橡胶沥青作为目前国内应用前景广阔的一种沥青材料，源自1843年英国发明的一项专利，继而在世界各地得到一定的热捧和推广。国内外对橡胶沥青进行了较为系统的研究，然而时至今日，国内外并没有形成一套系统的测试体系对橡胶沥青进行合理评价，尤其对于针入度和弹性恢复两项指标评价存在缺陷。

美国橡胶沥青技术指南采用弹性恢复作为表征橡胶沥青抗疲劳和抗反射裂缝性能指标，弹性恢复指标是评价橡胶沥青技术性能的一个重要指标。刘少文^[1]等通过研究得出回弹恢复用来评价橡胶沥青弹性恢复能力更为合理，更能评价橡胶沥青胶结料在毫米级范围的变形弹性性能。王铁庆^[2]较为系统地研究了弹性恢复和回弹恢复二者之间的差异及相关性，并证明回弹恢复更能反映橡胶沥青的实际受力状态。杨人凤^[3]考虑到橡胶沥青的拉伸能力远差于普通沥青，采用普通沥青弹性恢复能力的评价体系易造成试验数据失真现象。

本研究在对橡胶粉与基质沥青的配伍性研究过程中，初步探讨了沥青四组分与橡胶沥青性能指标之间的关联性，发现传统针入度和弹性恢复两种试验评价橡胶沥青并不合适，而且现在国内尚没有给出橡胶沥青感温性指标^[4]。本研究在现有的研究基础上，提出球入度和锥入度两项橡胶沥青评价指标，并系统研究针入度和锥入度、弹性恢复和回弹恢复指标之间的等效性，为实际施工中合理选用橡胶沥青弹性性能评价指标提供依据。

针入度测定能够掌握不同沥青的黏稠性及进行沥青标号的划分，且可以用来描述沥青的温度敏感性，即针入度指数。针入度指数可在15，25，30 ℃等多个温度条件下测定。若30 ℃时的针入度过大，可采用5 ℃代替。

稠度是表征沥青胶结料抵抗外力作用下的流动特性。锥入度试验能更好地表征橡胶沥青在常温下的流动性。其工作原理是利用土工试验中测定土的抗剪强度原理，通过测定橡胶沥青锥入度和计算抗剪强度大小来评价橡胶沥青的高温稳定性。在相同试验温度条件下，锥入度越小，抗剪强度越大，橡胶沥青的高温稳定性越好。锥入度试验是将锥入度安置于针入度仪上，按照常规针入度试验方法进行操作，精确至0.1 mm。圆锥贯入器的尺寸和技术要求应符合规定，圆锥体和锥入度仪的主轴与附件的总质量共为(300±0.1)g，根据需求圆锥贯入器有大小之分。

弹性恢复试验按照国标常规试验进行，可参考规范(T0662—2000)。回弹恢复试验(ASTM D5329)是用来测量黏结剂材料在受到挤压后回弹能力的试验。回弹恢复试验用一个圆球贯入工具来取代标准的试针在针入度试验装置上实施。

受篇幅所限，本研究只列出一种基质沥青即泰普克基质沥青，其主要技术指标参见文献[5]，此处略。

本研究采用广西某科研院生产的RV2橡胶粉和广东某公司生产的HD2橡胶粉。其中RV2橡胶粉的物理、化学指标如表 1、表 2所示。

为验证采用常规沥青评价体系评价橡胶沥青的可行性，本研究采用1种脱硫胶粉(HD2)与3种基质沥青(即东海基质沥青、壳牌基质沥青、泰普克基质沥青和埃索基质沥青)，在剪切和搅拌两种加工工艺下制备橡胶沥青，并对其基本性能指标进行测试，结果如表 3所示。

