基于Burgers模型的再生瀝青流變特性分析

牛彥峰

（山西交通控股集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

瀝青路面熱再生技術(shù)是近年來(lái)道路領(lǐng)域的熱門(mén)研究方向，而再生劑則是該技術(shù)的核心添加物[1-2]。通過(guò)向廢舊瀝青及混合料中添加再生劑，補(bǔ)充了瀝青在陽(yáng)光、空氣、水等老化作用下缺失的成分，恢復(fù)瀝青適宜的流動(dòng)與變形特性，進(jìn)而可以再次應(yīng)用到實(shí)際工程，具有顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益[3]。

目前，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)再生劑進(jìn)行了相關(guān)研究，取得了較為豐富的研究成果。周志剛[4]等采用傅立葉紅外光譜試驗(yàn)及化學(xué)組分試驗(yàn)提出再生瀝青組分含量隨再生劑摻量的非線性關(guān)系模型；張永興[5]等采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法研究了再生劑與瀝青間的相互作用；聶憶華[6]等基于四組分試驗(yàn)探討了瀝青再生時(shí)組分調(diào)和理論的適應(yīng)性；冉龍飛等[7-8]通過(guò)DSC等試驗(yàn)研究了SBS改性瀝青再生劑的高、低溫及流變性能。

不同類(lèi)型與組分的再生劑對(duì)老化瀝青的還原效果也不盡相同，合理而準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)再生劑對(duì)瀝青性能的影響關(guān)系到再生劑的推廣使用?；诖?，本文利用阿布森法從廢舊混合料中抽提原老化瀝青（記作O），摻入某再生劑后制備了再生瀝青（記作A），并對(duì)A瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(yàn)獲得了再生短期老化瀝青（記作RA）。在此基礎(chǔ)上，對(duì)O、A、RA三種瀝青進(jìn)行了三大指標(biāo)試驗(yàn)及小梁彎曲流變?cè)囼?yàn)（BBR），并基于Burgers模型對(duì)再生瀝青的流變特性進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 原材料

再生劑的技術(shù)指標(biāo)如表1所示，根據(jù)其60℃黏度檢測(cè)結(jié)果顯示其為RA-1型。

表1 再生劑技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

采用阿布森法抽提原老化瀝青（記作O），摻入再生劑后使用剪切機(jī)高速攪拌獲得再生瀝青（記作A），對(duì)再生瀝青進(jìn)行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)，得到再生短期老化瀝青（記作RA）。在獲得3種瀝青試樣后，分別進(jìn)行瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)及低溫小梁彎曲流變?cè)囼?yàn)（BBR）。

BBR試驗(yàn)的具體步驟，將預(yù)制好的瀝青小梁脫模后放入-18℃恒溫浴中保持1 h，通過(guò)調(diào)試使得瀝青小梁跨中荷載在980 mN左右，瀝青小梁加載時(shí)間240 s，卸載時(shí)間10 s，每隔0.5 s記錄瀝青小梁跨中位移。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

老化瀝青、再生瀝青及再生老化瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表2與圖1所示。可以看到，再生劑的摻入顯著提高了25℃針入度、10℃延度，降低了軟化點(diǎn)，老化瀝青由“硬”變“軟”，瀝青的低溫抗裂性能有明顯提高。而在短期老化后，再生瀝青的針入度、延度小幅降低，軟化點(diǎn)略有升高，這與瀝青老化的規(guī)律相符合，即輕質(zhì)油分被氧化部分轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)。3種瀝青試樣可以反映瀝青在不同老化程度下的性能表現(xiàn)，瀝青的老化程度越高，高溫性能越好而低溫性能越差。

表2 瀝青技術(shù)指標(biāo)

