泡沫溫拌再生瀝青抗疲勞性能

張黎紅，羅有權(quán)，董則軍，張新民，王 娟

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650011；2.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

泡沫溫拌再生瀝青抗疲勞性能

張黎紅1，羅有權(quán)1，董則軍1，張新民1，王 娟2

(1.云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650011；2.揚(yáng)州大學(xué) 水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009)

為了研究回收瀝青摻量對(duì)泡沫溫拌再生瀝青抗疲勞性能的影響，采用三大指標(biāo)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)，測(cè)試了不同回收瀝青摻量下的泡沫溫拌再生瀝青抗疲勞性能的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著回收瀝青摻量的增加，泡沫溫拌再生瀝青的疲勞因子和極限疲勞溫度值逐漸增大，疲勞壽命值不斷減小，抗疲勞性能不斷變差；當(dāng)回收瀝青摻量大于等于60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，泡沫溫拌再生瀝青的抗疲勞能力顯著變差。回收瀝青使泡沫溫拌再生瀝青的表面由光滑細(xì)膩逐漸變?yōu)榍逦鸟薨?，剛性增?qiáng)。

泡沫溫拌瀝青；溫拌再生；抗疲勞性能

0 引言

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于溫拌再生瀝青技術(shù)已進(jìn)行了一些相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]研究發(fā)現(xiàn)溫拌再生瀝青技術(shù)能夠提高瀝青混合料的疲勞性能和路用性能。文獻(xiàn)[2]利用凝膠滲透色譜(gel permeation chromatography，GPC)和傅里葉轉(zhuǎn)換紅外線光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)T-IR)研究了回收瀝青的混合狀況，發(fā)現(xiàn)兩種瀝青不是完全均勻混合的。原樣瀝青在滲透到再生瀝青混合料(reclaimed asphalt pavement，RAP)的瀝青中時(shí)，其大分子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高。文獻(xiàn)[3]研究了回收瀝青摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為20%、30%、40%和50%時(shí)，RAP中的溫拌再生瀝青在3個(gè)老化階段的流變性能，發(fā)現(xiàn)回收瀝青會(huì)降低溫拌再生瀝青膠結(jié)料的疲勞性能。文獻(xiàn)[4]通過對(duì)RAP摻量為40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的溫拌再生瀝青混合料路用性能的研究，發(fā)現(xiàn)RAP摻量增加會(huì)降低混合料的低溫性能和疲勞性能。文獻(xiàn)[5]研究了溫拌再生瀝青混合料(RAP摻量為45%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))后的疲勞性能，研究結(jié)果表明：溫拌再生瀝青混合料的疲勞性能比常規(guī)熱拌瀝青的差，但是比熱再生瀝青混合料要好，并且溫拌再生瀝青混合料的疲勞作用次數(shù)是熱拌再生瀝青混合料的1.5倍。

目前的研究主要針對(duì)添加溫拌劑的溫拌再生技術(shù)，而對(duì)泡沫溫拌再生瀝青抗疲勞性能的研究卻并不多見，回收瀝青對(duì)泡沫溫拌再生瀝青疲勞性能影響如何亦不明確。因此，本文采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)所得的極限疲勞溫度和疲勞壽命，對(duì)泡沫溫拌再生瀝青(回收瀝青摻量分別為0%、20%、40%、60%和80%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的抗疲勞性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并采用掃描電鏡從微觀角度觀察回收瀝青摻量對(duì)泡沫溫拌再生瀝青的影響，從而為泡沫溫拌再生技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料與方法

通過離心抽提、礦粉沉淀和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法[6-7]回收使用6年左右的舊瀝青路面膠結(jié)料，對(duì)所回收的瀝青膠結(jié)料進(jìn)行性能測(cè)試，基本技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 回收瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)

泡沫溫拌瀝青的制備選用70#道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，其基本性能指標(biāo)如表2所示。采用德國(guó)維特根WLB 10型瀝青發(fā)泡試驗(yàn)機(jī)，在145 ℃發(fā)泡溫度、1.5%發(fā)泡用水量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和25 ℃發(fā)泡水溫的條件下制得泡沫溫拌瀝青。

表2 基質(zhì)瀝青的基本性能指標(biāo)

在高性能瀝青路面規(guī)范中，瀝青膠結(jié)料抗疲勞性能，采用經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱和壓力老化儀老化后的G*·sinδ值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并要求G*·sinδ值不超過5 MPa[8-9]。同時(shí)，剪切模量G*也是瀝青老化后性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用剪切模量衰減到初始值的50%作為疲勞壽命Nf 50，評(píng)價(jià)泡沫溫拌再生瀝青的抗老化性能[10-11]。

