舊普通瀝青改性熱再生辨識(shí)性指標(biāo)研究

鄒桂蓮, 謝輝端, 于華洋*, 馮啟軍, 吳曉強(qiáng)

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 廣東 廣州 510641;2.菏澤市公路事業(yè)發(fā)展中心, 山東 菏澤 274000;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 510440)

0 引言

我國國省干線公路以及高速公路瀝青路面中面層普遍采用普通瀝青混合料,在大中修、改擴(kuò)建過程中產(chǎn)生大量的普通瀝青RAP料,而日益繁重的交通狀況要求路面具有更強(qiáng)的高溫抗車轍能力、更好的耐久性,因此對普通瀝青RAP料進(jìn)行SBS改性熱再生成為最佳解決方案之一。SBS改性瀝青獨(dú)特的黏彈特性可以顯著提高路面的高溫性能、水穩(wěn)定性以及疲勞性能[1]。疲勞壽命衰減是再生路面的弱點(diǎn),因此,疲勞壽命是評價(jià)改性熱再生效果的重要指標(biāo),但疲勞試驗(yàn)方法非常繁瑣、對人員與設(shè)備要求高,試驗(yàn)周期長。我國2008年頒布、2019年修訂的《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》均沒有涉及普通RAP料的改性再生的問題,相關(guān)的研究也較少。為了反映普通瀝青RAP料改性熱再生效果,提出一個(gè)與再生瀝青關(guān)鍵性能相關(guān)、體現(xiàn)SBS特性程度的試驗(yàn)方法及辨識(shí)性指標(biāo)是亟待解答的問題。鄒桂蓮、秦歡等的研究表明,黏韌性、彈性恢復(fù)率等是表征SBS改性瀝青的特征性指標(biāo),其中韌性指標(biāo)對老化和再生敏感性強(qiáng),而彈性恢復(fù)指標(biāo)的辨識(shí)性不顯著[2-3]。Amir[4]用韌性指數(shù)對SBS改性瀝青混合料性能進(jìn)行表征。本文中基于黏韌性試驗(yàn)的荷載-變形曲線形態(tài),提出韌性變形速率作為辨識(shí)性評價(jià)指標(biāo),并驗(yàn)證辨識(shí)性指標(biāo)與疲勞性能的相關(guān)性。

1 原材料

1.1 舊普通瀝青

采用我國最普遍使用的70#瀝青,通過控制旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱的老化時(shí)間批量制備不同針入度等級的老化瀝青,標(biāo)記為R(10-20)、R(20-30)、R(30-40),以R(10-20)為例,代表老化之后的瀝青25 ℃針入度在10～20(0.1 mm)區(qū)間。老化普通瀝青技術(shù)指標(biāo)見表1,除檢測三大指標(biāo)外,還檢測了與施工和易性密切相關(guān)的135 ℃黏度。

表1 老化普通瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indexes aging ordinary asphalt

1.2 新SBS改性瀝青

新瀝青采用不同針入度等級的SBS改性瀝青,標(biāo)記為P(40-60)、P(60-80)、P(80-100)、P(100-110)、P(110-120),其主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 新SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical indexes of new SBS modified asphalt

2 基于黏韌性曲線形態(tài)的辨識(shí)性指標(biāo)

已有研究表明,瀝青三大指標(biāo)再生后恢復(fù)程度不同步,且無法反映SBS改性瀝青的黏彈特性[5]。黏韌性試驗(yàn)是為了評價(jià)改性瀝青黏彈特性提出的相對簡易的試驗(yàn)方法,日本的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中將黏韌性值與韌性值作為評價(jià)SBS改性瀝青質(zhì)量的指標(biāo),也常被我國工程招投標(biāo)與質(zhì)量控制中采用。

