再生SBS改性瀝青疲勞特性研究

鄒桂蓮，吳曉強(qiáng)，李英勇，徐曉燕

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640；2.山東省交通運(yùn)輸事業(yè)服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250001；3.民航中南機(jī)場設(shè)計(jì)研究院(廣州)有限公司，廣東 廣州 510403)

0 引言

改性瀝青路面能否再生以及再生對(duì)路面性能有何影響，是最近20～30年國內(nèi)外道路工程領(lǐng)域一直關(guān)注的熱點(diǎn)之一[1-4]。中國因?yàn)闅夂驀?yán)苛、交通繁重的原因，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styreneic block copolymers，SBS)改性瀝青的消費(fèi)量已經(jīng)上升到全部道路瀝青消費(fèi)總量的30%左右，與改性瀝青消費(fèi)僅占10%左右的歐美國家相比，中國尤其關(guān)注改性瀝青路面的再生問題。已有的國內(nèi)外研究[5-6]以及已鋪筑的改性再生路面工程[7-8]證明：SBS改性瀝青路面是可以再生的，再生后路面高溫抗車轍能力得到提高，但再生路面普遍存在大中修養(yǎng)護(hù)提前的現(xiàn)象，這是路面再生后疲勞性能的衰減引起的。文獻(xiàn)[9-10]的試驗(yàn)表明： SBS改性瀝青再生后的高溫性能良好，低溫性能較差。文獻(xiàn)[15,11]的試驗(yàn)表明： 復(fù)合使用再生劑和新瀝青，能有效改善再生SBS改性瀝青的低溫性能。文獻(xiàn)[12]研究表明： 老化瀝青摻量較高時(shí)，再生SBS改性瀝青疲勞破壞率增加，抗疲勞性能降低。文獻(xiàn)[13]研究表明： 疲勞耐久性是制約SBS改性熱再生混合料(reclaimed asphalt pavement, RAP)摻量的主要因素。國外有研究認(rèn)為舊SBS改性瀝青的加入，有利于再生瀝青混合料高溫下的抗永久變形，但同時(shí)也使瀝青混合料在低溫下表現(xiàn)出剛度和脆性的增加，會(huì)降低抗開裂和抗疲勞性能[14-16]，也有研究認(rèn)為在新瀝青混合料中加入RAP可以提高疲勞壽命[17-18]。

現(xiàn)有SBS改性瀝青再生研究主要集中在高低溫性能，對(duì)SBS改性瀝青再生后的疲勞壽命影響以及損傷衰減程度鮮有研究。為此，本文基于重復(fù)加載試驗(yàn)，分析老化SBS改性瀝青、新SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青疲勞壽命指標(biāo)的變化規(guī)律，探究新瀝青針入度等級(jí)、舊瀝青老化程度及摻量對(duì)再生SBS疲勞壽命的影響，可為實(shí)體工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料

1.1 老化SBS改性瀝青

為批量獲取模擬瀝青路面不同老化程度的SBS改性瀝青，本文采用SBS(Ⅰ-D)改性瀝青，通過控制旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)(rolling thin film oven test, RTFOT)的老化時(shí)間，制備了針入度為10～40(0.1 mm)的3種不同老化程度的SBS改性瀝青。根據(jù)瀝青針入度等級(jí)，原樣瀝青記為P(40～60)，老化瀝青記為R(10～20)、R(20～30)和R(30～40)，其主要性能指標(biāo)如表1所示。由表1可知：隨著老化程度增加，針入度逐漸降低，黏度逐漸升高，變化較明顯。軟化點(diǎn)總體上呈增大趨勢(shì)，但不明顯。改性瀝青的老化分為兩個(gè)部分，基質(zhì)瀝青部分隨著老化加深，軟化點(diǎn)升高，而部分SBS改性劑隨著老化逐漸降解，導(dǎo)致軟化點(diǎn)有所下降，兩者共同作用的結(jié)果使得軟化點(diǎn)指標(biāo)變化不顯著，當(dāng)后者起主導(dǎo)作用時(shí)，甚至表現(xiàn)為軟化點(diǎn)降低，如R(30～40)的軟化點(diǎn)略低于改性瀝青P(40～60)。由于老化導(dǎo)致改性劑SBS的逐漸降解，改性瀝青的彈性恢復(fù)能力逐漸降低，延度迅速下降。

