就地?zé)嵩偕匣癁r青室內(nèi)外再生效果差異試驗(yàn)研究

徐蕾，裘秋波，陳慧亮，鄧?yán)^，李寧，詹賀*

(1.浙江嘉興高速公路有限責(zé)任公司 嘉興管理處，浙江 嘉興 314000；2.浙江順暢高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)有限公司； 3.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院)

中國公路事業(yè)經(jīng)過30年的高速發(fā)展現(xiàn)已進(jìn)入建養(yǎng)并重時(shí)代，中國優(yōu)化資源結(jié)構(gòu)和改善自然環(huán)境的壓力較為迫切，公路瀝青路面大中修工程中產(chǎn)生大量高質(zhì)量廢舊路面材料(RAP)與石料資源短缺的矛盾日益突出，就地?zé)嵩偕夹g(shù)因其高效、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)越來越受到從業(yè)人員的青睞。

研究人員對(duì)SMA瀝青混合料再生做了大量研究，以期獲得性能優(yōu)異的再生混合料。李健采用瀝青砂漿的動(dòng)態(tài)流變和靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)間接評(píng)價(jià)RAP的性能特征，選用SBR膠乳提升再生瀝青混合料的長期耐久性；陳靜云研發(fā)了適用于改性瀝青再生的復(fù)合型再生劑，可有效改善再生瀝青混合料的低溫性能；馬濤在就地?zé)嵩偕鷮?shí)體工程時(shí)發(fā)現(xiàn)經(jīng)高溫后的路表出現(xiàn)焦糊泛油現(xiàn)象，通過調(diào)整就地?zé)嵩偕O(shè)備行走速度和往返方式降低路表溫度，但路表溫度仍高達(dá)200 ℃；顧海榮等研究表明：就地?zé)嵩偕访婧线m的加熱溫度為180 ℃，溫度過高會(huì)對(duì)膠結(jié)料和骨料產(chǎn)生較大影響；陳錦輝針對(duì)就地?zé)嵩偕覂?nèi)外混合料性能存在較大差異展開研究，指出級(jí)配恢復(fù)設(shè)計(jì)、施工工藝等因素對(duì)再生混合料的性能影響較大。

目前進(jìn)行就地?zé)嵩偕匣癁r青性能恢復(fù)時(shí)通常假定再生劑與抽提老化瀝青能夠充分混溶，未考慮再生劑在RAP中分散不均勻以及表面層加熱溫度過高對(duì)原路面瀝青造成的影響。因此該文針對(duì)就地?zé)嵩偕┕r(shí)新料添加、原路面高溫加熱和復(fù)拌再生階段等環(huán)節(jié)的瀝青性能變化進(jìn)行分析，采用DSR、BBR和紅外光譜對(duì)比室內(nèi)外再生瀝青高低溫流變性能和微觀組成的差異，結(jié)論可為優(yōu)化就地?zé)嵩偕匣癁r青膠結(jié)料性能評(píng)價(jià)提供理論參考。

1 原材料與試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 SBS改性瀝青

新瀝青(VA)：SBS70#改性瀝青(Virgin Asphalt)，主要性能指標(biāo)見表1。

1.1.2 老化瀝青

原路面抽提瀝青(LA1)：浙江省某高速公路使用年限為8年的上面層SMA-13混合料抽提瀝青。

表1 SBS改性瀝青性能指標(biāo)

原路面高溫加熱抽提瀝青(LA2)：原路面經(jīng)高溫加熱后表面層溫度達(dá)230 ℃的混合料抽提瀝青。

現(xiàn)場短期老化瀝青(SA1)：新瀝青混合料運(yùn)輸至現(xiàn)場發(fā)生短期老化的抽提瀝青。

室內(nèi)模擬短期老化瀝青(SA2)：新SBS改性瀝青在163 ℃的旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)中老化85 min，即制得室內(nèi)短期老化瀝青。

1.1.3 再生劑

采用某滲透性輕組油分RA-5再生劑，其主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 再生劑技術(shù)指標(biāo)

1.1.4 再生瀝青

室內(nèi)再生瀝青(RA1)：在原路面抽提瀝青中加入6%再生劑后與新瀝青按照質(zhì)量比為85∶15的比例混溶，然后在130 ℃烘箱中攪拌30 min養(yǎng)生，即制得室內(nèi)再生瀝青。

