SBS/納米SiO2復(fù)合改性再生瀝青混合料抗裂性能研究

李 鑫，余紅杰

（1.陜西空港市政配套管理有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712034；2.陜西西咸新區(qū)城建投資集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712034）

0 引言

隨著瀝青價(jià)格的不斷增長(zhǎng)，以及社會(huì)對(duì)環(huán)保的重視，廢舊瀝青路面材料（RAP）在新建瀝青路面中的應(yīng)用越來越普遍。盡管RAP 在新路上使用會(huì)節(jié)約部分集料和瀝青，但混凝土的力學(xué)性能需要引起重視，可能會(huì)引起路面使用性能的降低[1]。

從目前的研究來看，RAP 摻量對(duì)瀝青混合料性能影響方面，尤其需要重視路面開裂問題，包括低溫開裂和疲勞開裂現(xiàn)象。近年來，基于能量的試驗(yàn)引起了較為廣泛的關(guān)注，包括半圓拉伸試驗(yàn)（SCB）、Fenix 試驗(yàn)和圓盤緊湊拉伸試驗(yàn)（DCT）等等。DCT試驗(yàn)由Wagoner 教授[2]經(jīng)過改良與不斷試驗(yàn)，已成為測(cè)定瀝青混合料抗裂性能的常規(guī)試驗(yàn)方法。瀝青混合料抗疲勞性能測(cè)定與表征也是困擾眾多道路科技工作者的難題之一，較為科學(xué)合理的室內(nèi)試驗(yàn)方法在近些年中引起了廣泛的討論，Daniel 和Kim等[3]提出基于粘彈性損傷模型的疲勞試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)方法可以較為準(zhǔn)確地獲得混合料在一定應(yīng)變水平及溫度下的疲勞結(jié)果，得到了道路工作者們的認(rèn)可。

現(xiàn)以納米SiO2和SBS 作為改性劑，研究不同改性條件下，再生瀝青混合料的抗疲勞性能和抗低溫開裂性能，為更好地利用RAP 提供一定借鑒。

1 原材料性質(zhì)

1.1 基質(zhì)瀝青與集料

所采用的道路石油瀝青為殼牌70#，其性能指標(biāo)見表1 所列，集料指標(biāo)見表2 所列，瀝青和粗細(xì)集料的指標(biāo)均滿足要求。

表1 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)一覽表

表2 集料與礦粉技術(shù)指標(biāo)一覽表

1.2 RAP

RAP 選用某高速翻修后產(chǎn)生的舊路材料，采用阿布森法確定其舊瀝青試驗(yàn)指標(biāo)，見表3 所列。當(dāng)再生料的摻量超過25%時(shí)，可稱為高RAP 摻量再生瀝青混合料，現(xiàn)選擇的RAP 摻量為30%。

表3 RAP 中瀝青性能試驗(yàn)指標(biāo)一覽表

1.3 納米S iO2

納米SiO2在常溫下呈現(xiàn)白色粉末無定型狀固體，粒徑在40～70nm 之間，納米SiO2微粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在高溫下仍能保持高強(qiáng)、高韌和穩(wěn)定度等良好特征?，F(xiàn)選用的納米SiO2摻量為瀝青摻量的5%，在摻加納米SiO2時(shí)要用硅烷偶聯(lián)劑KH-550 對(duì)納米SiO2進(jìn)行有機(jī)化處理，以使納米SiO2改性瀝青的穩(wěn)定性更好。

1.4 混合料級(jí)配及最佳瀝青用量

混合料級(jí)配的確定采用以下方法進(jìn)行：（1）以0～5 mm 和5～10 mm 兩檔篩分RAP，新集料采用0～3 mm，3～5 mm，5～10 mm 和10～20 mm 進(jìn)行篩分。（2）根據(jù)上述篩分結(jié)果，以30%RAP 的摻量，合成最接近遠(yuǎn)側(cè)級(jí)配，見表4 所列。

表4 瀝青混合料級(jí)配一覽表

最佳瀝青用量的確定采用馬歇爾法進(jìn)行確定。首先，將不同瀝青在165～170℃進(jìn)行預(yù)熱，RAP 的預(yù)熱溫度為125℃；之后，將再生劑和RAP 放在攪拌鍋中，在溫度為190℃條件下拌合60 s，再加入新的集料后，繼續(xù)攪拌120 s，使新舊集料充分融合；最后，加入新的瀝青和礦粉，再次充分拌合。以馬歇爾力學(xué)性能指標(biāo)和體積指標(biāo)等確定最佳新瀝青的用量，最終確定在30% RAP 摻量下，最佳新瀝青用量為4.21%。