表1 原樣及老化SBS改性瀝青主要性能指標(biāo)

1.2 新SBS改性瀝青

通過在SBS(I-D)新瀝青中添加不同摻量的再生劑，調(diào)和制備不同針入度等級(jí)的新SBS改性瀝青。再生劑為前期研究[19]基礎(chǔ)上優(yōu)選的RA-250型再生劑，其主要性能指標(biāo)如表2所示。根據(jù)瀝青針入度等級(jí)，新瀝青分別記為P(40～60)、P(60～80)、P(80～100)、P(100～110)、P(110～120)和P(120～130)，其主要性能指標(biāo)如表3所示。由表3可知：隨著新SBS改性瀝青針入等級(jí)升高，延度增加明顯，黏度和軟化點(diǎn)呈下降趨勢(shì)，彈性恢復(fù)很好，彈性恢復(fù)率高達(dá)99%，這是由于新瀝青中的SBS改性劑保留了其彈性恢復(fù)能力。

表2 再生劑主要性能指標(biāo)

表3 新SBS改性瀝青主要性能指標(biāo)

1.3 再生SBS改性瀝青

為了分析新SBS改性瀝青針入度等級(jí)、老化SBS改性瀝青摻量對(duì)再生SBS改性瀝青疲勞壽命的影響，以再生老化SBS改性瀝青R(20～30)為例，采用固定老化瀝青摻量(15%)添加不同針入度等級(jí)新SBS改性瀝青、固定新SBS改性瀝青針入度等級(jí)(P(80～100))添加不同摻量老化SBS改性瀝青兩種方式，分別進(jìn)行再生，獲取再生SBS改性瀝青。

2 試驗(yàn)儀器與評(píng)價(jià)方法

采用英國Malvern公司生產(chǎn)的Kinexus超級(jí)旋轉(zhuǎn)流變儀進(jìn)行試驗(yàn)，儀器相關(guān)參數(shù)：扭矩為3～250 mN·m，溫控為-30～200 ℃，頻率為1 μHz～150 Hz。

美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(strategic highway research program, SHRP)中，采用疲勞因子G*sinδ作為瀝青的疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)一直受到諸多質(zhì)疑，如G*sinδ與瀝青混合料疲勞壽命相關(guān)性不足、試驗(yàn)假定與實(shí)際路面情況相差較大等[20]。鑒于此，美國國家合作公路研究計(jì)劃(national cooperative highway research program,NCHRP)中Project9-10研究項(xiàng)目[21]提出了基于動(dòng)態(tài)剪切流變儀(dynamic shear rheometer,DSR)的重復(fù)加載試驗(yàn)，基于表象法和耗散能法，采用復(fù)數(shù)模量、相位角等參數(shù)的衰變來表征瀝青的疲勞性能。目前，廣泛采用Nf50(復(fù)數(shù)模量降低至初始值50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的剪切次數(shù))作為瀝青的疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)，簡單直觀，易于確定[22-23]。重復(fù)加載試驗(yàn)更加貼合路面疲勞破壞的真實(shí)狀態(tài)，可以更好地評(píng)價(jià)改性瀝青的疲勞性能。采用應(yīng)變控制模式對(duì)老化SBS改性瀝青、新SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青進(jìn)行重復(fù)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)選擇8 mm平行板，試驗(yàn)溫度為15 ℃，控制應(yīng)變?yōu)?%，頻率采用15 Hz。

為了避免試驗(yàn)周期過長，16萬次加載后模量仍未降至初始值50%的瀝青，采用衰減百分率D表征疲勞性能，衰減百分率D表達(dá)式如式(1)所示。

(1)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 舊SBS改性瀝青老化程度對(duì)疲勞壽命的影響

原樣及不同老化程度SBS改性瀝青復(fù)數(shù)模量隨加載次數(shù)的變化關(guān)系如圖1所示。

由圖1可見： 瀝青的老化會(huì)導(dǎo)致初始復(fù)數(shù)模量增大，且老化程度越深，初始復(fù)數(shù)模量越大。這是由于隨著老化程度加深，瀝青中的黏性部分減少而彈性部分逐漸增加，瀝青變硬。對(duì)于老化瀝青R(30～40)、R(20～30)和R(10～20)，復(fù)數(shù)模量初期衰減速率逐漸增大，當(dāng)荷載作用到一定次數(shù)時(shí)，下降速率減慢，之后逐漸趨于平緩，瀝青的老化程度越深，對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)模量曲線衰減速率越大，疲勞性能衰減越快。