現(xiàn)場再生瀝青(RA2)：就地?zé)嵩偕┕r(shí)新瀝青混合料添加量為15%，新舊瀝青比例、再生劑添加量與RA1保持一致，取攤鋪機(jī)中攪拌均勻的復(fù)拌再生混合料抽提獲得的瀝青，即為現(xiàn)場再生瀝青。

1.2 試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)方案

取新瀝青短期老化、舊瀝青二次老化與舊瀝青再生等環(huán)節(jié)的瀝青進(jìn)行對(duì)比分析，樣品清單見表3。

表3 樣品對(duì)比清單

1.2.2 瀝青抽提方法

結(jié)合文獻(xiàn)[7-8]中瀝青回收的優(yōu)化方法，采用轉(zhuǎn)速變速配置的全自動(dòng)抽提儀抽提，然后運(yùn)用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)法回收瀝青。為了減少回收過程對(duì)瀝青性能的影響，將3處不同位置混合料的抽提瀝青混合后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2.3 流變性能試驗(yàn)

依照美國SUPERPAVE規(guī)范，采用DSR和BBR試驗(yàn)評(píng)價(jià)再生瀝青的高低溫流變性能，DSR控制應(yīng)變?yōu)?2%，測試溫度為58、64、70和76 ℃，掃描頻率為0.1～100 rad/s，評(píng)價(jià)指標(biāo)為失效溫度FT(Fail Temperature)；BBR試驗(yàn)溫度為-18 ℃，測試不同狀態(tài)瀝青的勁度模量S和蠕變速率m。

1.2.4 紅外光譜試驗(yàn)

采用島津IRTracer-100紅外光譜儀對(duì)不同狀態(tài)瀝青進(jìn)行紅外光譜掃描。文獻(xiàn)[9-10]研究表明:瀝青老化后羰基和亞砜基吸收峰強(qiáng)度增大，其大小可以反映瀝青的老化程度，采用羰基指數(shù)CI和亞砜基指數(shù)SI定量評(píng)價(jià)瀝青的老化程度。CI、SI計(jì)算如式(1)、(2)：

CI=AC=O/AC-H

(1)

SI=AS=O/AC-H

(2)

式中：AC=O為1 654 cm-1處羰基吸收峰面積；AS=O為1 024 cm-1處亞砜基吸收峰面積；AC-H為1 455 cm-1處飽和C-H吸收峰面積。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高溫流變性能分析

DSR試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，采用失效溫度FT評(píng)價(jià)不同狀態(tài)瀝青的高溫流變性能，以車轍因子G*/sinδ對(duì)數(shù)值和測試溫度的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，計(jì)算G*/sinδ=1.0 kPa，lg(G*/sinδ)=0時(shí)的溫度，即得到不同狀態(tài)瀝青的失效溫度，如表4所示。

由圖1可知:瀝青老化后車轍因子增大，抵抗高溫流變變形的能力增強(qiáng)，再生劑加入后高溫抗車轍能力降低，但仍高于新瀝青，表明再生劑的加入僅能提升老化瀝青的部分性能，再生瀝青性能并不能達(dá)到新瀝青水平。由表4不同狀態(tài)瀝青的失效溫度可知：SA1、SA2相對(duì)于VA分別增長了3.5%和2.5%，新瀝青在現(xiàn)場短期老化較為嚴(yán)重，主要原因?yàn)樾聻r青混合料添加量僅占再生混合料的15%，現(xiàn)場施工時(shí)新料在露天環(huán)境下存放時(shí)間過長，易發(fā)生熱氧老化，高溫性能提升。高溫加熱使原路面膠結(jié)料的失效溫度升高，原路面老化瀝青發(fā)生了明顯的二次老化，瀝青變硬變脆。加入再生劑后現(xiàn)場再生瀝青、室內(nèi)再生瀝青的失效溫度分別下降了2.59%和3.75%，加入再生劑后老化瀝青的高溫性能略有降低，但仍高于新瀝青和短期老化瀝青，表明再生瀝青的高溫性能較好。從就地?zé)嵩偕鱾€(gè)施工環(huán)節(jié)瀝青性能可以看出，現(xiàn)場再生更利于提升再生路面抵抗高溫流變變形能力。

