老化公路SBS改性瀝青多次再生的流變性能與耐久性研究

李 偉

(1.青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海 西寧 810003； 2.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

十三五規(guī)劃明確提出對(duì)于資源的節(jié)約集約利用原則，對(duì)于廢舊瀝青路面的回收和再生利用成為較為熱門的研究對(duì)象。SBS改性瀝青具有良好的粘彈性，在我國(guó)瀝青路面中已經(jīng)有較大規(guī)模的應(yīng)用，部分已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行一次或多次再生，但對(duì)于SBS改性瀝青多大程度上保證了其流變特性爭(zhēng)議較大[1]。Moham-mad、Xu 等[2-3]的研究認(rèn)為 SBS裂解是導(dǎo)致瀝青老化的主因，再生瀝青會(huì)導(dǎo)致瀝青的改性效果減弱；Cooper等[4]研究發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)再生劑調(diào)整老化瀝青成分，達(dá)到部分恢復(fù)的效果；國(guó)內(nèi)部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)再生劑可恢復(fù)部分性能，但其穩(wěn)定性與低溫性能較差[5-8]。我國(guó)《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》( JTG F41—2008)并未對(duì)改性瀝青進(jìn)行明確定義和解釋。本文選取隨岳高速S49某段老化廢棄瀝青路面為研究對(duì)象，提取其老化SBS改性瀝青，在室內(nèi)進(jìn)一步老化和再生，并結(jié)合溫度掃描、重復(fù)加載和完全流變?cè)囼?yàn)對(duì)其流變性和低溫耐久性進(jìn)行了定量化的分析研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

已有研究成果發(fā)現(xiàn)，礦料的膠漿特性是決定改性瀝青材料的低溫抗裂性和疲勞耐久性的關(guān)鍵因素[9]。本試驗(yàn)主要通過(guò)瀝青膠漿樣品進(jìn)行溫度掃描、重復(fù)加載和彎曲流變?cè)囼?yàn)綜合評(píng)價(jià)其流變性能。

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所使用的SBS改性瀝青提取自隨岳高速公路的廢棄路面，其主要性能指標(biāo)中，25 ℃針入度為39，軟化點(diǎn)65 ℃，5℃延度18，彈性恢復(fù)25 ℃為70%。采用的再生劑為SA-200型，其主要指標(biāo)見(jiàn)表1。瀝青混合料的粉膠比一般控制在0.6～1.2之間，研究不同粉膠比的瀝青膠漿流變性能后發(fā)現(xiàn)0.8的瀝青膠漿能夠擁有較好的低溫耐久

表1 SA-200再生劑主要指標(biāo)Table1 Mainindicatorsofsa-200reagents項(xiàng)目技術(shù)要求指標(biāo)值60℃粘度12500～3750017500閃點(diǎn)(℃)大于220270旋轉(zhuǎn)前后粘度比小于3-0.0115℃密度(g·mm-3)-0.89

性[10]。為保證試驗(yàn)結(jié)果一致性，試驗(yàn)采用粉膠比為0.8的比例進(jìn)行配置，所使用的礦粉為石灰?guī)r礦粉，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 石灰石礦粉的主要技術(shù)指標(biāo)Table2 Maintechnicalindexesoflimestoneorepowder項(xiàng)目指標(biāo)要求檢測(cè)值表觀密度大于2.5g/mm32.7含水率小于1%0.25親水系數(shù)小于10.8塑性指數(shù)小于4%3

1.2 試樣設(shè)備

瀝青在儲(chǔ)存與運(yùn)輸、風(fēng)化剝蝕和碾壓過(guò)程中發(fā)生的性狀改變、流變特性變差等現(xiàn)象均可歸為老化。老化瀝青可以從老化的公路路面中提取，或者利用室內(nèi)模擬老化設(shè)備進(jìn)行劣化處理。后者對(duì)于定量化研究改性瀝青多次老化性能具有一定優(yōu)勢(shì)。

采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘烤箱對(duì)SBS瀝青進(jìn)行初次老化，在疊加老化(PAV)得到；然后再疊加9%再生劑重復(fù)以上老化過(guò)程獲得二次再生改性樣品，依此類推能夠進(jìn)行多次老化與再生，見(jiàn)圖1。

圖1 旋轉(zhuǎn)薄膜烘烤箱(左)與PAV老化儀(右)

Figure 1 Rotating film oven (left) and PAV aging instrument (right)

1.3 試樣制備

為防止礦粉沉降，試驗(yàn)制備過(guò)程中和高溫試驗(yàn)盡量完成。溫度頻率掃描試驗(yàn)采用直徑25 mm的模具制樣，動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)8 mm模具，重復(fù)加載試驗(yàn)采用8mm直徑模具制樣，彎曲流變?cè)囼?yàn)根據(jù)儀器配套的模具制造樣品,見(jiàn)圖2。

