硬質(zhì)瀝青對(duì)老化瀝青及瀝青混合料性能的影響

崔 鵬

(1.甘肅公航旅建設(shè)集團(tuán)有限公司, 甘肅 蘭州 730030; 2.甘肅公航旅路業(yè)有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

對(duì)回收瀝青路面(Reclaimed Asphalt Pavement, RAP)材料進(jìn)行循環(huán)再利用，既可以節(jié)省資源，降低投資，又可以達(dá)到環(huán)保的目的[1-4]。RAP中的瀝青與基質(zhì)瀝青的相比，其抗裂性、抗水損害能力和耐疲勞性均有所下降，但耐高溫性有所提高[5]。傳統(tǒng)的再生技術(shù)是利用再生劑(或軟瀝青)來恢復(fù)老化瀝青的變形能力、降低其黏度[6-8]；但同時(shí)也會(huì)降低老化瀝青的高溫性能[9-10]，在常用的5%～10%左右的再生劑摻量情況下，可使再生混凝土的抗車轍能力下降30%～80%。正是由于常規(guī)的再生工藝有其自身的缺陷，使RAP的摻配比例受到了限制。美國對(duì)各個(gè)州RAP摻量的調(diào)查表明[11]，雖然美國的RAP利用率達(dá)到 90%以上，并且許多州交通部的規(guī)范允許RAP的摻量超過25%，但較高RAP摻量運(yùn)用在實(shí)際工程中仍較為罕見，大部分都在20%以下。國內(nèi)規(guī)范盡管并未對(duì) RAP的摻量進(jìn)行明確規(guī)定，但提出了15%～30%的建議值[12],即每使用1 t RAP，需要添加 2～5 t新瀝青混合料。所以，在常規(guī)的再生工藝中仍然需要耗費(fèi)很多珍貴的資源。

本研究應(yīng)用高模量瀝青混合料(High-modulus Asphalt Mixture, HMAM)的設(shè)計(jì)思想對(duì)其進(jìn)行再生。高模量瀝青混合料于20世紀(jì)80年代首先在法國出現(xiàn)[13]，它與一般的瀝青混凝土的不同體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：硬質(zhì)瀝青(針入度約為10～20),細(xì)級(jí)配,高油石比(約6%)和低孔隙率(通常為3%)，混合料的高模量是由硬質(zhì)瀝青自身的高模量特性得到的[14-16]。馬濤等[17]指出，與傳統(tǒng)的密實(shí)瀝青混凝土相比，HMAM具有更高的油石比、更低的空隙率和更細(xì)的礦料級(jí)配。由于RAP中的老化瀝青與硬質(zhì)瀝青具有相似的針入度，因此高模量化再生大幅提高了RAP的摻量。然而現(xiàn)有的再生瀝青混合料大多采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行再生，以硬質(zhì)瀝青作為再生膠結(jié)料的研究尚不多見。通過特立尼達(dá)湖瀝青(Trinidad Lake Asphalt, TLA)對(duì)老化瀝青進(jìn)行改性的機(jī)理研究，研制出滿足使用條件的再生瀝青膠結(jié)料。采用50%和100%RAP摻量的再生瀝青混合料進(jìn)行與AC-20高溫、低溫、疲勞性能的對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證利用高模量瀝青混合料的設(shè)計(jì)思想對(duì)RAP進(jìn)行再生的可行性。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

研究采用的基質(zhì)瀝青為新疆生產(chǎn)的TH-70#瀝青，其性能見表1。為了獲得大量的不同程度的老化瀝青，同時(shí)縮短試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)省人力物力，采用大托盤模擬瀝青薄膜烘箱加熱試驗(yàn)的方法進(jìn)行瀝青老化。試驗(yàn)的方法和步驟如下：測量大托盤的內(nèi)長和內(nèi)寬計(jì)算得到托盤的底面積為；在薄膜烘箱老化試驗(yàn)(Thin Film Oven Test, TFOT)中，瀝青膜的厚度為3.2 mm，對(duì)各托盤中的瀝青進(jìn)行定量計(jì)算，保證瀝青薄膜的厚度相同。將注入好瀝青的托盤放入(163±0.5) ℃的烘箱中進(jìn)行規(guī)定時(shí)間的老化，得到不同老化程度的瀝青。加熱持續(xù)時(shí)間為0，5，1，19，26 h，得到針入度分別為64.2，48.6，42.4，34.2，27.5(0.1 mm)的老化瀝青。