瀝青的短期老化采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T0610-2011試驗(yàn)方法進(jìn)行。長(zhǎng)期老化采用標(biāo)準(zhǔn)的壓力老化容器(pressurized aging vessel,PAV)進(jìn)行老化試驗(yàn)，試驗(yàn)條件：壓力為2.1 MPa、溫度為90 ℃、時(shí)間為20 h。動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)采用美國(guó)TA-AR1500EX型動(dòng)態(tài)剪切流變儀(dynamic shear rheometer，DSR)進(jìn)行，試驗(yàn)方法和步驟按照AASHTO T315規(guī)范的要求進(jìn)行。

掃描電子顯微鏡可以對(duì)兩種材料融合后的微觀狀態(tài)進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。本次試驗(yàn)采用KYKY-2000型掃描電子顯微鏡研究回收瀝青摻量對(duì)泡沫溫拌再生瀝青狀態(tài)的影響，從微觀角度探究泡沫溫拌再生瀝青的抗疲勞性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 瀝青三大指標(biāo)

在對(duì)泡沫溫拌再生瀝青的疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)之前，先對(duì)不同回收瀝青摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、20%、40%、60%和80%，下同)的泡沫溫拌再生瀝青膠結(jié)料試樣進(jìn)行三大指標(biāo)(軟化點(diǎn)、延度、針入度)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 泡沫溫拌再生瀝青的三大指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

從表3可以看出：隨著回收瀝青摻量的增加，泡沫溫拌再生瀝青的軟化點(diǎn)值越來越高，增幅逐漸增大，且當(dāng)回收瀝青摻量達(dá)到80%時(shí)，泡沫溫拌再生瀝青的軟化點(diǎn)值達(dá)到68.6 ℃，其高溫性能明顯改善。而泡沫溫拌再生瀝青的低溫延度值和針入度值呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，表明其低溫性能和溫度敏感性能逐漸降低。在回收瀝青摻量小于60%時(shí)，泡沫溫拌再生瀝青在15 ℃條件下的延度值仍然可以滿足規(guī)范(不低于100 cm)的要求。分析其原因，由于回收瀝青已經(jīng)老化，瀝青質(zhì)含量較多，導(dǎo)致其彈性減弱。而瀝青質(zhì)較硬，它的存在可改善瀝青的高溫性能，但瀝青質(zhì)含量過多，會(huì)使瀝青的延度大大減少，易于脆裂。所以當(dāng)回收瀝青的摻量逐漸增加時(shí)，整個(gè)泡沫溫拌再生瀝青體系的剛性增強(qiáng)，變的“脆而硬”，其軟化點(diǎn)和針入度值逐漸升高；同時(shí)整個(gè)泡沫溫拌再生瀝青體系的彈性和韌性降低，在受力時(shí)容易斷裂，所以其延度逐漸減小，低溫抗裂性能變差。

2.2 極限疲勞溫度

對(duì)不同回收瀝青摻量條件下的泡沫溫拌再生瀝青膠結(jié)料試樣，進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱及壓力老化容器老化后的疲勞因子G*·sinδ測(cè)試，建立疲勞因子對(duì)數(shù)值 lg (G*·sinδ)-溫度T關(guān)系圖，見圖1。表4為圖1中數(shù)據(jù)擬合所得的回歸方程。

圖1 泡沫溫拌再生瀝青l(xiāng)g (G*·sin δ)-T關(guān)系圖

回收瀝青摻量/%回歸方程相關(guān)系數(shù)0y=-0.0657x+4.9890R2=0.997520y=-0.0638x+5.2609R2=0.996640y=-0.0608x+5.4106R2=0.997960y=-0.0530x+5.5142R2=0.997280y=-0.0550x+5.6922R2=0.9978

根據(jù)表4中擬合的回歸方程，計(jì)算疲勞因子G*·sinδ=5.0 MPa時(shí)的溫度，即可以得到泡沫溫拌再生瀝青的極限疲勞溫度FTf。FTf計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 泡沫溫拌再生瀝青的極限疲勞溫度FTf值

由圖1可看出：隨著回收瀝青摻量的增加，泡沫溫拌再生瀝青的疲勞因子逐漸增大。從表5中數(shù)據(jù)可以看出：泡沫溫拌再生瀝青的極限疲勞溫度值也隨著回收瀝青摻量的增加而逐漸增大，表明泡沫溫拌再生瀝青的抗疲勞性能不斷變差；當(dāng)回收瀝青摻量為60%和80%時(shí)，泡沫溫拌再生瀝青的極限疲勞溫度值的增加明顯，增幅分別為74.4%和84.5%，表明泡沫溫拌再生瀝青的抗疲勞能力有顯著變差跡象。