2.1 舊普通瀝青、新SBS改性瀝青黏韌性曲線及形態(tài)分析

研究采用的黏韌性試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為25 ℃,拉伸速度為500 mm/min。3種老化的普通瀝青的黏韌性曲線與5種新SBS改性瀝青的新、舊瀝青黏韌性曲線如圖1所示。

(a) 舊普通瀝青黏韌性曲線

(b) 新SBS改性瀝青黏韌性曲線

圖1(a)結(jié)果表明,普通瀝青的黏韌性曲線只有黏性部分,沒有韌性部分,老化越嚴(yán)重,其黏性部分的曲線峰值越高,變形越小,呈現(xiàn)窄而高的單峰形態(tài)。圖1(b)結(jié)果表明,SBS改性瀝青的黏韌性曲線具有明顯的韌性部分,呈現(xiàn)雙峰形態(tài)。隨著SBS改性瀝青針入度增大,SBS改性瀝青黏韌性曲線形態(tài)發(fā)生規(guī)律性改變,針入度等級提高,承受的荷載的第一峰與第二峰的峰值均下降,總變形量增大,曲線上存在一個(gè)力學(xué)上的屈服階段。隨后荷載第二次增大,此后變形增長迅速而荷載增長緩慢,然后再發(fā)生破壞。越軟的瀝青在第二階段的變形增長越大,說明新瀝青中輕質(zhì)油分含量提高可增大變形量,但承受荷載的能力下降,韌性部分的曲線形態(tài)呈現(xiàn)低而寬的形態(tài),從圖形上看,SBS改性瀝青P(40-60)與P(60-80)的韌性部分的值比較接近,但形態(tài)存在明顯差異,2種瀝青的性能明顯不同,說明僅憑韌性指標(biāo)不能很好地辨識(shí)這2種瀝青的特性,需要考慮曲線形態(tài)對性能的影響。

2.2 再生瀝青黏韌性曲線及形態(tài)分析

通過改變單一變量,研究新SBS改性瀝青性能與舊普通瀝青摻量對再生瀝青性能影響。首先采用5種不同針入度等級的新SBS改性瀝青對15%的舊普通瀝青R(30-40)進(jìn)行再生,然后改變舊瀝青摻量,采用15%、35%、50%摻量的舊普通瀝青R(30-40)與新SBS改性瀝青P(40-60)進(jìn)行熱再生,得到的再生瀝青黏韌性曲線如圖2所示。

(a) 新SBS瀝青對再生瀝青黏韌性曲線形態(tài)的影響

(b) 舊瀝青摻量對改性再生瀝青黏韌性曲線形態(tài)的影響

由圖2(a)可知,采用不同標(biāo)號(hào)的新SBS改性瀝青對15%摻量舊的普通瀝青進(jìn)行再生時(shí),再生瀝青荷載變形圖呈現(xiàn)雙峰狀態(tài)。隨著SBS改性瀝青標(biāo)號(hào)提高,承受的荷載的第一峰與第二峰的峰值均下降,因舊瀝青摻量較少,其再生規(guī)律與新的SBS改性瀝青荷載變形曲線變化規(guī)律基本一致。由圖2(b)可知,對普通瀝青R(30-40)進(jìn)行改性熱再生時(shí),曲線具有明顯的韌性部分,隨著舊瀝青摻量的增加,第一峰值增大,屈服點(diǎn)位置差別不大,但雙峰形態(tài)逐漸消失,變形量持續(xù)增長。

2.3 基于黏韌性曲線形態(tài)辨識(shí)性指標(biāo)

辨識(shí)性指標(biāo)是指能夠準(zhǔn)確評價(jià)再生瀝青再生效果,且區(qū)分度高的指標(biāo)。改性熱再生瀝青的黏韌性曲線的韌性部分反映了SBS嵌段共聚物增強(qiáng)增韌的效果[5-8], 是SBS改性特性的重要體現(xiàn),但試驗(yàn)結(jié)果表明,韌性值的大小不足以區(qū)分其改性效果,曲線形態(tài)更能反映SBS特性。