表1 TH-70#瀝青基本性能Tab.1 Typical characteristics of TH Pen 70 asphalt binder

通過在再生混凝土中添加湖瀝青改性瀝青來改善其復(fù)數(shù)模量，采用 TLA與基質(zhì)瀝青配制湖瀝青改性瀝青。TLA是一種常溫下呈固態(tài)、模量高的天然瀝青，是制備硬質(zhì)瀝青常用的改性劑。根據(jù)英國BS 3690和美國ASTM D5710提出的TLA和TLA改性瀝青的技術(shù)參考指標(biāo)，對(duì)TLA和硬質(zhì)瀝青進(jìn)行基本性能試驗(yàn)。TLA的基本性能見表2。制備湖瀝青改性瀝青時(shí)先將TLA打碎成直徑為1 cm左右的塊狀顆粒，然后加入到熔融狀態(tài)的基質(zhì)瀝青中，TLA用量占湖瀝青改性瀝青的40%。為了實(shí)現(xiàn)兩者均勻的混合，采用高速剪切攪拌機(jī)在165 ℃下進(jìn)行15 min的攪拌，制備好的硬質(zhì)瀝青性能見表3。

表2 TLA基本性能Tab.2 Basic properties of TLA

表3 硬質(zhì)瀝青基本性能Tab.3 Basic properties of hard asphalt

為了對(duì)比研究基質(zhì)瀝青、不同程度老化瀝青和硬質(zhì)瀝青的性能，試驗(yàn)總共制備了11種不同類型的瀝青膠結(jié)料，其代號(hào)和組成如表4所示。

表4 不同種類瀝青代號(hào)和組成Tab.4 Marks and compositions of different types of asphalt

研究結(jié)果顯示，較細(xì)的礦料級(jí)配、較高的瀝青含量的瀝青混凝土在低溫度下的抗裂性能較好，其使用壽命也較長[18]。因此，針對(duì)不同RAP摻量的瀝青混合料進(jìn)行了級(jí)配設(shè)計(jì)，再生料的級(jí)配隨 RAP的增大而逐漸細(xì)化。采用3種不同的油石比和級(jí)配進(jìn)行了試驗(yàn)，分別是：傳統(tǒng)的密級(jí)配瀝青混合料AC-20、法國瀝青混合料設(shè)計(jì)指南推薦的高模量瀝青混合料EME20(50% RAP和100% RAP)，具體級(jí)配如圖1所示。根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果，確定3種瀝青混合料AC-20，50% RAP和100% RAP摻量EME-20的最佳油石比分別為4.2 %，5.5%，6.1%。

圖1 級(jí)配曲線Fig.1 Gradation curves

本研究試驗(yàn)所用的RAP是舊路面養(yǎng)護(hù)工程中銑刨回收所得，并分為0～8 mm，8～12 mm，12～20 mm 3檔，RAP礦料級(jí)配測試結(jié)果如圖2所示，對(duì)試驗(yàn)用RAP中的老化瀝青進(jìn)行抽提回收，測試其3個(gè)指標(biāo)。老化瀝青基本性能見表5。

圖2 不同RAP礦料級(jí)配測試結(jié)果Fig.2 Test result of aggregates gradation of different RAP minerals

表5 回收老化瀝青的基本性能Tab.5 Basic performance of extracted aged asphalt

1.2 試驗(yàn)方法1.2.1 紅外光譜

傅里葉變換紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR)分析指利用紅外光譜對(duì)物質(zhì)分子進(jìn)行的分析和鑒定。試驗(yàn)采用的是美國某公司生產(chǎn)的Nicolet iS10型傅里葉紅外光譜儀進(jìn)行紅外光譜測試，光譜分辨率為0.4 cm-1，測試光譜范圍為4 000～400 cm-1。

