生物油 /SBS 復(fù)合再生劑對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響研究

作者簡介：

韋績宏（1991—），工程師，主要從事市政道路工程質(zhì)量檢測工作。

摘要：為研究生物油/SBS復(fù)合再生劑對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響，文章分析不同生物油復(fù)合再生劑摻量對(duì)老化瀝青組分的恢復(fù)以及再生瀝青混合料高低溫性能與水穩(wěn)定性能變化規(guī)律。結(jié)果表明：動(dòng)物基與植物基生物油都可改善老化瀝青性能；植物基生物油可促進(jìn)SBS在瀝青中的溶脹，植物基生物油/SBS復(fù)合再生劑在摻量≥9%時(shí)，再生瀝青及其混合料性能可恢復(fù)至原樣瀝青混合料水平；動(dòng)物基生物油/SBS復(fù)合再生劑對(duì)老化瀝青輕組分改善較少，但可顯著提升瀝青的高溫抗車轍性能；建議在老化瀝青中優(yōu)先摻入植物基生物油/SBS復(fù)合再生劑，且摻量≥9%。

關(guān)鍵詞：道路工程；復(fù)合再生劑；生物油；SBS；瀝青混合料；路用性能

中圖分類號(hào)：U414.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 12 035 3

0 引言

瀝青路面在長期使用過程中受到車輛荷載，光、氧老化等因素的耦合作用，從而發(fā)生裂縫與車轍等病害。受耦合作用影響，混合料中的瀝青極性基團(tuán)增加，表現(xiàn)為黏度與脆性增大，致使瀝青混合料更易發(fā)生破壞。再生劑通過調(diào)節(jié)老化瀝青中的組分比例來恢復(fù)其流變性能，進(jìn)而促進(jìn)新舊瀝青共混，改善混合料路用性能。

眾多學(xué)者已對(duì)再生劑在瀝青路面中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，汪海年等［1］對(duì)生物油再生劑材料進(jìn)行綜述，結(jié)果表明植物基油類具有更多的芳香分與飽和分，動(dòng)物基生物油則有更多的瀝青質(zhì)與膠質(zhì)。陳蜀靜［2］研究了廢食用油再生劑對(duì)老化瀝青的影響，認(rèn)為再生劑摻量為9%～12%時(shí)，瀝青低溫性能可提升-12 ℃。何乃慶［3］研究了再生劑組分配比對(duì)瀝青再生效果的影響，認(rèn)為影響粘塑性與擴(kuò)散程度的組分分別是重組分與輕組分。龔明輝［4］對(duì)生物油再生瀝青混合料的微觀特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明生物油顯著改善了膠漿-過渡區(qū)-集料的微觀力學(xué)性能。王立路等［5］研究了植物基生物油再生瀝青的路用性能關(guān)聯(lián)性，認(rèn)為生物油會(huì)降低瀝青的平均分子量，導(dǎo)致高溫性能下降。

綜上所述，已有研究顯示生物油再生瀝青已較為成熟，但大多停留在瀝青再生層面，對(duì)瀝青混合料再生路用性能研究較少。此外，生物油的摻入會(huì)降低瀝青的高溫性能。因此，本文基于生物油/SBS復(fù)合再生劑組分調(diào)配，研究其對(duì)舊瀝青混合料路用性能的影響。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

研究采用70#基質(zhì)瀝青，廢舊瀝青混合料（RAP）來自市政道路上面層銑刨料。對(duì)RAP進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)回收并測定其瀝青含量為5.73%。原樣瀝青與RAP回收瀝青的物理性能如表1所示。SBS采用星型SBS改性劑。選用植物基與動(dòng)物基兩種生物油，性能指標(biāo)如表2所示。由表2可知，植物基在四組分上有顯著差異，動(dòng)物基的膠質(zhì)與瀝青質(zhì)更多。采用玄武巖粗集料，石灰?guī)r細(xì)集料與填料，技術(shù)性能如表3～5所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 生物油/SBS再生劑再生瀝青及其混合料的制備

再生瀝青制備：生物油加熱至165 ℃，以生物油與SBS質(zhì)量比為8∶2的比例將SBS改性劑加入生物油中，并在高速剪切儀下以1 000 rpm轉(zhuǎn)速剪切30 min。將RAP回收瀝青在恒溫油浴中加熱至165 ℃，將原樣瀝青與復(fù)合再生劑倒入，其中原樣瀝青與RAP回收瀝青的質(zhì)量比為1∶1，并在高速剪切儀下以4 000 rpm轉(zhuǎn)速剪切30 min，制備的瀝青樣品與縮寫如表6所示。

生物油/SBS復(fù)合再生劑對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響研究/

韋績宏

再生瀝青混合料樣品制備：混合料級(jí)配如表7所示，在攪拌機(jī)中加入集料攪拌45 s，再加入再生瀝青攪拌90 s，最后加入填料攪拌45 s，分別采用擊實(shí)法與輪碾法成型馬歇爾與車轍試樣。采用空隙率4%作為控制指標(biāo)，確定最佳瀝青用量為6.38%。

1.2.2 四組分試驗(yàn)

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）（以下簡稱《試驗(yàn)規(guī)程》）中T0618進(jìn)行瀝青四組分試驗(yàn)，采用膠質(zhì)穩(wěn)定指數(shù)（CSI）來表征瀝青膠質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其計(jì)算如式（1）所示。

CSI=膠質(zhì)與芳香分含量瀝青質(zhì)與飽和分含量

（1）

1.2.3 瀝青混合料路用性能試驗(yàn)