圖2 彎曲流變?cè)囼?yàn)樣品Figure 2 Bending rheological test sample

1.4 試驗(yàn)方案

擬采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)中的溫度掃描方法評(píng)價(jià)瀝青膠漿在多次再生后的高溫抗車轍性能，通過(guò)重復(fù)加載試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青膠漿多次再生后的中溫抗疲勞性能，最后利用彎曲流變?cè)囼?yàn)分析樣品低溫抗裂性能。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)生成勁度模量S和蠕變因子隨溫度的變化曲線，并進(jìn)行回歸分析。

a.溫度頻率掃描試驗(yàn)。

瀝青膠漿較為敏感，通過(guò)溫度與頻率掃描方式可以測(cè)試瀝青膠漿中的車轍因子、疲勞因子等高溫和中溫耐久性。為保證試驗(yàn)過(guò)程的可重復(fù)性，試驗(yàn)將溫度掃描試驗(yàn)設(shè)置為：板間間隔為1 mm，板寬度為25 mm，掃描頻率為1.6 Hz，溫度范圍25～65 ℃，每次掃描間隔為5 ℃。

b.重復(fù)加載試驗(yàn)。

目前主流評(píng)價(jià)膠結(jié)破壞的標(biāo)準(zhǔn)定義之一是材料的復(fù)數(shù)模量衰減50%，這一階段材料出現(xiàn)微裂紋，相關(guān)研究表明瀝青膠漿的抗疲勞性能與混合料的相關(guān)系在70%～90%[11]。試驗(yàn)選取符合路面實(shí)際情況的試驗(yàn)頻率15 Hz，試驗(yàn)路面發(fā)生疲勞破壞的溫度15 ℃，瀝青膠漿的應(yīng)變率控制為1%。比較多次再生瀝青樣品的試驗(yàn)結(jié)果，從而蝴蝶瀝青膠漿復(fù)數(shù)剪切模量和衰減曲線。

c.彎曲流變?cè)囼?yàn)。

低溫條件條件下，熱板瀝青混合料易產(chǎn)生溫差裂縫和反射裂縫。溫度下降過(guò)程中由于瀝青混合料的收縮產(chǎn)生溫度內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)應(yīng)力不斷積蓄達(dá)到材料的容許應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)即發(fā)生破壞。動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和彎曲流變?cè)囼?yàn)?zāi)軌蚓_判斷瀝青材料的流變性能。考慮到低溫條件下剪切流變?cè)囼?yàn)不好控制材料的粘彈性范圍，采用彎曲流變?cè)囼?yàn)評(píng)價(jià)材料的低溫性能。

試驗(yàn)中，采用的小梁尺寸為127 mm×12.7 mm×6.35 mm，試驗(yàn)采用自動(dòng)加載方式，加載分為4個(gè)階段：第一，第1 s內(nèi)施加 980 MN 的初級(jí)荷載，第二，荷載逐漸降低至35 MN并持續(xù)20 s，第三階段對(duì)樣品施加980 MN荷載并維持 240 s，最后逐漸降低荷載至35 MN，試驗(yàn)完畢。加載過(guò)程中，感應(yīng)計(jì)每隔0.5 s自動(dòng)記錄材料承受的荷載和變形。

2 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)

2.1 溫度頻率掃描試驗(yàn)

SBS改性瀝青通過(guò)多次老化再生后的溫度掃描試驗(yàn)，獲取了溫度與復(fù)數(shù)剪切模量的關(guān)系，見(jiàn)圖3。

圖3 溫度與車轍因子掃描曲線Figue 3 Scanning curve of temperature and rut factor

從圖3可以看出，當(dāng)溫度在30～40 ℃時(shí)，隨著溫度升高車轍因子有顯著降低趨勢(shì)，初步分析是因?yàn)闉r青膠漿的相變?cè)斐?；?dāng)溫度超過(guò)40 ℃后，車轍因子趨于平緩，與溫度相關(guān)性顯得較弱。當(dāng)瀝青膠漿老化后其車轍因子有顯著增大，隨著老化次數(shù)的增多，再生瀝青的抗車轍能力逐漸增強(qiáng)，說(shuō)明改性瀝青膠漿的抗車轍能力是有利的。

為定量分析和預(yù)測(cè)多次再生改性瀝青車轍因子與溫度的關(guān)系，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到如下計(jì)算公式：

(1)

式中：G代表車轍因子,KPa;t代表試驗(yàn)溫度,℃，n代表老化再生次數(shù)。

2.2 重復(fù)加載試驗(yàn)

重復(fù)加載試驗(yàn)定義瀝青膠漿試樣在同一工況下進(jìn)行次數(shù)為15萬(wàn)次的重復(fù)加載試驗(yàn)，弱衰減值50%G，代表膠漿破壞。通過(guò)比較多次再生膠漿的衰減程度和曲線，對(duì)其抗疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。重復(fù)加載試驗(yàn)獲得的G衰減曲線見(jiàn)圖4。

