新-舊SBS改性瀝青混合再生規(guī)律

秦 歡， 吳 欣，鄒桂蓮，劉新海

(1.保利長大工程有限公司，廣州 510620；2.廣州市高速公路有限公司，廣州 510289；3.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣州 510640；4.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

老化瀝青再生利用技術(shù)一直是行業(yè)內(nèi)的熱點研究方向之一，已有成功的再生瀝青路面應(yīng)用案例證明了該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)價值和環(huán)境效益[1-4]。規(guī)范JTG/T 5521-2019中的新舊瀝青調(diào)和再生法則以60℃動力黏度作為目標(biāo)參數(shù)。SBS改性瀝青的60℃動力黏度測試?yán)щy且誤差較大[5]，基于60℃動力黏度建立的調(diào)和方程并不適合于指導(dǎo)改性瀝青的混合再生，因此選擇合適的目標(biāo)參數(shù)成為研究新-舊SBS改性瀝青混合再生規(guī)律的關(guān)鍵點。鄒桂蓮、秦歡[6-7]等人發(fā)現(xiàn)延度、粘韌性以及G*/sinδ對SBS的老化最為敏感，一次和二次再生后的瀝青流變特性恢復(fù)效果較好。甘立新、李立寒、張皓等人[8-10]發(fā)現(xiàn)添加再生劑或新SBS類改性瀝青可使老化瀝青的針入度、延度和粘韌性恢復(fù)至老化前的水平。Stimilli[11]等人使用三種不同SBS含量的原樣改性瀝青對老化瀝青進(jìn)行再生，發(fā)現(xiàn)混合再生瀝青的SBS含量隨老化瀝青摻量的增加而提高，同時硬度不斷增大。

本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上[6-11]，室內(nèi)采用延時RTFOT自制R(20-30)、R(10-20)老化瀝青，再分別使用I-D、I-C、I-B三類原樣SBS改性瀝青對R(10-20)瀝青進(jìn)行混合再生，研究新-舊SBS改性瀝青混合再生的規(guī)律，以期為回收SBS改性瀝青混合料的再生利用提供方法參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 原樣及老化SBS改性瀝青

為模擬瀝青路面實際使用過程中的老化，參考已有研究成果[12]在室內(nèi)采用延時RTFOT試驗代替PAV試驗對新SBS I-D(40-60)改性瀝青進(jìn)行老化，將旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱溫度設(shè)置為170℃、噴氣嘴空氣流量設(shè)置為5 000ml/min±200ml/min。經(jīng)多次試驗探究，分別老化3h、5h得到R(20-30)、R(10-20)老化瀝青。R(20-30)瀝青與山東省某公路回收瀝青的針入度相當(dāng)，R(10-20)與廣東省SBS(I-D)改性瀝青使用8～10年的老化程度相當(dāng)。I-D(40-60)、R(20-30)、R(10-20)瀝青的基本性能指標(biāo)見表1。

表1 I-D(40-60)、R(20-30)、R(10-20)瀝青的性能指標(biāo)

1.1.2 新SBS改性瀝青

選擇的I-D、I-C、I-B型SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 新SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗方法

廣東省原樣SBS(I-D)改性瀝青的針入度范圍為40～60(0.1mm)，使用8～10年后衰減至10～20(0.1mm)，因此采用R(10-20)老化瀝青作為研究對象。將I-D、I-C、I-B新瀝青和R(10-20)老化瀝青置于165℃～170℃烘箱內(nèi)加熱融化，再將15%、25%、35%、50%質(zhì)量比例的R(10-20)瀝青分別加入三種新瀝青中，攪拌混合均勻后得到12種再生SBS改性瀝青。按照規(guī)范JTG E20 T 0604、T 0625和AASHTO M320分別測試12種混合再生SBS改性瀝青以及I-D、I-C、I-B、R(10-20)瀝青的25℃針入度、135℃旋轉(zhuǎn)粘度以及G*/sinδ。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 針入度