分別制作基質(zhì)瀝青、硬質(zhì)瀝青、12 h老化瀝青、26 h老化瀝青、硬質(zhì)瀝青+12 h老化瀝青、硬質(zhì)瀝青+26 h老化瀝青紅外光譜試樣。其中硬質(zhì)瀝青為40%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的湖瀝青加入到基質(zhì)瀝青中制備而成，硬質(zhì)瀝青和老化瀝青的質(zhì)量比為1∶1。由于湖瀝青在常溫狀態(tài)下為固體，因此可以采用溴化鉀壓片的方法進(jìn)行測試，即將微量的湖瀝青粉末與溴化鉀晶體放在瑪瑙研缽中充分研磨混合后，采用YP-2型壓片機(jī)進(jìn)行壓片制得樣品。

1.2.2 原子力顯微鏡

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)為一種可用來研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。試驗(yàn)采用Dimension ICON型號(hào)的原子力顯微鏡。掃描范圍為90 um×90 um×10 um，數(shù)據(jù)采樣率50 MHz，分辨率為原子級(jí)。成像溫度-35～250 ℃。

為研究瀝青老化以及湖瀝青的加入對(duì)再生瀝青膠結(jié)料表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響，分別制作基質(zhì)瀝青、硬質(zhì)瀝青、12 h老化瀝青、26 h老化瀝青、硬質(zhì)瀝青+12 h老化瀝青、硬質(zhì)瀝青+26 h老化瀝青原子力顯微鏡試樣。由于湖瀝青常溫呈固態(tài)，無法做到試樣的表面平整，與其他的瀝青試樣沒有對(duì)比意義，所以制備了上述6種瀝青試樣。

1.2.3 流變性能試驗(yàn)

根據(jù) AASHTO T315，使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀 (Dynamic Shear Rheometer, DSR) 評(píng)估瀝青膠結(jié)料的高溫性能。采用溫度掃描模式研究瀝青樣品在 58～82 ℃ 下的性能，記錄復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ，并計(jì)算疲勞系數(shù) (G*sinδ) 和車轍因子(G*/sinδ)。 此外，使用彎曲梁流變儀 (Bending Beam Rheometer, BBR) 研究瀝青膠結(jié)料的低溫性能，其中記錄蠕變剛度S和蠕變速率M以評(píng)估制備樣品的低溫抗裂性，試驗(yàn)溫度為-12 ℃。

1.2.4 再生瀝青混合料性能試驗(yàn)

采用60 ℃車轍試驗(yàn)、-10 ℃低溫小梁彎曲試驗(yàn)和控制應(yīng)力的三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)來評(píng)價(jià)再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和疲勞性能。其中小梁彎曲試驗(yàn)采用斷裂能指標(biāo)來評(píng)價(jià)再生瀝青混合料的低溫性能。三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度為15 ℃，加載頻率10 Hz。采用控制應(yīng)力的加載模式，瀝青混合料的疲勞特征計(jì)算見式(1)。

(1)

式中，Nf為試件破壞時(shí)的加載次數(shù)；σ為時(shí)間施加的常量應(yīng)力的最大幅值；K和n為瀝青混合料材料組成及特性的常量。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅外光譜分析2.1.1 基質(zhì)瀝青

不同老化時(shí)間情況下基質(zhì)瀝青紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可見，波數(shù)3 500～3 800 cm-1處出現(xiàn)的大范圍的小型波峰可能是由空氣中的水蒸氣和CO2引起的；2 852～2 922 cm-1附近的透過率較低，主要與瀝青中脂肪鏈的拉伸振動(dòng)有關(guān)。瀝青老化后在1 692 cm-1處的吸收峰面積增大，此處對(duì)應(yīng)的是羰基C=O伸縮振動(dòng)吸收峰；1 600 cm-1處的峰值代表C=C在苯環(huán)中的振動(dòng)；1 462 cm-1和1 376 cm-1處的吸收峰與脂肪鏈的變形振動(dòng)有關(guān)；1 031 cm-1處的吸收率峰值表示的是亞砜基團(tuán)(S=O)的拉伸振動(dòng)；芳香環(huán)中C-H的彎曲振動(dòng)導(dǎo)致了863，811，747 cm-1處的吸收峰。特定官能團(tuán)處的透過率可以表示瀝青的老化程度。3個(gè)瀝青樣品之間的顯著差異是，在基質(zhì)瀝青老化后，C=C,C=O和S=O官能團(tuán)的透過率降低。C=O的增加表明瀝青在老化過程中內(nèi)部碳元素與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)形成了含氧官能團(tuán)，如醛、酮、酯和羧酸等。此外，S=O的增加表明硫元素與氧反應(yīng)形成極性功能性亞砜基。