由表 3和图 1可以看出从不同基质沥青，两种工艺制备的橡胶沥青针入度来看，由于受到胶粉颗粒的影响，其离散型较大，即不同品种胶粉制成的橡胶沥青之间针入度差异很大，同类基质沥青不同制备工艺条件下，针入度相差也很大，可见标准的25 ℃针入度已不适用于橡胶沥青。而且在试样制备过程中，橡胶沥青表面出现凹凸不平、未彻底溶胀的胶粉颗粒，使得在针入度试验时常出现针头针入胶粉颗粒，导致结果不准确或离散型较大。故而，需要寻找较大针头避免此类问题的发生。

图 1 针入度对比图 Fig. 1 Comparison of penetrations

由表 4和图 2可知橡胶沥青具有较高的软化点，说明橡胶沥青的高温稳定性性能优越，在高温地区可有效防止路面泛油和车辙等病害的产生。

图 2 软化点对比图 Fig. 2 Comparison of softening points

相关研究得出，胶粉掺量一般在内掺19%~22%之间才能使橡胶沥青黏度维持在1.5~4.0 Pa·s，且国内众多学者都采用177 ℃旋转黏度进行试验。黏度越低，橡胶沥青越能体现出较好的施工和易性，由图 3可见采用180 ℃黏度指标是合理的。

图 3 180 ℃黏度指标对比图 Fig. 3 Comparison of 180 ℃ viscosity indicators

延度试验结果不仅体现橡胶沥青承受拉伸的耐久性能力，而且反映出橡胶沥青各组成部分的内在联系和沥青的塑性性能。由于胶粉颗粒的存在，橡胶粉与基质沥青未能充分溶解，形成应力集中，拉断的断口粗糙而宽，测得的橡胶沥青延度普遍偏低，如图 4所示。可见延度指标不能客观评价橡胶沥青的低温抗裂性能。

图 4 延度指标对比图 Fig. 4 Comparison of ductility indicators

由图 5可见，所检测的弹性恢复指标均低于相关规范，这与橡胶沥青较强的自回弹和自愈合性能不符，合理进行评价橡胶沥青回弹恢复性能有待进一步确定。

图 5 弹性恢复指标对比图 Fig. 5 Comparison of elastic recovery indicators

本研究采用10，15，20，25，30 ℃等不同试验温度下测试橡胶沥青进针入度，并将其中3个温度的针入度进行回归分析，并计算不同温度区间的对应PI。两种橡胶沥青的针入度试验结果如表 4所示。由测试数据结果可以看出由于橡胶沥青当中橡胶颗粒的存在，在对试样进行针入度试验时，同一试样所得数据出现个别结果偏大或偏小，分析是由于橡胶颗粒的影响。对比发现，胶粉颗粒的存在，针入度测试数据离散性较大，不同品种橡胶沥青针入度数据差异明显。为进一步分析针入度指数PI的适用性，对试验数据进行回归分析，如表 5所示。

对比图 6可见，不同橡胶沥青及不同温度区域的PI绝对值相差较大，且离散性较高，针入度的微小变动易导致PI的差异存在。在进行针入度试验过程中，由于胶粉颗粒的存在，指针触及胶粉颗粒的试验数值不能客观反映橡胶沥青针入度数据的真实性。可见，采用针入度及PI绝对值评价橡胶沥青是不合适的，这对评价橡胶沥青温度敏感性评价指标和试验方法提出新的要求。

图 6 橡胶沥青在不同温度区间针入度指数绝对值 Fig. 6 Absolute values of rubber asphalt penetration indicator in different temperature ranges

为进一步分析橡胶沥青胶浆温度敏感性，本研究采用VTS黏温指数来评价橡胶沥青的感温特性，黏温指数表征橡胶沥青胶结料的感温性特性。

(1)

式中, η₁和η₂为不同温度T₁及T₂时的黏度。

表 6列出橡胶沥青及不同粉胶比下的橡胶沥青胶浆黏温指数。对比发现掺加矿粉后，胶浆的黏温指数绝对值变小，即感温性减弱。橡胶沥青胶浆的感温性优于橡胶沥青，当胶粉掺量为20%时，粉胶比为1.0的黏温指数最大，据此初步确定橡胶沥青胶浆最佳粉胶比为1.0。