2 再生瀝青混合料的低溫抗裂性

現(xiàn)分別采用基于能量方法評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫試驗(yàn)的圓盤拉伸試驗(yàn)，以及我國(guó)規(guī)范要求的低溫小梁試驗(yàn)確定不同種類再生瀝青混合料的低溫抗裂性能。

2.1 圓盤拉伸（DCT）試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)條件及步驟

制作厚50 mm，直徑150 mm 的瀝青混合料圓盤試塊，經(jīng)過鉆孔、人為制造裂縫成標(biāo)準(zhǔn)DCT 試件。DCT 試驗(yàn)在MTS 試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為-12℃。試驗(yàn)時(shí)，以1.0 mm/min 的速率控制裂縫的開口位移。在試驗(yàn)過程中，記錄下荷載及位移的相關(guān)數(shù)據(jù)，以計(jì)算斷裂參數(shù)。在試驗(yàn)過程中，每種瀝青混合料至少進(jìn)行3 個(gè)平行試驗(yàn)，以排除誤差的影響。

每次瀝青混合料DCT 試驗(yàn)，均可得到一條荷載-位移曲線，以此曲線為基礎(chǔ)，可計(jì)算基于DCT 試驗(yàn)的斷裂能，作為評(píng)價(jià)不同類型瀝青混合料的低溫性能。斷裂能計(jì)算方法見式（1）所示。

式中：Gf為斷裂能；Wf為破壞混合料試件所做功；t為試件厚度；L 為試件的斷裂區(qū)長(zhǎng)度。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 為4 種再生瀝青混合料的斷裂能試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖。如圖1 所示，在30% RAP 摻量下的再生瀝青混合料斷裂能試驗(yàn)結(jié)果均大于400 J/m2，這也符合國(guó)際上對(duì)于再生瀝青混合料低溫性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[4]。從不同類型的再生瀝青混合料斷裂能數(shù)值來看，基質(zhì)瀝青再生混合料的斷裂能數(shù)值最低，僅有452 J/m2，納米SiO2改性再生瀝青混合料斷裂能為623 J/m2，比基質(zhì)瀝青再生瀝青混合料的斷裂能高38%，說明納米SiO2可以改善瀝青混合料的低溫性能，且好于SBS 改性劑。SBS/納米SiO2復(fù)合改性再生瀝青混合料的斷裂能值最高，為742 J/m2。此外，所有瀝青混合料均有三個(gè)平行試件，計(jì)算了四種不同瀝青混合料的斷裂能變異值，從圖1 中可以看出，SBS/ 納米SiO2復(fù)合改性瀝青的斷裂能變異性最低，而基質(zhì)瀝青的變異性最高，由此可見復(fù)合改性再生瀝青混合料的性能會(huì)更穩(wěn)定。

圖1 不同再生瀝青混合料的斷裂能結(jié)果柱狀圖

2.2 低溫小梁試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)條件與步驟

采用低溫小梁試驗(yàn)對(duì)幾種再生瀝青混合料的低溫性能作技能型評(píng)價(jià)。根據(jù)規(guī)范要求成型長(zhǎng)×寬×高=250 mm×30 mm×35 mm 的小梁試件，在-10℃條件下以50 mm·min-1的加載速率進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 和圖3 分別為不同瀝青混合料的抗彎拉應(yīng)變值和抗彎拉強(qiáng)度值。從圖2 中可以看出，SBS/納米SiO2復(fù)合改性瀝青混合料的抗彎拉應(yīng)變值最高，為4 625 με；基質(zhì)瀝青瀝青混合料的抗彎拉應(yīng)變值最低，為1 984 με；復(fù)合改性瀝青混合料的抗彎拉應(yīng)變值為基質(zhì)瀝青的2.33 倍。從圖3 中可以看出，復(fù)合改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度值仍最大，為12.85 MPa，比基質(zhì)瀝青再生混合料高了3.69 MPa。同時(shí)，納米SiO2改性再生瀝青混合料表現(xiàn)出了較好的低溫抗裂性能，其抗彎拉應(yīng)變值為3 850 με，為基質(zhì)瀝青時(shí)的1.96 倍，抗彎拉強(qiáng)度值比基質(zhì)瀝青高了2.36 MPa。分析原因?yàn)?，?dāng)納米SiO2均勻地分布在瀝青混合料中時(shí)，可使瀝青混合料在較低溫度下保持良好的柔性，且對(duì)瀝青混合料能夠起到一定的增韌作用。此外，在進(jìn)行瀝青混合料低溫小梁試驗(yàn)時(shí)，由于納米SiO2的模量高，抗拉強(qiáng)度大，納米SiO2也起到了一定的加筋作用，納米SiO2會(huì)對(duì)裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展起到一定的抑制作用。