新-舊瀝青混合后的分散均勻程度會影響再生瀝青的針入度指標(biāo)[13-14]。為減少干擾變量，假設(shè)新-舊瀝青完全混合分散均勻，僅分析新瀝青種類以及摻量對混合再生后瀝青針入度的影響。不同瀝青的針入度試驗結(jié)果見表3，與R(10-20)摻量的關(guān)系如圖1所示。

表3 瀝青25℃針入度試驗結(jié)果 (單位：0.1mm)

圖1 25℃針入度與R(10-20)摻量之間的變化規(guī)律

由表3和圖1可知，在相同的R(10-20)摻量下，混合再生瀝青的針入度隨新瀝青針入度等級的升高而增大，新瀝青針入度越大，對R(10-20)的再生效果就越明顯。分別使用I-D、I-C、I-B新瀝青作為再生劑，混合再生瀝青的針入度均隨R(10-20)摻量的增加而減小，說明R(10-20)摻量增加會導(dǎo)致再生瀝青變硬。以25℃針入度作為目標(biāo)參數(shù)，新-舊SBS改性瀝青的混合再生調(diào)和方程可表示為式1。

Lg(Pmix)=X·Lg(Pold)+(1-x)Lg(Pnew)

(1)

式中：Pmix為再生瀝青的25℃針入度；Pold為老化改性瀝青的25℃針入度；Pnew為新瀝青的25℃針入度；x為老化瀝青的摻配比例。

欲使R(10-20)針入度恢復(fù)至原樣瀝青的水平范圍，根據(jù)式(1)反算可知，分別使用I-D、I-C、I-B新瀝青再生時，R(10-20)的最大摻量為29%、40%、48%，說明新瀝青針入度越大，老化瀝青的最大摻量越高。進(jìn)一步分析可知，當(dāng)老化瀝青摻量不超過30%時，可選擇同等級的新瀝青作為再生瀝青；當(dāng)摻量超過30%時，建議選擇更高等級的新瀝青作為再生瀝青。

2.2 粘度

在單對數(shù)坐標(biāo)系下，12種混合再生瀝青以及I-D、I-C、I-B、R(10-20)瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)粘度試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 135℃旋轉(zhuǎn)粘度與R(10-20)摻量之間的變化規(guī)律

由圖2可知，相同的R(10-20)摻量下，新瀝青的針入度越大，混合再生瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)粘度越小，對R(10-20)的軟化效果越明顯。分別使用I-D、I-C、I-B新瀝青作為再生劑，混合再生瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)粘度值均隨R(10-20)摻量的增加而升高。135℃旋轉(zhuǎn)粘度對數(shù)值與R(10-20)摻量呈單調(diào)遞減關(guān)系，可表示為式(2)。

Lg(ηmix)=X·Lg(ηold)+(1-x)Lg(ηnew)

(2)

式中：ηmix為再生瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)粘度；ηold為老化改性瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)粘度；ηnew為添加新瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)粘度；x為老化瀝青的摻配比例。

規(guī)范JTG/T 5521-2019采用60℃動力粘度作為目標(biāo)參數(shù)構(gòu)建新舊瀝青調(diào)和方程，這一指標(biāo)對于普通瀝青是適用的，但SBS改性瀝青60℃動力粘度測試?yán)щy且誤差較大，導(dǎo)致其不適用改性瀝青的再生。美國SHRP計劃推薦使用Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計測試改性瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)粘度，該測試方法簡單，數(shù)值穩(wěn)定可靠，能較好地反映改性瀝青的高溫性能。使用I-D、I-C、I-B新瀝青作為再生劑，混合再生瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)粘度對數(shù)值與老化瀝青摻量的線性回歸相關(guān)系數(shù)均可達(dá)到95%以上，兩者的相關(guān)程度較高，表明135℃旋轉(zhuǎn)粘度同樣適合作為目標(biāo)參數(shù)構(gòu)建新-舊SBS改性瀝青混合再生調(diào)和方程。

2.3 車轍因子

SHRP計劃提出采用G*/sinδ表征瀝青結(jié)合料抗永久變形能力的大小，其數(shù)值越大說明高溫抗車轍能力越強(qiáng)[17]。國內(nèi)瀝青路面夏季的高溫一般為40℃～70℃，試驗設(shè)置40℃、50℃、60℃、70℃四個溫度，采用I-B(80-100)新瀝青對R(10-20)老化瀝青進(jìn)行再生，G*/sinδ的試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 G*/sinδ與R(10-20)摻量之間的變化規(guī)律

