基于常規(guī)、疲勞與愈合-疲勞試驗的瀝青再生性能研判

陳 龍，陳宏斌，何兆益，李 朋，王曉東

(1. 山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東 濟南 250357；2.甘肅省交通科學(xué)研究院集團有限公司，甘肅 蘭州 730030； 3. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 4. 重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

當(dāng)前，伴隨我國新-舊動能轉(zhuǎn)換工程全面提速推進和瀝青、礦料等石化資源有限開采意識與布局管控能力逐步加強，針對結(jié)構(gòu)性破損的瀝青路面實施銑刨回收并開展再生修復(fù)循環(huán)利用研究已逐步提上戰(zhàn)略議事日程。其中，瀝青路面結(jié)構(gòu)銑刨回收材料(reclaimed asphalt pavements，RAP)中廢舊瀝青性能的還原情況是RAP再生修復(fù)工作的關(guān)鍵要點。同時，能否針對廢舊瀝青再生修復(fù)后的性能進行科學(xué)合理的表征與評價也將直接影響再生瀝青路面服役效果。

國內(nèi)外諸多學(xué)者通過不同尺度試驗方法對RAP表面廢舊瀝青的再生性能進行了描述與分析。在宏觀常規(guī)性能參數(shù)表征方面，張吉哲等[1]采用新添瀝青調(diào)和再生的方式，對RAP表面廢舊基質(zhì)瀝青黏彈流變力學(xué)性能的有效還原情況進行了探究，發(fā)現(xiàn)選擇不添加再生劑的單一調(diào)和再生方式并不能夠高效恢復(fù)廢舊基質(zhì)瀝青宏觀流變力學(xué)特性。唐伯明等[2]、朱洪洲等[3]通過添加自主研發(fā)的生物基瀝青再生劑，利用動態(tài)剪切流變DSR等試驗對9種再生基質(zhì)瀝青的疲勞力學(xué)性能進行表征，結(jié)果表明，再生瀝青抗疲勞特性相較原樣瀝青更優(yōu)良；其次，在納微觀參數(shù)表征方面，M.BAQERSAD等[4]、李永翔等[5]學(xué)者利用自主研發(fā)的瀝青再生劑，對摻配有100%RAP的廢舊基質(zhì)瀝青再生性能進行了評價，得到羰基和砜基等基團比重較小、脂肪烴基比重較高的再生劑性能改善作用效果最優(yōu)，傅立葉紅外掃描測試手段相較常規(guī)力學(xué)性能試驗，前者也可較好的用于預(yù)測廢舊基質(zhì)瀝青的再生效果；在宏微觀性能參數(shù)綜合表征方面，何兆益等[6]、高新文等[7]、T.CHEN等[8]、S.K.BADROODL等[9]相繼采用宏觀常規(guī)性能試驗、材料微觀構(gòu)相分布與化學(xué)組成特征手段對RAP表面萃取廢舊SBS改性瀝青的再生性能進行表征，同時搭建了宏微觀尺度性能構(gòu)效關(guān)聯(lián)方程。Z.L.CAO等[10]發(fā)現(xiàn)，宏觀熱氧穩(wěn)定性能試驗參數(shù)-初始分解溫度以及微觀性能試驗參數(shù)-亞砜基指數(shù)等相比其它性能指標能夠更好的描述再生SBS改性瀝青抵抗二次疲勞作用的能力，并且由數(shù)理對比發(fā)現(xiàn)，在各類型瀝青再生劑中，以腰果殼油為主要成分的生物基再生劑對廢舊SBS改性瀝青性能的改善效果最好。