基于曲線形態(tài),提出了韌性變形速率指標(biāo),該指標(biāo)是一個(gè)基于微分學(xué)意義的指標(biāo),其物理意義表示在單位力和單位時(shí)間作用下的韌性變形。韌性變形速率Vrt計(jì)算如式(1),韌性變形速率計(jì)算示意圖如圖3所示。

(1)

由于Δx=vΔt,v是試驗(yàn)拉伸速率,為恒定值500 mm/min,對上式(1)進(jìn)行進(jìn)一步處理得

(2)

再生瀝青黏韌性技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 再生瀝青黏韌性技術(shù)指標(biāo)Tab.3 Technical indexes of viscosity of recycled asphalt

由表3可以看出:舊普通瀝青改性熱再生后,對于同一摻量的舊普通瀝青,隨著新SBS改性瀝青標(biāo)號(hào)的提高,再生瀝青韌性變形速率增加;對于同一新SBS改性瀝青,隨著舊普通瀝青摻量的提高,再生瀝青韌性變形速率降低。15%R(30-40)+P(60-80)、15%R(30-40)+P(80-100)、35%R(30-40)+P(40-60)3種再生方案的韌性值分別為18.7、17.8、17.0 N·m,韌性值差別不大的3種再生瀝青,其韌性變形速率差別顯著。

2.4 指標(biāo)區(qū)分度

為了定量分析黏韌性技術(shù)指標(biāo)的區(qū)分度,引入指標(biāo)變化率P對黏韌性、韌性韌性變形速率進(jìn)行分析。

(3)

將表3中所有的新舊瀝青摻配方案所對應(yīng)的黏韌性、韌性和韌性變形速率值代入上式(3)中,可以得到黏韌性、韌性和韌性變形速率的變化率由大到小排列分別為17.5%、15.1%、40.9%。

韌性變形速率變化率達(dá)到40.9%,明顯大于黏韌性、韌性指標(biāo),說明相較于黏韌性、韌性,再生瀝青的韌性變形速率指標(biāo)變化幅度大,對辨識(shí)SBS改性瀝青再生效果的區(qū)分度好。

3 改性熱再生疲勞性能研究

SBS改性瀝青具有獨(dú)特的黏彈性能,從而賦予其獨(dú)特的高溫性能和疲勞性能[9-10]。對于老化的瀝青,其高溫性能顯著提升,但疲勞性能有所下降[11]。舊路再生后可提高高溫抗車轍性能是行業(yè)共識(shí),但近幾年工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)再生瀝青路面的大中修養(yǎng)護(hù)時(shí)間提前,因此,舊路再生后的疲勞性能開始備受關(guān)注,能夠反映疲勞性能的指標(biāo)在評價(jià)再生效果時(shí)更具有辨識(shí)性。

采用線性振幅試驗(yàn)(linear amplitude sweep,LAS)[12-16]對舊普通瀝青改性再生后疲勞性能進(jìn)行評價(jià),試驗(yàn)溫度為25 ℃。試驗(yàn)分為頻率掃描和振幅掃描,其中頻率掃描采用加載應(yīng)變?yōu)?.1%,頻率掃描范圍0.1～30.0 Hz;振幅掃描采用控制頻率為10.0 Hz,應(yīng)變范圍為0.1%～30.0%。基于AASHTO TP 101-14標(biāo)準(zhǔn)[17]的VECD模型計(jì)算疲勞壽命,同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)[18]的研究結(jié)論,推薦厚度較大的路面(大于12 cm)采用2.5%應(yīng)變,較薄的路面采用5.0%應(yīng)變對瀝青疲勞壽命進(jìn)行分析,因此采用疲勞參數(shù)Nf2.5%、Nf5,0%對再生瀝青疲勞性能進(jìn)行評價(jià)。