圖1 DSR試驗(yàn)結(jié)果

表4 不同狀態(tài)瀝青的FT

2.2 低溫流變性能分析

采用-18 ℃時(shí)的蠕變勁度S和蠕變速率m值評(píng)價(jià)不同階段瀝青的低溫流變性能，S值越大則老化瀝青的低溫彎曲流變性能越差，m值越大則老化瀝青的松弛能力越強(qiáng)。BBR試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 BBR試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知:瀝青老化后低溫蠕變勁度S增加，蠕變速率m降低，表明瀝青老化后柔韌性降低，抵抗低溫開裂能力下降。施工時(shí)短時(shí)間的高溫加熱使原路面膠結(jié)料的蠕變勁度S增加了3.74%，蠕變速率m降低了7.14%，低溫性能下降顯著。該文采用的高滲透型再生劑主要成分為分子質(zhì)量較小的減四線輕質(zhì)油組分，再生劑與老化瀝青混溶均勻后可有效改善大小分子的相對(duì)含量，使老化瀝青中的分子質(zhì)量分布更為均勻，從而提高瀝青的低溫抗裂性能。在加入等量再生劑條件下，室內(nèi)外再生瀝青的蠕變勁度S分別下降了12.24%和9.4%，蠕變速率m分別提高了28.57%和24.13%，因此室內(nèi)再生可以有效提升老化瀝青的低溫抗裂性，但達(dá)不到新瀝青的水平。

現(xiàn)場再生時(shí)再生劑按照室內(nèi)確定的最佳摻量噴灑到RAP上，不能滿足恢復(fù)二次老化瀝青性能的需求。再生劑在RAP中分散不均勻，與老化瀝青的融合時(shí)間有限，很難短時(shí)間內(nèi)滲透到集料表面老化瀝青處，僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)部分老化瀝青的再生?？傮w上現(xiàn)場再生不利于提升再生路面的低溫抗裂性能。

2.3 紅外光譜分析

不同狀態(tài)瀝青的紅外光譜見圖3，老化瀝青特征峰吸收面積見表5。

圖3 FTIR試驗(yàn)結(jié)果

表5 老化瀝青特征峰吸收面積

由表5可知：瀝青老化后羰基和亞砜基含量增加，羰基指數(shù)CI和亞砜基指數(shù)SI增大，丁二烯中的C=C鍵含量不斷減小，在老化過程中瀝青主要發(fā)生熱氧老化，SBS改性劑不斷衰減失效。短期老化瀝青在1 650、1 024 cm-1處均出現(xiàn)明顯的羰基和亞砜基特征峰，現(xiàn)場短期老化瀝青的吸收峰強(qiáng)度更高，老化較為嚴(yán)重。長期老化瀝青分別在1 720、2 853 cm-1處出現(xiàn)面積較大的酮類物質(zhì)和-CH2對(duì)稱伸縮吸收峰，表明瀝青在長期老化過程中飽和分和芳香分發(fā)生了氧化反應(yīng)，生成了烴的含氧衍生物醛和酮等組分，且部分高分子長鏈化合物發(fā)生了斷鏈分解，雙鍵三鍵發(fā)生加成反應(yīng)生成了-CH2。原路面經(jīng)高溫加熱后老化瀝青的C=C含量比原路面老化瀝青降低了6.28%，羰基指數(shù)CI、亞砜基指數(shù)SI分別增長了5.1%和5.8%，說明SBS改性劑在高溫加熱環(huán)境下發(fā)生了加速裂解，氧化反應(yīng)加劇。

由圖3可知：再生劑在2 925、2 894 cm-1出現(xiàn)了明顯的-CH2對(duì)稱和反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，在1 450～1 600、3 000～3 100 cm-1出現(xiàn)了芳環(huán)和苯環(huán)的骨架振動(dòng)峰，說明再生劑內(nèi)富含芳香分，可以補(bǔ)充瀝青老化時(shí)芳香分的減少量，使老化瀝青的分子分布更為均衡。室內(nèi)再生瀝青在1 604 、1 704 cm-1處比現(xiàn)場再生瀝青出現(xiàn)了更為明顯的芳環(huán)骨架振動(dòng)峰，說明室內(nèi)再生時(shí)再生劑與老化瀝青充分滲透后實(shí)現(xiàn)有效再生，現(xiàn)場再生效果較差。再生劑在RAP中體積分散性和滲透性有待深入研究。