圖1 瀝青技術(shù)指標(biāo)示意圖

2.2 BBR試驗(yàn)結(jié)果

3種瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖4所示，可以看出：a）瀝青小梁的蠕變變形過(guò)程包括：加載瞬時(shí)彈性變形、蠕變過(guò)程黏彈性變形以及卸載階段永久塑性變形；b）在荷載水平基本相同的條件下，每種瀝青的3種變形量并不相同，這反映了每種瀝青的勁度模量隨時(shí)間的變化存在差異；c）在穩(wěn)態(tài)蠕變階段，相同的加載時(shí)間范圍內(nèi)，瀝青小梁位移變化量不同，具體表現(xiàn)為：ΔO＜ΔRA＜ΔA，表明蠕變速率 kO＜kRA＜kA。

圖2 原樣瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果

圖3 再生瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果

圖4 再生短期老化瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果

SHRP規(guī)范中，采用長(zhǎng)期老化瀝青在60 s時(shí)小梁的勁度模量S和蠕變勁度變化率m來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的低溫抗裂性[9]，并要求S≤300 MPa且m≥0.3，經(jīng)計(jì)算可得到3種瀝青的S和m見(jiàn)于圖5和圖6。O、A、RA瀝青在60 s時(shí)的勁度模量分別為398.7 MPa、249.7 MPa、280.0 MPa，而 m 值分別為 0.246、0.321、0.311，說(shuō)明再生劑的摻入提升了原瀝青的低溫抗裂性能，這與延度的表現(xiàn)相一致。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，RA與A瀝青處于同一等級(jí)，表明該再生劑具有良好的抗老化能力。

圖5 瀝青小梁S(t)

圖6 瀝青小梁m值

3 再生瀝青流變特性分析

3.1 Burgers模型

瀝青具有蠕變和應(yīng)力松弛的特性，Burgers模型[10]既可描述材料的蠕變和松弛行為，也可反映材料的彈性后效，能很好表征瀝青的黏彈特性。鑒于此，本文即采用該模型表征瀝青的黏彈性本構(gòu)特性，其在加載、卸載階段的表達(dá)式見(jiàn)式（1）、式（2）。

加載階段：

卸載后：

在本文采用的BBR試驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)變換可以得到小梁在加載階段任意時(shí)刻勁度模量的表達(dá)式（3）。

3.2 再生瀝青流變特性分析

采用Burgers模型擬合瀝青小梁蠕變勁度模量如圖7所示，擬合結(jié)果列于表3。

圖7 Burgers模型擬合曲線

從擬合曲線及參數(shù)可以看出：a）Burgers模型能夠準(zhǔn)確地?cái)M合瀝青小梁蠕變的整個(gè)過(guò)程，擬合的參數(shù)能夠表征再生瀝青的黏彈特性；b）E1稱(chēng)為瞬時(shí)彈性模量，反映了瀝青路面抗彈性變形的能力，E1越大，瀝青抗彈性變形的能力越強(qiáng)；η1是產(chǎn)生永久變形的黏性系數(shù)，η1越大，在相同時(shí)間內(nèi)瀝青產(chǎn)生的永久變形越小。E1A＜E1TA＜E1O，η1A＜η1TA＜η1O均表明摻入再生劑后，再生瀝青更容易產(chǎn)生變形，通過(guò)變形來(lái)降低瀝青路面在冬季產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，這對(duì)于提高瀝青路面的低溫抗裂能力是極為有利的。

表3 Burgers擬合結(jié)果 MPa

4 結(jié)論

a）瀝青老化程度越高，瀝青的抗變形能力越強(qiáng)，但其低溫抗裂性能更弱，再生劑可以還原瀝青的流變特性，改善其路用性能。

b）Burgers模型能夠準(zhǔn)確地?cái)M合瀝青小梁蠕變的整個(gè)過(guò)程，擬合的參數(shù)能夠表征再生瀝青的黏彈特性。

c）再生劑補(bǔ)充了原老化瀝青缺失的輕油成分，提高其蠕變速率，使得再生瀝青在低溫時(shí)擁有更優(yōu)秀的變形能力，應(yīng)力松弛能力增強(qiáng)，低溫抗裂性提高。