匯總已有研究成果可知：首先，目前針對RAP廢舊瀝青再生性能的研究分析對象通常集中于單一瀝青種類，在同等條件下綜合廢舊基質(zhì)瀝青和改性瀝青進行再生性能協(xié)同對比探討的研究尚不多見；另外，現(xiàn)有針對RAP廢舊瀝青再生性能的評價方法和指標并未得到統(tǒng)一，多數(shù)研究成果普遍采用宏觀常規(guī)力學(xué)性能恢復(fù)程度或微觀構(gòu)相與化學(xué)成分特征變化情況進行量化判別，但上述類型指標并不能有效反映出再生瀝青承受荷載作用的持續(xù)能力(譬如，上述類型指標并不能反映出RAP廢舊瀝青再生后，二次服役期間疲勞耐久特性較原樣瀝青變化情況)。最后，在現(xiàn)有測試方法，尤其是力學(xué)性能評價方法中施加的荷載作用方式為連續(xù)加載模式，這與瀝青路面實際行車荷載間歇作用模式有較大出入。因此，筆者選擇在常規(guī)力學(xué)和流變力學(xué)性能試驗分析基礎(chǔ)上，進一步引入間歇愈合理念對廢舊瀝青再生性能進行關(guān)聯(lián)評價，通過分析不同再生劑摻量、間歇時間、廢舊瀝青老化程度等條件下再生基質(zhì)瀝青和再生SBS改性瀝青常規(guī)、疲勞及愈合-疲勞性能演變規(guī)律，對比探討更加科學(xué)合理的RAP廢舊瀝青再生性能評價手段和特征指標。

1 原材料與試驗方案

試驗涉及的原材料分別包括基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和自主研發(fā)的再生劑。其中，基質(zhì)瀝青選取SK-70#A級瀝青；為增強改性瀝青配伍性，SBS改性瀝青采用5%摻量的新型SBS改性劑、5%摻量的廢機油增容劑同基質(zhì)瀝青混溶，經(jīng)吸附、膨脹、剪切、發(fā)育后制得；再生劑參照化學(xué)組分調(diào)節(jié)理論自制。另外，RAP廢舊瀝青采用室內(nèi)模擬方式制備，分別由RTFOT旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱制備短期老化廢舊瀝青，組合RTFOT+PAV壓力老化環(huán)境箱制備長期老化廢舊瀝青。各廢舊瀝青試樣性能還原所需再生劑的摻配質(zhì)量比例均選取4%～12%。

(1)

圖1 疲勞與愈合-疲勞試驗參數(shù)示意

2 試驗結(jié)果

2.1 基于常規(guī)力學(xué)性能試驗

再生前、后基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青常規(guī)力學(xué)性能指標測試結(jié)果分別見表1～表3。

將表2、表3測試結(jié)果同表1進行對比可知，隨再生劑摻量增加，廢舊基質(zhì)瀝青和廢舊SBS改性瀝青各常規(guī)力學(xué)性能指標呈線性或多項式曲線函數(shù)得以改善，并且廢舊基質(zhì)瀝青各性能指標提升幅度明顯高于廢舊SBS改性瀝青，同時對長期老化瀝青性能的改善程度也明顯快于短期老化瀝青。其中，對廢舊基質(zhì)瀝青而言，若老化程度較輕，則添加10%～12%左右再生劑能夠?qū)⑵涓黜棾Ｒ?guī)力學(xué)性能指標恢復(fù)至原樣瀝青水準，并且當(dāng)由表征高溫性能指標(譬如軟化點、黏度)進行研判時可取下限值；但對于老化程度較重的廢舊基質(zhì)瀝青則需要添加12%及以上摻量的再生劑。同樣，對廢舊SBS改性瀝青而言，若老化程度較輕，添加10%～12%左右再生劑可恢復(fù)其各項常規(guī)力學(xué)性能指標至原樣瀝青水準，并且當(dāng)由表征高溫性能的指標進行研判時可取下限值；但若廢舊SBS改性瀝青老化程度較重，則在筆者設(shè)定的再生劑摻量范圍內(nèi)(4%～12%)，其多項常規(guī)力學(xué)性能指標仍然得不到有效恢復(fù)。