圖3 基質(zhì)瀝青紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Infrared spectra test result on matrix asphalt

2.1.2 湖瀝青和硬質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青、湖瀝青、40%湖瀝青+60%基質(zhì)瀝青混合而成的硬質(zhì)瀝青紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。通過比較JZ和TLA的FTIR光譜圖4，發(fā)現(xiàn)湖瀝青大部分吸收峰都在基質(zhì)瀝青吸收峰的附近，僅在535，467，428 cm-1處發(fā)現(xiàn)了新的吸收峰，是由湖瀝青中的萘官能團(tuán)所引起的。萘官能團(tuán)的存在對(duì)改善瀝青的分子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度起到了促進(jìn)作用。在TLA的1 031 cm-1處，亞砜基S=O的透射率波峰面積明顯大于普通瀝青的透射率波峰面積。這是因?yàn)?TLA是自然生成的，長期接觸大氣會(huì)加快 TLA的氧化。硫和氧有足夠的時(shí)間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成更多的亞砜基。此外，YZ和TLA具有相同的特征峰，其中YZ中各官能團(tuán)的透射率小于TLA。上述結(jié)果證實(shí)TLA的加入只改變了JZ中各組分的比例，2種瀝青混合過程中沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

圖4 TLA和YZ紅外光譜圖Fig.4 Infrared spectra of TLA and YZ

采用差譜分析法，通過將硬質(zhì)瀝青中減去基質(zhì)瀝青的組分特征再與湖瀝青的光譜圖進(jìn)行比較，分析是否發(fā)生變化。由于硬質(zhì)瀝青中含有60%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的基質(zhì)瀝青，而基質(zhì)瀝青標(biāo)準(zhǔn)譜是100%的基質(zhì)瀝青，組分含量的不一致會(huì)導(dǎo)致譜圖強(qiáng)度的不匹配，因此，需要首先計(jì)算基質(zhì)瀝青標(biāo)準(zhǔn)譜的60%，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖譜計(jì)算不同瀝青之間的差譜。通過編程計(jì)算硬質(zhì)瀝青與基質(zhì)瀝青的差譜，再和湖瀝青的光譜圖進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，2條吸光度曲線幾乎完全重合，表明從硬質(zhì)瀝青中除去基質(zhì)瀝青的組分特征后，能夠得到另一組分純湖瀝青的光譜圖，進(jìn)一步證明在基質(zhì)瀝青中添加湖瀝青，僅對(duì)其進(jìn)行了物理改性，使其組成成分的比例發(fā)生改變，而不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)作用。

圖5 硬質(zhì)瀝青差譜圖Fig.5 Difference spectra of hard asphalt

2.1.3 再生瀝青膠結(jié)料

制備了含有50%老化瀝青(LH12h，LH26h)和50% YZ的混合瀝青樣品，紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。由圖6可見，與老化瀝青相比，ZS12h和ZS26h中1 031 cm-1處的亞砜基S=O透過率更低，吸收峰更尖銳。這是因?yàn)閬嗧炕诟邷叵氯菀追纸?。此外，ZS12h和ZS26h中535，467，428 cm-1處出現(xiàn)的峰值表明，TLA中的萘官能團(tuán)存在于再生瀝青膠結(jié)料中。萘官能團(tuán)可以促進(jìn)瀝青分子之間的交聯(lián)聚合，使得瀝青分子之間結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)和強(qiáng)度得到增強(qiáng)，從而使得湖瀝青改性瀝青軟化點(diǎn)和黏度增大。

圖6 不同再生瀝青紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Infrared spectra test result of different recycled asphalts

對(duì)再生瀝青膠結(jié)料進(jìn)行差譜分析，從再生瀝青膠結(jié)料的紅外光譜圖中消除老化瀝青的組分特征，并與硬質(zhì)瀝青的譜圖進(jìn)行對(duì)比分析。由于硬質(zhì)瀝青和老化瀝青的質(zhì)量比例為1∶1，所以差減系數(shù)為50%，不同再生瀝青的差譜圖如圖7所示。對(duì)比分析結(jié)果表明，將硬質(zhì)瀝青作為新瀝青加入到再生混合料中所得的再生混合料膠結(jié)料僅僅是硬質(zhì)瀝青與老化瀝青的物理混合，沒有發(fā)生化學(xué)改變。