圖4 重復(fù)加載試驗(yàn)樣品的衰減曲線Figure 4 Attenuation curves of test samples under repeated loading

由圖4可以反向，當(dāng)老化再生次數(shù)增加，瀝青膠漿的衰減曲線開(kāi)始變陡。一次再生樣品的曲線形態(tài)與原裝瀝青膠漿最為接近，具備良好的再生效果，第二次和第三次再生效果較差。多次再生膠漿重復(fù)加載后抗疲勞能力為：原樣>一次再生>二次再生>三次再生，性能逐漸衰減。但是二次老化與三次再生的衰減程度差別較小，一般為2%～3%，說(shuō)明再生劑的使用僅能夠降低瀝青膠漿的G*，而無(wú)法恢復(fù)瀝青膠漿抗疲勞的衰減速率。通過(guò)回歸分析，重復(fù)加載次數(shù)與G*的關(guān)系公式可以用下式來(lái)表達(dá)：

G*=5 500-(0.1+0.113n)a

(2)

式中：a代表重復(fù)加載次數(shù);G*代表樣品的抗疲勞性能。

2.3 彎曲流變?cè)囼?yàn)

國(guó)內(nèi)外目前沒(méi)有較為統(tǒng)一的彎曲流變性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，本文設(shè)計(jì)彎曲流變?cè)囼?yàn)來(lái)模擬多次老化再生瀝青膠漿的低溫特性規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。勁度模數(shù)S表征材料在給定荷載和溫度條件下的應(yīng)力應(yīng)變總值，低溫條件和短荷載作用下，模數(shù)S接近于材料彈性模量，長(zhǎng)荷載作用下模數(shù)S接近于彈性模型。蠕變斜率m表征著勁度模數(shù)S在給定溫度下的時(shí)間變化斜率。

由圖5可知，瀝青膠漿的勁度模數(shù)與再生次數(shù)呈反向關(guān)系，由于再生劑的加入，瀝青膠漿的粘性因子較原裝樣品有明顯增加。多次再生后瀝青膠漿的m值不具有明顯的規(guī)律性，但是通過(guò)m曲線可以發(fā)現(xiàn)瀝青老化可以適當(dāng)降低瀝青膠漿的m值，

表4 SBS改性瀝青彎曲流變性能結(jié)果Table4 BendingrheologicalpropertiesofSBSmodifiedasphalt樣品勁度模數(shù)S與蠕變斜率m-5℃-10℃-20℃-25℃S/MPamS/MPamS/MPamS/MPam原狀樣470.4551550.3343600.2668110.1771次老化1120.3923330.3117110.24410020.1451次再生320.4771000.4112440.3404620.2202次老化1000.4112880.3335500.27211200.1882次再生230.501880.4552110.3454290.2883次老化880.4231950.3694440.3119990.2443次再生250.522770.4551890.4113880.309

圖5 勁度模數(shù)S和蠕變斜率m隨溫度變化曲線Figure 5 The curves of stiffness modulus S and creep slope m with temperature

但是加入再生劑后能夠恢復(fù)，說(shuō)明再生瀝青在低溫長(zhǎng)加載時(shí)間后勁度模數(shù)減小的更快，發(fā)生低溫開(kāi)裂的現(xiàn)象。綜合分析可知，多次再生SBS改性瀝青具有較為優(yōu)越的抗低溫性能，但是當(dāng)再生次數(shù)增多后，m值曲線與原裝瀝青膠漿的離散型偏大。

3 結(jié)語(yǔ)

基于溫度頻率加載試驗(yàn)和彎曲流變?cè)囼?yàn)，對(duì)老化SBS改性瀝青經(jīng)多次再生后的流變和耐久性進(jìn)行了定性分析和定量化回歸分析，研究結(jié)論如下：

a.多次再生瀝青膠漿的車轍因子隨著再生次數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)，并且三次老化>二次老化>一次老化>三次再生>二次再生>一次再生>原樣。

b.重復(fù)加載試驗(yàn)結(jié)果表明，一次再生樣品的曲線形態(tài)與原裝瀝青膠漿最為接近，具備良好的再生效果，第二次和第三次再生效果較差，但是二次老化與三次再生的衰減程度差別一般為2%～3%。

c.低溫條件下完全流變?cè)囼?yàn)表明，瀝青膠漿的勁度模數(shù)與再生次數(shù)呈反向關(guān)系，多次再生后瀝青膠漿的m值不具有明顯的規(guī)律性，綜合分析可知，多次再生SBS改性瀝青具有較為優(yōu)越的抗低溫性能，但是當(dāng)再生次數(shù)增多后，m值曲線與原裝瀝青膠漿的離散型偏大。