表1 廢舊瀝青再生前常規(guī)力學(xué)性能指標測試結(jié)果

表2 廢舊基質(zhì)瀝青再生后常規(guī)力學(xué)性能指標測試結(jié)果

表3 廢舊SBS改性瀝青再生后常規(guī)力學(xué)性能指標測試結(jié)果

2.2 基于流變力學(xué)性能試驗

2.2.1 基于疲勞性能試驗

筆者分別選擇在剪切應(yīng)力控制模式以及剪切應(yīng)變控制模式下進行疲勞性能加載測試，得到再生前、后基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*隨疲勞加載作用次數(shù)N的測試結(jié)果，分別繪于圖2、圖3。

結(jié)合圖2、圖3可以明顯看出，首先，各瀝青試樣隨疲勞加載作用次數(shù)增加，復(fù)數(shù)剪切模量G*值均逐漸下降。其中，多數(shù)瀝青G*值呈現(xiàn)初期陡速下降、中期緩慢平穩(wěn)發(fā)展、后期進一步加速衰減的“S”型曲線規(guī)律變化，并且該變化趨勢在應(yīng)力加載模式下表現(xiàn)的更為突出。然而在應(yīng)變加載模式下，僅基質(zhì)瀝青仍然保持該變化趨勢，SBS改性瀝青則基本呈“C”型曲線規(guī)律遞減。

表4 再生劑對不同老化廢舊瀝青剪切疲勞性能的改善效應(yīng)

值得注意的是，廢舊SBS改性瀝青在各再生劑摻量下的抗剪切疲勞破壞能力(以疲勞壽命Nf表征)均優(yōu)于廢舊基質(zhì)瀝青。而且對于短期老化廢舊瀝青，在12%再生劑摻量下均能夠恢復(fù)至甚至超過原樣瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*值，同時疲勞壽命Nf值在原樣瀝青的基礎(chǔ)上也產(chǎn)生了進一步衰減，如圖2(a)、圖2(c)和圖3(a)、圖3(c)；但對于長期老化廢舊瀝青而言，即使摻加12%再生劑亦均未能將其疲勞性能恢復(fù)至原樣瀝青水準，如圖2(b)、圖2(d)和圖3(b)、圖3(d)。將該結(jié)論同前文基于常規(guī)力學(xué)性能試驗結(jié)果進行對比可知，雖然再生劑摻量越多，再生瀝青各常規(guī)力學(xué)性能指標將恢復(fù)的越好，但其維持長期連續(xù)剪切荷載作用的能力越差。采用連續(xù)疲勞加載試驗及其特征參數(shù)(G*和Nf)評價再生劑作用效應(yīng)相較常規(guī)力學(xué)性能試驗及其特征參數(shù)更加苛刻和嚴格，恢復(fù)老化廢舊瀝青性能所需的再生劑數(shù)量相對更多。

圖2 控制剪切應(yīng)力加載模式下瀝青疲勞性能試驗測試結(jié)果

最后，在控制應(yīng)力加載模式下隨著再生劑摻量增加，瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*和疲勞壽命Nf值呈現(xiàn)單調(diào)連續(xù)且規(guī)律性較強的遞減趨勢變化。但在控制應(yīng)變加載模式下，瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*和疲勞壽命Nf值的衰變規(guī)律并不完全一致，尤其對于短期老化瀝青，Nf值隨再生劑摻量增加，其數(shù)值在部分摻量附近呈現(xiàn)一定的波動變化，對短期老化廢舊基質(zhì)瀝青添加8%再生劑、短期老化廢舊SBS改性瀝青添加6%和10%再生劑，分別見圖3(a)和圖3(c)。究其原因，可能是再生瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*在固定扭矩的應(yīng)力控制模式下受應(yīng)變參數(shù)值變化更敏感，因而造成不同再生劑摻量下再生瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*數(shù)值間的差異性相比應(yīng)變控制模式偏大。在類似的G*衰減規(guī)律下，造成不同再生瀝青Nf數(shù)值間的差異性也較大。因此，采用應(yīng)力加載控制模式能夠更好的研判不同老化廢舊瀝青的再生性能。