圖7 不同再生瀝青差譜圖Fig.7 Difference spectra of different recycled asphalts

2.2 原子力顯微鏡分析

瀝青的膠體結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為，大分子量的瀝青質(zhì)作為中心吸引極性較大的顆粒形成膠體，分散在瀝青的輕質(zhì)組分當(dāng)中。因此，AFM形貌圖中，明暗相間、高低不同、類似于蜜蜂尾部的結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是瀝青質(zhì)。利用 AFM對(duì)JZ，LH12h，LH26h，YZ，ZS12h，ZS26h的瀝青表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，結(jié)果如圖8所示。由圖8可見，老化瀝青的蜂型結(jié)構(gòu)數(shù)量較未老化瀝青增加，單個(gè)蜂型結(jié)構(gòu)的面積較未老化瀝青更大。

圖8 AFM形貌圖Fig.8 Topographies imaged by AFM

由于不同種類瀝青AFM形貌中瀝青表面蜂型結(jié)構(gòu)的數(shù)量、大小和分布均不相同，瀝青表面蜂型結(jié)構(gòu)的特征可用來間接衡量瀝青的基本性能。為定量研究不同因素對(duì)蜂型結(jié)構(gòu)特征的影響程度，采用MATLAB軟件對(duì)瀝青AFM形貌圖中蜂型結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)、最大面積、平均面積和總面積進(jìn)行了識(shí)別和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同瀝青蜂型結(jié)構(gòu)特征參數(shù)Fig.9 Characteristic parameters of bee-like structure of different asphalts

由圖9可見，隨著老化時(shí)間的延長，瀝青表面蜂型結(jié)構(gòu)數(shù)量減少，最大面積和平均面積增大，蜂型結(jié)構(gòu)總面積所占比例也隨之增大。數(shù)量的減少是由于瀝青質(zhì)的相互膠結(jié)和聚集，可以從圖9(c)中清晰看到，存在2～3個(gè)蜂型結(jié)構(gòu)集合在一起；平均面積的增大是由于在老化過程中瀝青的輕質(zhì)組分轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，導(dǎo)致了瀝青質(zhì)的增長從而使得平均面積增大；最大面積的增大是由于瀝青質(zhì)大分子在老化過程中與其他瀝青質(zhì)分子相交聯(lián)形成更大的蜂型結(jié)構(gòu)；蜂型結(jié)構(gòu)總面積及其占比的增大進(jìn)一步說明了瀝青老化提高了瀝青中瀝青質(zhì)的占比，瀝青從溶膠結(jié)構(gòu)過渡到凝膠結(jié)構(gòu)，從宏觀上看，主要是由于老化導(dǎo)致其黏度、稠度增加。比較圖9(a)與9(d)可以看出，與JZ相比，TLA的摻加導(dǎo)致圖中YZ表面的白色蜂型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的變化。反映在特征參數(shù)上是硬質(zhì)瀝青的蜂型結(jié)構(gòu)數(shù)量增多，最大面積、平均面積和總面積都有所降低，表明湖瀝青的摻加有助于瀝青質(zhì)的溶解，形成了更穩(wěn)固的體系，這可能和湖瀝青中的萘官能團(tuán)有關(guān)。進(jìn)一步觀察圖9可知，ZS12h與LH12h相比，蜂型結(jié)構(gòu)的最大面積和平均面積幾乎相同，總面積同樣有所降低，但降低幅度減小，表明前面所提到的湖瀝青加入的改變效果已經(jīng)變得輕微，這可能是由于湖瀝青質(zhì)量占比的不同導(dǎo)致的，硬質(zhì)瀝青中湖瀝青所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，而硬質(zhì)+12h老化瀝青中湖瀝青所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有20%，湖瀝青質(zhì)量占比的下降導(dǎo)致改變效果的降低。硬質(zhì)瀝青加入26 h老化瀝青帶來的改變與前述大致相同，蜂型結(jié)構(gòu)的最大面積和平均面積變化不大。