由圖3可知，在設(shè)置的試驗溫度下，G*/sinδ均隨R(10-20)摻量的增加而增大，表明高溫狀態(tài)下增加老化瀝青摻量有利于提高瀝青混凝土路面的抗車轍能力。同種試驗溫度下，以G*/sinδ為目標(biāo)參數(shù)構(gòu)建的再生調(diào)和方程可表示為式(3)。

Lg(G*/sinδmix)=x·Lg(G*/sinδold)+
(1-x)Lg(G*/sinδnew)

(3)

式中：G*/sinδmix為再生瀝青的車轍因子，G*/sinδold為老化瀝青的車轍因子，G*/sinδnew為新瀝青的車轍因子，x為舊瀝青摻量。

溫度是《公路自然區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》一級區(qū)劃考慮的重要指標(biāo)之一。目前我國的瀝青技術(shù)指標(biāo)體系采用固定的試驗溫度，不能代表當(dāng)?shù)貫r青路面的真實服役溫度，而DSR溫度掃描試驗可獲得系列溫度下的G*/sinδ，各地可根據(jù)路面高溫狀態(tài)下的統(tǒng)計溫度平均值，建立基于該溫度下的G*/sinδ再生調(diào)和方程，保證再生瀝青試驗溫度與當(dāng)?shù)芈访娣蹨囟鹊囊恢滦?。建議采用再生調(diào)和方程確定新瀝青的針入度等級以及老化瀝青的最大摻量時，推薦優(yōu)先選用當(dāng)?shù)仄骄?d最高路面設(shè)計溫度下的G*/sinδ作為目標(biāo)參數(shù)。

3 再生調(diào)和方程的驗證

為驗證SBS改性瀝青混合再生調(diào)和方程的普適性，選擇山東省某實體工程應(yīng)用的R(20-30)老化瀝青，固定其摻量為25%，分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的I-D(40-60)、I-C(60-80)新瀝青進(jìn)行混合再生并進(jìn)行檢測試驗。再生瀝青性能指標(biāo)的實測值與計算值見表4。

表4 再生瀝青性能指標(biāo)測試結(jié)果

由表4可知，采用再生調(diào)和方程擬合得到的25℃針入度、135℃旋轉(zhuǎn)粘度、G*/sinδ計算值與再生瀝青樣品的實測值基本一致，相對誤差均小于10%，在實際工程使用可接受的誤差范圍內(nèi)，表明建立的再生調(diào)和方程對于不同老化程度的SBS改性瀝青均適用，具有一定的普適性。

4 結(jié)論

(1)添加不同針入度等級的新SBS改性瀝青均能有效恢復(fù)老化SBS改性瀝青的常規(guī)性能與流變性能指標(biāo)，且新SBS瀝青的針入度等級越高，摻量越大，恢復(fù)效果越明顯。當(dāng)老化瀝青摻量不超過30%時，可選擇同等級的新瀝青作為再生瀝青；當(dāng)摻量超過30%時，建議選擇更高等級的新瀝青作為再生瀝青。

(2)新-舊SBS混合再生瀝青的25℃針入度對數(shù)值、135℃旋轉(zhuǎn)粘度對數(shù)值、G*/sinδ對數(shù)值均與R(10-20)摻量呈線性相關(guān)關(guān)系。可采用25℃針入度、135℃旋轉(zhuǎn)粘度或G*/sinδ作為目標(biāo)參數(shù)建立新-舊SBS改性瀝青的再生調(diào)和方程，推薦選用當(dāng)?shù)仄骄?d最高路面設(shè)計溫度下的G*/sinδ作為目標(biāo)參數(shù)。

(3)采用再生調(diào)和方程擬合得到的25℃針入度、135℃旋轉(zhuǎn)粘度、G*/sinδ計算值與再生瀝青樣品的實測值基本一致，表明建立的再生調(diào)和方程對于不同老化程度的SBS改性瀝青均適用，具有一定的普適性。