以Nf50為疲勞標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算老化SBS改性瀝青的疲勞壽命，結(jié)果如圖2所示。

圖1 老化程度對(duì)SBS改性瀝青G*衰變的影響

圖2 老化程度對(duì)SBS改性瀝青疲勞壽命Nf 50的影響

由圖2可知： 隨著舊SBS改性瀝青老化程度的增加，瀝青的疲勞壽命Nf50迅速變小，SBS改性劑的降解越來越嚴(yán)重，SBS獨(dú)特的黏彈特性引起耐疲勞性能衰減，且伴隨著基質(zhì)瀝青的組分變化，進(jìn)一步降低了老化SBS改性瀝青的疲勞壽命。

3.2 新SBS改性瀝青疲勞性能

不同針入度等級(jí)新SBS改性瀝青復(fù)數(shù)模量隨加載次數(shù)的變化關(guān)系如圖3所示。對(duì)于新SBS改性瀝青而言，瀝青的針入度等級(jí)越高，瀝青越軟，其初始復(fù)數(shù)模量越小。16×104次的重復(fù)加載過程中，軟的新SBS改性瀝青G*衰減速率略小，說明再生劑對(duì)新瀝青的疲勞性能有改善，但效果不顯著。

圖3 不同針入度等級(jí)新SBS改性瀝青G*隨加載次數(shù)變化關(guān)系

為了更清晰地量化表達(dá)，采用以重復(fù)加載過程中的G*衰減百分率D對(duì)新SBS改性瀝青的疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。不同新SBS改性瀝青16×104次重復(fù)加載G*衰減百分率見圖4。由圖4可知： 在16×104次的重復(fù)荷載作用下，隨著新SBS改性瀝青針入度等級(jí)的升高，其衰減百分率D越小，疲勞壽命越長，說明再生劑的加入不僅使得調(diào)和的瀝青變軟，同時(shí)改善了新瀝青的抗疲勞性能，P(120～130)瀝青的G*衰減百分率D為P(40～60)瀝青的G*衰減百分率D的71%，說明疲勞性能得到提高。

圖4 不同新SBS改性瀝青16×104次重復(fù)加載G*衰減百分率

3.3 再生SBS改性瀝青疲勞性能影響因素

疲勞性能以復(fù)數(shù)模量的衰減表征，以再生老化瀝青R(20～30)為例，不同針入度等級(jí)新SBS改性瀝青、老化SBS改性瀝青摻量對(duì)再生SBS改性瀝青疲勞性能的影響如圖5和圖6所示。對(duì)比圖5和圖6可以明顯看出： 舊瀝青摻量對(duì)復(fù)數(shù)模量變化影響更顯著，而新SBS改性瀝青針入度等級(jí)對(duì)復(fù)數(shù)模量衰減影響較小，說明舊SBS改性瀝青摻量是影響路面疲勞性能的決定性因素，而摻量一定時(shí)，新SBS改性瀝青針入度等級(jí)提高可以更加軟化再生SBS改性瀝青，但對(duì)延長疲勞壽命貢獻(xiàn)較小。采用Nf50量化舊SBS改性瀝青對(duì)再生瀝青疲勞性能的影響，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 新SBS改性瀝青與舊SBS改性瀝青摻量對(duì)再生SBS改性瀝青疲勞壽命Nf50的影響

由表4中可知：在老化SBS改性瀝青摻量一定時(shí)，添加的新SBS改性瀝青越軟，再生SBS改性瀝青疲勞壽命恢復(fù)呈緩慢升高的趨勢(shì)，但與全新SBS改性瀝青16×104次以上的疲勞壽命相比，疲勞性能損傷較明顯，無法完全恢復(fù)。新SBS改性瀝青中的輕質(zhì)油分可以改善再生SBS改性瀝青的疲勞性能，但恢復(fù)有效的SBS摻量才是決定再生SBS改性瀝青疲勞性能恢復(fù)的關(guān)鍵。在新SBS改性瀝青針入度等級(jí)一定時(shí)，再生SBS改性瀝青的疲勞壽命隨老化SBS改性瀝青摻量的增加而迅速減小，舊SBS改性瀝青摻量達(dá)到35%及以上時(shí)，再生瀝青的疲勞壽命衰減開始放緩，再次說明舊SBS改性瀝青摻量是影響再生SBS改性瀝青疲勞壽命的顯著性因素，摻量為50%時(shí)，再生對(duì)疲勞性能的恢復(fù)效果已經(jīng)很差。如果不采取有效的改善策略，從耐久性的角度不建議舊SBS改性瀝青摻量超過35%。