舊的普通瀝青改性熱再生后的再生瀝青剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示,線性振幅試驗(yàn)參數(shù)2.5%與 5.0%應(yīng)變水平條件下,得到的再生瀝青LAS試驗(yàn)結(jié)果見表4。

圖4 再生瀝青剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig 4 Shear stress-strain curves of reclaimed asphalt

表4 再生瀝青LAS試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Reclaimed asphalt LAS test results

由圖4和表4可知,新SBS改性瀝青越軟,再生瀝青的屈服應(yīng)力越小,相對應(yīng)的疲勞性能越好,表明在重復(fù)荷載作用下所能承受的應(yīng)力-應(yīng)變能力越強(qiáng);另外,再生瀝青切應(yīng)力峰值所對應(yīng)的切應(yīng)變隨著老化瀝青摻量的增加而變小,相應(yīng)的疲勞性能下降。相比于普通瀝青,由于SBS的加入,改性再生瀝青到達(dá)應(yīng)力峰值后,隨著應(yīng)變增加,其還能維持一定的應(yīng)力水平,疲勞性能顯著改善。應(yīng)變水平顯著影響瀝青疲勞壽命,5.0%應(yīng)變水平的疲勞壽命只有2.5%應(yīng)變水平疲勞壽命的15%～20%,因此,增加道路結(jié)構(gòu)層厚度,減小應(yīng)變,可顯著提高道路結(jié)構(gòu)壽命。

SBS改性瀝青可顯著提高舊普通瀝青的疲勞壽命,舊普通瀝青經(jīng)改性再生后,疲勞壽命可提高2～6倍。舊普通瀝青摻量不變時(shí),選用的新SBS改性瀝青越軟,再生瀝青疲勞壽命越長;新SBS改性瀝青相同時(shí),舊普通瀝青摻量增大,再生瀝青的疲勞壽命逐漸縮短。

4 辨識(shí)性指標(biāo)與疲勞壽命的相關(guān)性

通過分析疲勞指標(biāo)與韌性變形速率、韌性指標(biāo)的相關(guān)性,得到的韌性指標(biāo)與疲勞壽命的關(guān)系如圖5所示。由圖可見,韌性變形速率與再生瀝青疲勞壽命呈線性相關(guān),相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.9以上,2.5%應(yīng)變控制的疲勞壽命與韌性變形速率的相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)0.985,該指標(biāo)可準(zhǔn)確辨識(shí)舊普通瀝青改性熱再生瀝青的再生效果,反映了韌性和韌性變形速率指標(biāo)對再生效果評價(jià)的準(zhǔn)確性。韌性值與疲勞壽命的數(shù)據(jù)非常離散,相關(guān)系數(shù)R2僅為0.002,表明二者之間不相關(guān)。

圖5 韌性指標(biāo)與疲勞壽命的關(guān)系Fig.5 Relationship of ductile index and fatigue life

5 結(jié)語

通過對舊普通瀝青改性熱再生后黏韌性試驗(yàn)指標(biāo)和性能相關(guān)性研究,可以得到如下結(jié)論:

① 基于黏韌性曲線形態(tài)提出了韌性變形速率指標(biāo),該指標(biāo)表示在單位力和單位時(shí)間作用下的韌性變形,其值越大,代表SBS對再生瀝青的增強(qiáng)增韌效果越好,相較于韌性和黏韌性,韌性變形速率區(qū)分度高。

② 普通瀝青改性熱再生后的韌性變形速率與疲勞壽命與相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.9以上,可有效而準(zhǔn)確地辨識(shí)再生瀝青性能與再生效果,而韌性值與疲勞壽命不相關(guān)。

③ 經(jīng)SBS改性熱再生后可提高舊普通瀝青疲勞壽命2～6倍。應(yīng)變水平顯著影響瀝青疲勞壽命,5.0%應(yīng)變水平的疲勞壽命只有2.5%應(yīng)變水平疲勞壽命的15%～20%。