为了进一步评价橡胶沥青胶结料的温度敏感性，试验选对基质沥青、改性沥青及橡胶沥青及不同粉胶比下的橡胶沥青胶浆利用动态剪切流变仪DSR进行温度扫描。分别对lg G′，lg G″和lg T进行回归后，发现lg G′，lg G″与lg T存在线性相关关系，如图 7~图 8所示。其中不同粉胶比下的橡胶沥青胶浆的lg G′，lg G″和lg T进行回归方程如表 7所示。

图 7 存储模量对数与温度对数关系图(胶浆) Fig. 7 Relation between logarithmic storage modulus and logarithmic temperature(mortar)

图 8 损耗模量对数与温度对数关系图(胶浆) Fig. 8 Relation between logarithmic loss modulus and logarithmic temperature(mortar)

由关系曲线图 7~图 8可见，基质沥青、改性沥青、橡胶沥青、橡胶复合改性沥青及橡胶沥青胶浆的lg G′, lg G″, lg T′均存在较好的线性相关关系。本研究采用以复数形式对沥青及橡胶沥青胶结料的温度敏感性进行如下定义：

(2)

式中：CNI，G′TS，G″TS分别为沥青胶结料温度敏感性复数指数、存储模量温度敏感性指数、损耗模量温度敏感性指数。其中损耗模量温度敏感性指数是指存储模量对数与温度对数线性回归斜率绝对值；损耗模量温度敏感性指数是指损耗模量对数与温度对数回归斜率绝对值。据此得出基质沥青、改性沥青、橡胶沥青及橡胶粉复合改性沥青的温度敏感性复数指数如表 7所示。

由表 7和表 8可知，本研究提出的复数指数法CNI量化表征沥青胶结料存储模量和损耗模量的温度敏感性，同时对沥青胶结料的温度敏感性进行整体评价。在理论上给出了橡胶沥青胶结料的温度敏感性指标，从而避免了针入度及针入度指数PI评价橡胶沥青胶结料温度敏感性的局限性。

(1) 二者与黏度指标间的相关性对比

高温黏度是橡胶沥青关键技术指标，是评价橡胶沥青施工和易性现场控制的有效有效手段，可宏观反映在橡胶沥青的锥入度或针入度指标上。因此，有必要对锥入度和针入度与橡胶沥青高温黏度的相关性进行对比研究。选取室内17组橡胶沥青的针入度和锥入度试验结果分别与对应的橡胶沥青180 ℃高温黏度进行相关性分析，如图 9~图 10所示。

图 9 针入度与180 ℃布氏黏度相关性 Fig. 9 Correlation between Penetration and 180 ℃ brinell viscosity

图 10 锥入度与180 ℃布氏黏度相关性 Fig. 10 Correlation between cone penetration and 180 ℃ Brookfield viscosity

针入度与180 ℃布氏黏度间的关联分析如图 9所示。其相关分析拟合公式为Y=0.002x²-0.237 7x+6.660 3, 相关系数仅为R²=0.112 1，样本数n为17。从图 9可见，针入度与橡胶沥青180 ℃布氏黏度之间存在较大离散性。锥入度与180 ℃布氏黏度间的关联分析如图 10所示。其相关分析拟合公式为Y=0.026 4x²-2.941 9x+82.615, 相关系数R²达0.562 4，样本数n为17。锥入度试验反映出橡胶沥青的抗剪切性能，直观表现为橡胶沥青的流动性，在一定程度上反映出橡胶沥青的施工和易性。180 ℃布氏黏度反映出橡胶沥青的高温流变性能。对比针入度、锥入度与180 ℃布氏黏度的拟合程度得出，锥入度的拟合程度较针入度高。从二者与橡胶沥青高温黏度的相关系数来看，二者与橡胶沥青高温黏度相关性并不理性。出现该结果的原因是由于橡胶沥青当中有胶粉颗粒存在，在一定程度上影响橡胶沥青胶体结构的抗剪切性能及其流动性。为避免胶粉颗粒对检测指标的影响，准确体现橡胶沥青胶体结构的物理特性，本研究针对橡胶沥青胶浆体系测试针入度、锥入度和不同高温条件下(135，165, 180 ℃)橡胶沥青胶浆体系黏度指标。其中选用上文提供的两种类型(RV2和HD2)橡胶沥青，粉胶比分别为0.6，0.8，1.0和1.2。测试橡胶沥青胶浆体系针入度和锥入度分别与不同高温条件下(135，165, 180 ℃)橡胶沥青胶浆体系黏度指标的相关性，如图 11~图 12所示。