2.3 再生瀝青膠結(jié)料流變性能

將制備好的硬質(zhì)瀝青膠結(jié)料與不同老化時(shí)間的瀝青按照質(zhì)量比為1∶1混合，并進(jìn)行加熱，通過長時(shí)間攪拌得到兩者均勻混合狀態(tài)下的再生瀝青膠結(jié)料，測試其低溫、高溫和疲勞等流變性能。

2.3.1 低溫性能

再生瀝青膠結(jié)料低溫流變性能試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，再生瀝青與老化瀝青具有相同的低溫特性，即隨老化時(shí)間的增加，其蠕變勁度增加，蠕變速率下降，低溫性能下降。這是由于占混合瀝青一半質(zhì)量的硬質(zhì)瀝青沒有發(fā)生變化，改變的只有老化瀝青，此時(shí)再生瀝青膠結(jié)料的變化規(guī)律由老化瀝青決定。此外，由蠕變勁度數(shù)據(jù)可知，向老化瀝青中加入硬質(zhì)瀝青會(huì)降低再生混合料膠結(jié)料的低溫性能，這是由于YZ比老化時(shí)間較短的LH低溫性能要差。隨著老化時(shí)間的延長，老化瀝青的蠕變勁度逐漸趨于硬質(zhì)瀝青，表現(xiàn)在圖10中就是兩條曲線趨于相交。

圖10 再生瀝青膠結(jié)料低溫性能試驗(yàn)結(jié)果(-12 ℃)Fig.10 Low temperature performance test result of recycled asphalt binder at -12 ℃

2.3.2 高溫性能

分別測試不同程度老化瀝青(0，7，12，19，26 h老化)混合的再生瀝青膠結(jié)料的高溫性能，并采用車轍因子G*/sinδ和相位角δ表征試驗(yàn)結(jié)果，如圖11所示。由圖11可見，隨著LH老化時(shí)間的增加，ZS的車轍因子G*/sinδ也隨之增加，耐高溫性能得到提高；相位角δ降低，再生瀝青膠結(jié)料的彈性比例增大，并逐步向彈性體靠攏。

圖11 再生瀝青結(jié)合料高溫流變性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Test result of high temperature rheological properties of recycled asphalt binder

根據(jù)車轍因子G*/sinδ和相位角的試驗(yàn)結(jié)果，比較不同溫度下ZS與LH瀝青車轍因子G*/sinδ的變化規(guī)律，結(jié)果如圖12所示。由圖12可見，隨著溫度從58 ℃提高到64 ℃，ZS和LH的車轍因子減小，削弱了2種瀝青抵抗變形能力。在再生瀝青膠結(jié)料中添加硬質(zhì)瀝青后，其高溫特性得到改善，而湖瀝青的耐熱穩(wěn)定性更好。老化后的瀝青在12 h內(nèi)，其車轍因子與老化瀝青基本一致。這是老化時(shí)間的延長導(dǎo)致老化瀝青的高溫性能逐漸增強(qiáng)，直到與硬質(zhì)瀝青相同。

圖12 ZS與LH車轍因子對(duì)比Fig.12 Comparison of rutting factors between ZS and LH

2.3.3 疲勞性能

ZS瀝青的疲勞性能的試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。由圖13可見，再生瀝青膠結(jié)料與老化瀝青的疲勞因子曲線幾乎重合，表明硬質(zhì)瀝青的加入對(duì)再生混合料膠結(jié)料疲勞性能的影響不大，ZS的疲勞性能主要受不同老化程度LH的影響。因此如果要從膠結(jié)料方面改善再生混合料的疲勞性能，可以重點(diǎn)從老化瀝青出發(fā)，采用老化程度較低的回收瀝青。