圖3 控制剪切應(yīng)變加載模式下瀝青疲勞性能試驗測試結(jié)果

2.2.2 基于疲勞-愈合-疲勞性能試驗

在參照瀝青連續(xù)加載疲勞試驗研究成果基礎(chǔ)上，進一步實施考慮間歇效應(yīng)的疲勞-愈合-疲勞性能試驗，選取數(shù)據(jù)規(guī)律性與差異性更加優(yōu)良的應(yīng)力控制加載模式進行測試。結(jié)果分別列于表5和表6，自愈合性能評價參數(shù)HI計算結(jié)果繪于圖4。

表5 老化廢舊基質(zhì)瀝青愈合前后相關(guān)參數(shù)測試結(jié)果

表6 老化廢舊SBS改性瀝青愈合前后相關(guān)參數(shù)測試結(jié)果

圖4中愈合指數(shù)HI參數(shù)計算結(jié)果進一步驗證了上述結(jié)論：隨著間歇時間和再生劑摻量增長，各瀝青試樣的自愈合程度均得到顯著提升。經(jīng)計算，每增加2 h間歇時間，各瀝青試樣愈合指數(shù)HI值可相對提升10%～70%，并且間歇時間對再生前、后基質(zhì)瀝青愈合能力的改善幅度明顯高于SBS改性瀝青。同樣，每增加2%再生劑能夠相對提高愈合指數(shù)HI值10%～30%，并且再生劑對于老化廢舊基質(zhì)瀝青愈合能力的改善效果亦明顯優(yōu)于老化廢舊SBS改性瀝青。其中，對于老化廢舊基質(zhì)瀝青而言，摻加8%～10%左右的再生劑即可將其愈合指數(shù)HI改善恢復(fù)至原樣瀝青水準，并且針對短期老化瀝青，再生劑摻量取下限值亦可；但對于長期老化廢舊基質(zhì)瀝青，再生劑摻量必須取上限值，如圖4(a)和圖4(b)。而對于老化廢舊SBS改性瀝青，摻加10%～12%左右再生劑能夠?qū)⑵渥杂夏芰謴?fù)至原樣瀝青水平，并且針對短期老化瀝青和長期老化瀝青亦分別取下限值和上限值，如圖4(c)和圖4(d)。

圖4 瀝青再生前、后愈合性能計算結(jié)果

3 結(jié) 論

1)對于同類型廢舊瀝青而言，隨再生劑摻量增加，同一增幅下各常規(guī)力學(xué)性能指標呈線性或多項式曲線函數(shù)趨勢恢復(fù)，復(fù)數(shù)剪切模量G*和疲勞壽命Nf值以均等程度發(fā)生衰減，愈合指數(shù)HI值得到顯著提升，每增加2%再生劑能夠相對提高愈合指數(shù)HI值10%～30%。對于老化廢舊基質(zhì)瀝青，需摻加8%～10%左右的再生劑；而對于老化廢舊SBS改性瀝青，需摻加10%～12%左右的再生劑。

2)對于不同類型廢舊瀝青而言，隨再生劑摻量增加，廢舊基質(zhì)瀝青各項常規(guī)力學(xué)性能指標和愈合指數(shù)HI的提升程度、復(fù)數(shù)剪切模量G*和疲勞壽命Nf的衰減程度明顯高于廢舊SBS改性瀝青；同時，長期老化瀝青上述各指標的改善或下降幅度也明顯快于短期老化瀝青。

3)隨間歇時間增加，再生瀝青的愈合程度逐步貼近甚至超過原樣瀝青，廢舊瀝青則相反。每增加2 h間歇時間可相對提升愈合指數(shù)HI值10%～70%。

4)以原樣瀝青為性能還原基準，采用不同試驗方法量化評判廢舊瀝青性能再生所需的再生劑用量排序由大到小分別是：疲勞性能試驗、常規(guī)力學(xué)性能試驗和疲勞-愈合-疲勞性能試驗，推薦采用疲勞-愈合-疲勞性能試驗及愈合指數(shù)HI替代疲勞性能試驗及參數(shù)(G*和Nf)來研判廢舊瀝青流變力學(xué)性能的再生恢復(fù)情況。