圖2 泡沫溫拌再生瀝青G*與荷載作用次數(shù)的關(guān)系

2.3 疲勞壽命

對(duì)不同回收瀝青摻量條件下的泡沫溫拌再生瀝青膠結(jié)料試樣在應(yīng)力(0.4 MPa)控制模式下，采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀進(jìn)行15 ℃的時(shí)間掃描[12-13]，得到復(fù)數(shù)剪切模量G*與荷載作用次數(shù)的關(guān)系,如圖2所示。并采用復(fù)數(shù)剪切模量衰減到初始值50%的Nf 50作為其疲勞性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)表4和圖2可以得出不同回收瀝青摻量下泡沫溫拌再生瀝青的疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Nf 50，具體結(jié)果如表6所示。

表6 泡沫溫拌再生瀝青的Nf 50值

從表6中數(shù)據(jù)可以看出：隨著回收瀝青摻量的增加，泡沫溫拌再生瀝青的疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Nf 50值在不斷減小，且其減幅在不斷增大，表明泡沫溫拌再生瀝青的疲勞性能在逐漸變差。當(dāng)回收瀝青的摻量為60%和80%時(shí)，Nf 50值的減幅分別為68.74%和80.57%，泡沫溫拌再生瀝青的疲勞壽命顯著減小，抗疲勞性能明顯變差。因此，從疲勞性能角度考慮，回收瀝青的摻量宜小于60%。

2.4 微觀組織

對(duì)不同回收瀝青摻量條件下的泡沫溫拌再生瀝青膠結(jié)料試樣進(jìn)行了電鏡掃描，掃描結(jié)果如圖3所示。

圖3 泡沫溫拌再生瀝青電鏡掃描結(jié)果(100 μm)

由圖3可知：泡沫溫拌再生瀝青表面既有未破壞的殘留水泡，也有泡沫破滅后形成的坑洼或小洞痕跡。當(dāng)未摻加回收瀝青或摻量較少時(shí)(摻量0%和20%)，泡沫溫拌瀝青表面較為光滑細(xì)膩。隨著回收瀝青摻量的增加，可以發(fā)現(xiàn)泡沫溫拌再生瀝青表面出現(xiàn)褶皺，且回收瀝青摻量越多褶皺越清晰，當(dāng)回收瀝青摻量過多時(shí)(摻量60%和80%)，泡沫溫拌再生瀝青表面的褶皺明顯增多，已經(jīng)形成不規(guī)則的凹凸起伏狀。分析其原因，泡沫溫拌再生瀝青表面的褶皺及不規(guī)則的坑洞起伏是由瀝青組分失調(diào)導(dǎo)致的，泡沫溫拌再生瀝青作為一個(gè)膠體分散體系，由于其中的回收瀝青老化較為嚴(yán)重，在長(zhǎng)期的氧化過程中，回收瀝青可溶質(zhì)中的飽和分、芳香分和膠質(zhì)逐漸縮合形成瀝青質(zhì)，使體系中瀝青質(zhì)的含量增多。而飽和分和芳香分作為瀝青中的軟組分，起塑化劑的作用；瀝青質(zhì)是硬組分，在瀝青中起稠化劑的作用。瀝青質(zhì)的增多使泡沫溫拌再生瀝青整個(gè)體系硬化，所以，隨著回收瀝青摻量的增加，泡沫溫拌再生瀝青由“軟而柔”逐漸變得“剛而脆”，其抗疲勞性能不斷變差。

3 結(jié)論

(1)隨著回收瀝青摻量的增加，泡沫溫拌再生瀝青的抗疲勞性能不斷變差；當(dāng)回收瀝青摻量為60%和80%時(shí)，泡沫溫拌再生瀝青的抗疲勞能力有顯著變差跡象。

(2)隨著回收瀝青摻量的增加，疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Nf 50不斷減小，表明泡沫溫拌再生瀝青的抗疲勞性能在逐漸變差。當(dāng)回收瀝青的摻量為60%和80%時(shí)，泡沫溫拌再生瀝青的疲勞壽命顯著減小，抗疲勞性能明顯變差。

(3)由于回收瀝青老化，瀝青質(zhì)含量較多，回收瀝青的摻加使得泡沫溫拌再生瀝青表面由光滑細(xì)膩逐漸變?yōu)橛星逦鸟薨?，?dāng)回收瀝青摻量為60%和80%時(shí)，泡沫溫拌再生瀝青表面已經(jīng)形成不規(guī)則的凹凸起伏狀。泡沫溫拌再生瀝青由“軟而柔”逐漸變得“剛而脆”。

(4)綜合考慮各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果，建議回收瀝青在泡沫溫拌再生瀝青中的摻量小于60%。

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江蘇省自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(BK20160471)

張黎紅(1972-),男,云南昆明人,高級(jí)工程師,主要研究方向?yàn)楣房辈煸O(shè)計(jì).

2016-09-05

1672-6871(2017)02-0059-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.02.011

U414.1

A