圖13 ZS與LH疲勞因子對(duì)比Fig.13 Comparison of fatigue factors between ZS and LH

2.4 硬質(zhì)瀝青再生混合料性能研究

高模量瀝青混合料具有高油石比(5.5%左右)、低孔隙率(3%左右)的特點(diǎn)，采用高模量化設(shè)計(jì)增強(qiáng)了再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性，因此本研究重點(diǎn)對(duì)3種瀝青混凝土的高溫、低溫和疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并比較了采用高模量設(shè)計(jì)理念的瀝青混凝土與常規(guī)密級(jí)配瀝青混凝土的性能差別，結(jié)果如圖14所示。由圖14(a)可見，盡管ZS具有較好的耐高溫性能，依據(jù)高模量設(shè)計(jì)思想制備的再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度較常規(guī)AC-20低，并且隨 RAP用量的增加而進(jìn)一步降低。由圖14(b)可見，EME-20@50%與AC-20具有相似的斷裂能，結(jié)果表明在低溫度下，YZ及50% RAP不會(huì)對(duì)瀝青混凝土的抗開裂性能產(chǎn)生負(fù)面影響。在細(xì)級(jí)配和高油石比作用下，當(dāng)RAP含量增加到100%時(shí)，EME-20@100%的斷裂能甚至比AC-20增加了23%。由圖14(c)可見，EME-20@50%與EME-20@100%的疲勞壽命都高于AC-20混合料，這歸功于ZS比JZ更靠近彈性體，變形后易恢復(fù)，與細(xì)料形成的大量膠漿能夠有效地抵御荷載的反復(fù)作用。

圖14 再生瀝青混合料性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.14 Test result of recycled asphalt mixture performance

綜上，相比于AC-20，為了兼顧再生瀝青混合料的低溫性能和疲勞性能，根據(jù)高模量設(shè)計(jì)理念，硬質(zhì)瀝青再生混合料采用了更細(xì)的級(jí)配和更高的油石比，犧牲了部分高溫性能，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)再生混合料低溫性能和疲勞性能不足的特點(diǎn)，達(dá)到了高低溫性能的統(tǒng)一。隨著RAP用量的增大，其級(jí)配變得更細(xì)，油石比例也隨之增大，變化規(guī)律更為顯著。因此，采用高模量設(shè)計(jì)思想，在50%和100% RAP摻量下，可以同時(shí)兼顧再生料的高溫與低溫特性，并且其低溫性能和抗疲勞性能均優(yōu)于采用新瀝青的AC-20混合料，實(shí)現(xiàn)了大RAP摻量和高性能的統(tǒng)一。

3 結(jié)論

本研究采用 FTIR，AFM，DSR， BBR研究了 TLA改性瀝青與老化瀝青混合后的改性機(jī)理、微觀結(jié)構(gòu)及流變性，并對(duì)硬質(zhì)瀝青再生混合料路用性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

(1)隨著老化時(shí)間的延長，瀝青的低溫性能和疲勞性能逐漸降低，抵抗變形的能力逐漸增強(qiáng)；紅外光譜分析表明，基質(zhì)瀝青的老化主要是熱氧老化；原子力顯微鏡試驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青的老化會(huì)導(dǎo)致瀝青質(zhì)含量提高并相互吸引、聚集乃至膠結(jié)，破壞了瀝青原有的瀝青質(zhì)均勻分散在連續(xù)相中的膠體結(jié)構(gòu)，使得瀝青由溶膠型結(jié)構(gòu)向凝膠型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

(2)紅外光譜分析結(jié)果表明，TLA加入到基質(zhì)瀝青中及硬質(zhì)瀝青與不同程度老化瀝青混合時(shí)，沒有產(chǎn)生新的官能團(tuán)，只進(jìn)行了物理改性，導(dǎo)致瀝青的各組分比例發(fā)生了變化，而沒有化學(xué)反應(yīng)；原子力顯微鏡分析結(jié)果表明，TLA的加入使蜂型結(jié)構(gòu)數(shù)量增多，最大面積、平均面積和總面積都有所降低，表明湖瀝青的摻加有助于瀝青質(zhì)的溶解，形成了更穩(wěn)固的體系。

(3)再生瀝青膠結(jié)料與老化瀝青的性能變化規(guī)律基本一致。再生瀝青膠結(jié)料的低溫性能隨老化時(shí)間的增加而下降，高溫性能得到改善，疲勞破壞發(fā)展較快。

(4)通過級(jí)配優(yōu)化和提高硬質(zhì)瀝青的含量，摻量為50%和100% RAP再生瀝青混合料的低溫性能和抗疲勞性能均優(yōu)于AC-20混合料。因此應(yīng)用高模量瀝青混凝土設(shè)計(jì)思想提高RAP含量是切實(shí)可行的。