3.4 相關(guān)性分析

基于灰色關(guān)聯(lián)理論，分析新SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青25 ℃針入度、軟化點(diǎn)、5 ℃延度和25 ℃彈性恢復(fù)率與再生SBS改性瀝青疲勞壽命Nf50灰色關(guān)聯(lián)度，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 再生SBS改性瀝青疲勞壽命關(guān)聯(lián)度

由圖7可知： 再生SBS改性瀝青的疲勞壽命與新SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青的25 ℃彈性恢復(fù)率、軟化點(diǎn)指標(biāo)具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，關(guān)聯(lián)度均在0.88以上，與25 ℃彈性恢復(fù)率關(guān)聯(lián)性最好，軟化點(diǎn)次之，且新SBS改性瀝青的25 ℃彈性恢復(fù)率、軟化點(diǎn)指標(biāo)與疲勞壽命相關(guān)性要略優(yōu)于再生SBS改性瀝青，說明在固定老化摻量瀝青摻量下，新?lián)搅繛r青的25 ℃彈性恢復(fù)率和軟化點(diǎn)是影響再生SBS改性瀝青疲勞壽命的顯著性因素，相關(guān)性很好。這是因?yàn)榕fSBS改性瀝青中SBS降解、分散性降低，疲勞壽命大大降低，而新SBS改性瀝青補(bǔ)充了SBS改性劑，SBS改性劑引起的彈性恢復(fù)能力越高說明SBS補(bǔ)充得越充分，因此疲勞性能恢復(fù)越好。軟化點(diǎn)指標(biāo)也與SBS改性劑有關(guān)，改性劑補(bǔ)充越充分，軟化點(diǎn)越高，兩者之間具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因此軟化點(diǎn)指標(biāo)與疲勞壽命的相關(guān)性也很好。針入度和延度指標(biāo)與基質(zhì)瀝青更相關(guān)，與SBS改性劑有關(guān)，但顯著性下降，因此與再生SBS改性瀝青的疲勞壽命相關(guān)性變差。通過灰色關(guān)聯(lián)度分析，說明篩選新SBS改性瀝青、評(píng)價(jià)再生SBS改性瀝青疲勞性能可以采用25 ℃彈性恢復(fù)率指標(biāo)作為關(guān)鍵指標(biāo)。另外，從指標(biāo)的相關(guān)性上可以看出： SBS改性劑的有效補(bǔ)充才是疲勞性能恢復(fù)的關(guān)鍵，因此今后應(yīng)從此處著手，研究提高再生SBS改性瀝青的疲勞性能，以提高再生SBS改性瀝青路面的耐久性。

4 結(jié)論

(1)與新SBS改性瀝青針入度等級(jí)、舊SBS改性瀝青老化程度相比，舊SBS改性瀝青摻量是影響再生SBS改性瀝青疲勞壽命的顯著性因素，在摻量達(dá)到35%及以上時(shí)，再生SBS改性瀝青的疲勞壽命恢復(fù)效果較差。若不采取有效的改善策略，從耐久性的角度建議舊SBS改性瀝青摻量不超過35%。

(2)添加再生劑提高新SBS改性瀝青針入度等級(jí)，雖然可以軟化舊SBS改性瀝青，降低再生SBS改性瀝青的復(fù)數(shù)模量，但對(duì)疲勞性能改善作用較小。

(3)中國SBS改性瀝青再生以針入度指標(biāo)恢復(fù)為主要目標(biāo)，但其與疲勞性能關(guān)聯(lián)性較差，而彈性恢復(fù)指標(biāo)與再生SBS改性瀝青疲勞壽命的關(guān)聯(lián)性最好，建議將彈性恢復(fù)指標(biāo)作為篩選新SBS改性瀝青以及評(píng)價(jià)再生SBS改性瀝青疲勞性能的辨識(shí)性指標(biāo)。