图 11 针入度与橡胶沥青胶浆体系不同温度下布氏黏度相关性 Fig. 11 Correlation between penetration and Brookfield viscosity of rubber asphalt mortar system at different temperatures

图 12 锥入度与橡胶沥青胶浆体系不同温度下布氏黏度相关性 Fig. 12 Correlation between cone penetration and Brookfield viscosity of rubber asphalt mortar system at different temperatures

由图 11可知，橡胶沥青胶浆体系针入度与其不同温度下的布氏黏度相关性较差，相关系数分别为135 ℃温度下R²=0.562 2，165 ℃温度下R²=0.484 9，180 ℃温度下R²=0.423 1。相反，橡胶沥青胶浆体系锥入度与其不同温度下的布氏黏度具有较好的相关性，相关系数分别为135 ℃温度下R²=0.908 6，165 ℃温度下R²=0.901 0，180 ℃温度下R²=0.915 9。随着温度的增加，橡胶沥青胶浆体系的锥入度及其布氏黏度均减小，二者呈现相同变化趋势。可见在排除橡胶颗粒对指标测试结果产生影响的前提下，锥入度评价指标更为适合评价橡胶沥青及其胶浆体系的。

(2) 针入度与锥入度之间相关性分析

为进一步分析锥入度作为评价橡胶沥青性能指标的适用性，本研究选取橡胶沥青针入度和锥入度样本数n为12，分析二者相关性，如图 13所示。锥入度与针入度之间的关联拟合公Y=0.751 9x+20.893, R²=0.905 9。可见，锥入度与针入度之间存在较好的相关性，由此反映出将锥入度作为评价橡胶沥青的感温性能是可行的。

图 13 锥入度与针入度相关性 Fig. 13 Correlation between cone penetration and needle penetration

(1) 二者与黏度指标间的相关性对比

鉴于上文分析，对弹性恢复和回弹恢复与高温条件下橡胶沥青布氏黏度相关性进行分析。弹性恢复与180 ℃布氏黏度间的关联分析如图 14所示。其相关分析拟合公式为Y=11.73x²-33.478x+73.964, R²=0.023 6，样本数n为17。相关系数仅为0.023 6，排除个别伪值外，该相关性在一定程度上反映出弹性恢复指标评价橡胶沥青弹性恢复能力存在一定的缺陷，有必要进一步发掘出适用于评价橡胶沥青弹性恢复性能的指标。

图 14 弹性恢复与180 ℃布氏黏度相关性 Fig. 14 Correlation between elastic recovery and 180 ℃ Brookfield viscosity

回弹恢复与180 ℃布氏黏度间的关联分析见图 15所示。其相关分析拟合公式为Y=6.701 3x²-11.77x+8.378，R²=0.834 6，样本数n为10。由相关系数可见，回弹恢复与180 ℃之间存在较好的相关性，实际应用当中可以采用球入度作为评价橡胶沥青的弹性恢复性能。

图 15 回弹恢复与180 ℃布氏黏度相关性 Fig. 15 Correlation between rebound recovery and 180 ℃ Brookfield viscosity