3 就地?zé)嵩偕L期養(yǎng)護(hù)效果分析

為了檢驗(yàn)就地?zé)嵩偕鷮?duì)路面病害的長期養(yǎng)護(hù)效果，對(duì)比某高速公路同期使用就地?zé)嵩偕夹g(shù)和銑刨重鋪技術(shù)養(yǎng)護(hù)后，路面車轍和疲勞裂縫的發(fā)展規(guī)律。

3.1 就地?zé)嵩偕鷮?duì)路面車轍的養(yǎng)護(hù)效果

就地?zé)嵩偕豌娕僦劁侌B(yǎng)護(hù)前后路面車轍長期統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出：相比于銑刨重鋪技術(shù)養(yǎng)護(hù)路段，就地?zé)嵩偕夹g(shù)養(yǎng)護(hù)路段的車轍深度上升趨勢(shì)更加緩慢，表明就地?zé)嵩偕夹g(shù)對(duì)車轍的養(yǎng)護(hù)效果更持久，主要原因?yàn)榫偷責(zé)嵩偕夹g(shù)充分利用了舊料，老化瀝青抵抗車轍高溫流變變形的能力較強(qiáng)，路面不易發(fā)生車轍。

圖4 養(yǎng)護(hù)前后路面車轍長期統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從變異系數(shù)計(jì)算結(jié)果可以看出：就地?zé)嵩偕夹g(shù)養(yǎng)護(hù)施工后路段車轍深度的變異系數(shù)隨著時(shí)間的推移波動(dòng)較為明顯，表明部分就地?zé)嵩偕范螇簩?shí)效果不均勻，出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能原因?yàn)楦邷丶訜岷鬄r青老化較為嚴(yán)重，現(xiàn)場再生效果不佳，影響了路面壓實(shí)效果；但采用就地?zé)嵩偕夹g(shù)養(yǎng)護(hù)路段的變異系數(shù)整體低于銑刨重鋪技術(shù)，體現(xiàn)了就地?zé)嵩偕夹g(shù)對(duì)車轍病害的適應(yīng)性。

3.2 就地?zé)嵩偕访嫫诹芽p發(fā)展趨勢(shì)

路面裂縫形態(tài)較為復(fù)雜，采用疲勞裂縫的發(fā)展趨勢(shì)間接對(duì)比兩種技術(shù)抵抗低溫開裂和抗疲勞性能，疲勞裂縫統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖5。

圖5 養(yǎng)護(hù)前后疲勞裂縫長期統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由圖5可知：相比于銑刨重鋪技術(shù)養(yǎng)護(hù)路段，就地?zé)嵩偕夹g(shù)養(yǎng)護(hù)路段的疲勞裂縫占比上升較快。由于再生瀝青的抵抗低溫開裂能力低于新瀝青，在低溫環(huán)境下易發(fā)生低溫縮裂和疲勞開裂，瀝青膠結(jié)料流變性能在一定程度上可以反映路面長期使用性能。

4 結(jié)論

(1)新瀝青混合料在現(xiàn)場更易發(fā)生熱氧老化，原路面老化瀝青經(jīng)高溫加熱后發(fā)生了二次老化，復(fù)拌再生過程中再生劑在RAP中的體積分散性和滲透性不如室內(nèi)再生，這些因素均可導(dǎo)致室內(nèi)外再生存在一定差異。

(2)現(xiàn)場再生利于提升再生瀝青抵抗高溫流變變形的能力，現(xiàn)場短期老化瀝青和經(jīng)高溫加熱后的瀝青失效溫度升高，羰基指數(shù)和亞砜基指數(shù)增大，低溫抗裂性能顯著下降。

(3)加入再生劑后，室內(nèi)外再生瀝青的蠕變勁度S分別下降12.24%、9.4%，蠕變速率m分別提高28.57%、24.13%，再生劑對(duì)室內(nèi)再生瀝青的低溫抗裂性能改善效果優(yōu)于現(xiàn)場再生瀝青。

(4)相比于銑刨重鋪技術(shù)，就地?zé)嵩偕夹g(shù)對(duì)車轍病害的養(yǎng)護(hù)效果較為顯著，但易在低溫環(huán)境下產(chǎn)生疲勞開裂，路面長期使用性能表征可以從室內(nèi)外再生瀝青的高低溫流變性能得以解釋。