试下，随着测试温度升高，橡胶沥青复合材料的黏度都呈现降低趋势；而随着胶粉含量增大，橡胶沥青复合材料的黏度均呈现增大的趋势。由图4可知，在DSR测试下，随着测试温度升高，橡胶沥青复合材料试样的储存模量都有降低趋势；而随着胶粉含量增大，橡胶沥青复合材料的储存模量均呈现增大的趋势。

图3 不同粉胶含量材料黏度的温度谱

图4 不同粉胶含量材料储存模量的温度谱

图5、6分别为测量频率为1.59156 Hz下，5%、10%和15%橡胶沥青复合材料试件损耗模量G″与损耗因子温度谱的实验值与理论值对比。由图5可知，在DSR测试下，随着测试温度升高，橡胶沥青复合材料试样的损耗模量都有降低趋势；而随着胶粉含量增大，橡胶沥青复合材料的损耗模量均呈现增大的趋势。由图6可知，在DSR测试下，随着测试温度升高橡胶沥青复合材料试样的损耗因子均有增大的趋势；而随着胶粉含量增大，橡胶沥青复合材料的损耗因子却呈现降低的趋势。

图5 不同粉胶含量材料损耗模量的温度谱

图6 不同粉胶含量材料损耗模量的温度谱

3 结 论

利用Origin软件函数拟合功能,对黏度预估模型的4个待定参数进行了拟合。利用三参量流变模型，推导了橡胶沥青复合材料黏弹性的动态剪切流变参数。采用动态剪切流变仪(DSR)对5%、10%和15%橡胶沥青复合材料试件进行剪切流变实验，将实验结果与理论结果进行比较，得到如下结论：

(1)通过Origin软件函数拟合功能得到DSR黏度目标预估模型的4个待定参数，该模型与实验结果的拟合相关系数为0.979，表明该模型可为橡胶沥青复合材料黏度受温度影响提供一定参考依据。

(2)利用三参量流变模型，推导了橡胶沥青复合材料黏弹性的动态剪切流变参数。利用三参量流变模型和DSR黏度目标预估模型求出了橡胶沥青复合材料黏度、储存模量和损耗模量和损耗因子。

(3)随着温度升高，橡胶沥青复合材料黏度、储存模量和损耗模量呈现降低趋势，而其损耗因子呈增大趋势。而随着胶粉含量增大，胶沥青复合材料黏度、储存模量和损耗模量均呈现增大趋势，而损耗因子却呈现降低趋势。由于材料储存模量越大，损耗因子越小，材料愈接近理想弹性材料，因此15%橡胶沥青复合材料动态流变特性要优于5%、10%橡胶沥青复合材料。