圖2 不同瀝青混合料的抗彎拉應(yīng)變對(duì)比柱狀圖

圖3 不同瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度對(duì)比柱狀圖

3 再生瀝青混合料的疲勞性能

3.1 基于粘彈性損傷模型的疲勞試驗(yàn)

不同瀝青混合料疲勞試驗(yàn)在瀝青混合料簡(jiǎn)單試驗(yàn)機(jī)（AMPT）上進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，保證10 Hz 的加載頻率，每種瀝青混合料共有4 個(gè)試件，采用4 個(gè)不同的應(yīng)變水平，已確定疲勞損傷與加載次數(shù)之間的關(guān)系。

粘彈性連續(xù)損傷模型基于Schapery 的功勢(shì)理論（Work Potential Theory）而建立[5]。瀝青材料損傷速率可用式（2）表示：

式中：S 與瀝青材料的內(nèi)部損傷相關(guān)；t 表示時(shí)間；α為瀝青材料的基本參數(shù)；WR為虛應(yīng)變能密度，計(jì)算如式（3）所示：

式中：C（S）為瀝青材料的虛模量，是瀝青材料內(nèi)部損傷S 的函數(shù)。

之后，根據(jù)Underwood 等的推導(dǎo)公式，得出混合料損傷與勁度模量的關(guān)系，見式（4）所示。

最后，根據(jù)每種混合料不同的損傷程度，應(yīng)用數(shù)值分析方法可確定疲勞損傷標(biāo)準(zhǔn)（GR）與疲勞壽命次數(shù)（Nf）的關(guān)系，并將兩個(gè)參數(shù)在坐標(biāo)中進(jìn)行描述，可表征瀝青材料的抗疲勞性能。

3.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖4 為不同類型瀝青混合料疲勞試驗(yàn)損傷特征曲線，其中C 代表材料的完整性，S 代表隨著疲勞加載的增加值。從圖4 中可以看出，隨著疲勞荷載（S）的增多，基質(zhì)瀝青再生混合料的材料完整性最低，而SBS/ 納米SiO2復(fù)合改性再生瀝青混合料的材料完整性最高。從圖4 中還可以看出，當(dāng)材料的完整性達(dá)到0.2 時(shí)，復(fù)合改性再生瀝青混合料的疲勞壽命為基質(zhì)瀝青再生混合料的2 倍。

圖4 不同瀝青混合料的疲勞損傷曲線圖

圖5 為基于能量法的疲勞損傷結(jié)果，GR為基于能量失效標(biāo)準(zhǔn)的虛應(yīng)變能釋放率，Nf為疲勞加載次數(shù)，且GR-Nf關(guān)系與試驗(yàn)加載模式等無關(guān)，僅反映材料自身的疲勞行為。從圖5 中可以看出，SBS/ 納米SiO2復(fù)合改性再生瀝青混合料的疲勞壽命最好，而基質(zhì)瀝青再生混合料的疲勞壽命較差。分析原因?yàn)?，SBS 和納米SiO2使得瀝青和集料更好地結(jié)合在一起，形成較好的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻礙了裂縫的發(fā)展，且在疲勞荷載作用下，復(fù)合改性瀝青混合料的變形恢復(fù)能力更強(qiáng)，可能會(huì)有更好的自修復(fù)能力，從而綜合提升了瀝青混合料的抗疲勞性能。

圖5 不同瀝青混合料的GR-Nf 之間的關(guān)系圖

4 結(jié)論

（1）基于DCT 斷裂試驗(yàn)和低溫小梁試驗(yàn)結(jié)果表明，納米SiO2改性劑對(duì)再生瀝青混合料的低溫性能有較為良好的效果，而SBS/ 納米SiO2復(fù)合改性再生瀝青混合料的低溫開裂性更為優(yōu)異。

（2）基于粘彈性連續(xù)損傷疲勞試驗(yàn)表明，隨著疲勞荷載的增多，基質(zhì)瀝青再生混合料的材料完整性最低，SBS/ 納米SiO2復(fù)合改性再生瀝青混合料的材料完整性最高，說明復(fù)合改性再生瀝青混合料的疲勞性能較好，有更高的疲勞壽命。

（3）低溫抗裂試驗(yàn)和疲勞性能試驗(yàn)均表明通過使用改性瀝青的方法會(huì)對(duì)再生瀝青混合料的抗裂性能產(chǎn)生重要影響。因此，在將來的使用中應(yīng)合理進(jìn)行材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并與當(dāng)?shù)貧夂驐l件相適應(yīng)。