借鉴分析针入度与锥入度相关性分析，进一步探讨弹性恢复和回弹恢复指标评价橡胶沥青胶浆体系的合理性，选取同样的橡胶沥青，粉胶比分别为0.6，0.8，1.0，1.2。测试弹性恢复与回弹恢复指标与不同高温条件下(135，165，180 ℃)橡胶沥青胶浆体系布氏黏度之间的相关性，如图 16~图 17。由图 16可知，橡胶沥青胶浆体系弹性恢复与其不同温度下的布氏黏度相关性较差，相关系数分别为135 ℃温度下R²=0.685 8，165 ℃温度下R²=0.616 9，180 ℃温度下R²=0.658 2。相反，橡胶沥青胶浆体系回弹恢复与其不同温度下的布氏黏度具有较好的相关性，相关系数分别为135 ℃温度下R²=0.940 7，165 ℃温度下R²=0.921 7，180 ℃温度下R²=0.943 1。可见相比弹性恢复指标，回弹恢复评价指标更为适合评价橡胶沥青及其胶浆体系的弹性恢复性能。

图 16 弹性恢复与橡胶沥青胶浆体系不同温度下布氏黏度相关性 Fig. 16 Correlation between elastic recovery and Brookfield viscosity of rubber asphalt mortar system at different temperatures

图 17 回弹恢复与橡胶沥青胶浆体系不同温度下布氏黏度相关性 Fig. 17 Correlation between rebound recovery and Brookfield viscosity of rubber asphalt mortar system at different temperatures

(2) 弹性恢复与回弹恢复之间相关性分析

为进一步分析回弹恢复作为评价橡胶沥青性能指标的适用性，将弹性恢复与回弹恢复之间进行相关性分析，如图 18所示。样本数n为12，弹性恢复与回弹恢复之间的关联拟合公式为Y=5.157 6x-19.895，R²=0.862 6。由二者的相关系数可知弹性恢复与回弹恢复之间存在较好的相关性，由此反映出将球入度作为评价橡胶沥青的弹性恢复性能是可行的。

图 18 弹性恢复与回弹恢复相关性 Fig. 18 Correlation between elastic recovery and rebound recovery

针入度与锥入度二者均能反映橡胶沥青抗剪切性能及其流动特性。弹性恢复与回弹恢复用来表征橡胶沥青的黏弹恢复特性。从实验测试结果来看，彼此间存在一定的差异，分析其原因归纳为以下两点：第一，试验检测方法及测试设备不同从而使得橡胶沥青材料在试验测试方法操作过程中的受力状态不同。针入度采用标准针对橡胶沥青测试抗剪性，由于标准针针头较细，胶粉颗粒的客观存在，导致橡胶沥青针入度数值偏差较大，不能准确评价橡胶沥青的抗剪切性能。而锥入度采用较大重量锥形器具，能够有效避免胶粉颗粒的影响，正确评价橡胶沥青的抗剪切性。弹性恢复试验中橡胶沥青受到基质沥青的影响，试验过程中弹性较大的胶粉颗粒对橡胶沥青的变形量影响较大。回弹恢复试验中橡胶沥青受基质沥青和橡胶粉的二者共同作用，能够准确反映出橡胶沥青在毫米级范围内的回弹恢复变形反应。第二，橡胶沥青在弹性恢复试验中，拉伸受力状态受到胶粉颗粒的影响造成橡胶粉颗粒与基质沥青两相界面处于应力集中状态，极易发生断裂分离，不能客观反映橡胶沥青的实际收缩恢复能力。相反，回弹恢复可有效避免该现象发生。

(1) 针入度作为评价橡胶沥青感温性能的量化指标缺乏一定的适用性，锥入度可作为室内评价橡胶沥青的检测指标；温度敏感性复数指数CNI可作为评价橡胶沥青、改性橡胶沥青、橡胶沥青胶浆等各沥青胶结料的温度敏感性指标。

(2) 弹性恢复指标在一定程度上不能完全反映出橡胶沥青弹性恢复性能的优良特性。球入度作为回弹恢复试验的评价指标，更能合理评价橡胶沥青的弹性恢复特性。

(3) 延度作为评价橡胶沥青的低温抗裂性能缺乏科学性，后续研究工作可将其作为研究方向，确定出评价橡胶沥青低温性能的科学、合理、适用的指标体系。