依據(jù)《試驗(yàn)規(guī)程》中T0719、T0715與T0729進(jìn)行車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)與水穩(wěn)定性能試驗(yàn)。車轍試驗(yàn)：試樣（300 mm×300 mm×50 mm）在60 ℃、0.7 MPa輪壓、42次/min的抗變形能力。低溫彎曲試驗(yàn)：試樣（250 mm×30 mm×35 mm）放入U(xiǎn)TM機(jī)器中，在-10 ℃的溫度下以50 mm/min的加載速率進(jìn)行加載。水穩(wěn)定性能試驗(yàn)：雙面分別擊實(shí)50次的馬歇爾試樣在-18 ℃下進(jìn)行凍融循環(huán)，其加載速率為50 mm/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 四組分結(jié)果分析

瀝青經(jīng)老化后，內(nèi)部化學(xué)性質(zhì)改變，飽和分與芳香分減少，而瀝青質(zhì)增加。評(píng)價(jià)再生劑對(duì)老化瀝青的再生效率通常采用四組分分析法表征再生前后瀝青的組分變化［6］，對(duì)再生瀝青四組分試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。此外，CSI值越大表明瀝青中的瀝青質(zhì)受膠體約束強(qiáng)，穩(wěn)定性越大，CSI值如表8所示。由圖1可知，原樣基質(zhì)瀝青的飽和分與芳香分含量最高，對(duì)應(yīng)CSI值為1.72，大于其他生物油/SBS復(fù)合再生瀝青。動(dòng)物油/SBS復(fù)合再生劑對(duì)老化瀝青中飽和分與芳香分的恢復(fù)較少，3D至9D隨著動(dòng)物油復(fù)合再生劑摻量增加，其輕組分占比由39.1%減少至37.3%，對(duì)應(yīng)的CSI指數(shù)由1.58降低至1.43，這表明動(dòng)物油復(fù)合再生劑摻量增加會(huì)降低老化瀝青的穩(wěn)定性。植物油/SBS復(fù)合再生劑在摻量為3%與6%時(shí)，輕組分含量依然小于原樣基質(zhì)瀝青，僅在9%摻量時(shí)輕組分占比大于原樣基質(zhì)瀝青，這表明植物油復(fù)合再生劑對(duì)老化瀝青再生效果較好。此外，從CSI值可知，植物油復(fù)合再生劑在摻量較低時(shí)穩(wěn)定性遠(yuǎn)低于動(dòng)物油復(fù)合再生劑，隨著摻量增加至9%，CSI值增加至接近原樣基質(zhì)瀝青。

2.2 高溫車轍性能分析

瀝青路面在車輛荷載與夏季高溫的作用下，混合料發(fā)生軟化與車轍現(xiàn)象，老化后的瀝青變硬變脆［7］。通過對(duì)再生瀝青混合料在60 ℃下進(jìn)行車轍試驗(yàn)獲得如圖2所示的動(dòng)穩(wěn)定度值。由圖2可知，基質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度顯著小于再生瀝青混合料，這是由于老化瀝青中的重組分較多，會(huì)提高瀝青混合料的剛度。隨著動(dòng)物油復(fù)合再生劑摻量的增加，動(dòng)穩(wěn)定度先減少再增加，并在9%摻量時(shí)達(dá)到2 426次/mm，同比基質(zhì)瀝青增加74.9%，這表明動(dòng)物油復(fù)合再生劑對(duì)再生瀝青混合料的高溫性能提升顯著。隨著植物油復(fù)合再生劑摻量增加，動(dòng)穩(wěn)定度呈線性增加趨勢。由前述可知植物油復(fù)合再生劑會(huì)顯著增加老化瀝青的輕質(zhì)組分，對(duì)應(yīng)混合料的動(dòng)穩(wěn)定度值應(yīng)呈下降趨勢，但也有研究［8-9］表明，在再生劑中復(fù)配少量的SBS可促進(jìn)SBS在瀝青中的溶脹效果，從而提高高溫穩(wěn)定性能。

2.3 低溫彎曲性能分析

老化瀝青的低溫韌性顯著下降，在冬季低溫氣候下易發(fā)生開裂現(xiàn)象［10］。-10 ℃溫度下的低溫性能如圖3與圖4所示。由圖3、圖4可知，動(dòng)物油復(fù)合再生瀝青混合料的低溫抗彎拉強(qiáng)度與最大彎拉應(yīng)變顯著小于基質(zhì)瀝青混合料，這是由于老化瀝青中大量的瀝青質(zhì)與膠質(zhì)會(huì)降低瀝青分子鏈段的遷移性［11］，使老化瀝青混合料在低溫彎曲作用下更快發(fā)生脆裂。植物油復(fù)合再生瀝青混合料低溫性能顯著優(yōu)于動(dòng)物油，且隨著摻量的增加抗彎拉強(qiáng)度與最大彎拉應(yīng)變呈線性增大的趨勢，這是由于植物油復(fù)合再生瀝青中飽和分與芳香分組分占比增加。圖4中的虛線表明了《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）（以下簡稱《技術(shù)規(guī)范》）對(duì)普通瀝青混合料在冬冷區(qū)與冬溫區(qū)的應(yīng)變要求，僅有基質(zhì)瀝青與植物油復(fù)合再生瀝青混合料滿足要求。在植物油的摻量為9%時(shí)，再生瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度與最大彎拉應(yīng)變超過基質(zhì)瀝青，這表明植物基/SBS復(fù)合再生劑可使老化瀝青低溫性能恢復(fù)至原樣基質(zhì)瀝青水平。

2.4 水穩(wěn)定性能分析

對(duì)混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性能的評(píng)價(jià)如圖5所示。由圖5可知，參照《技術(shù)規(guī)范》對(duì)改性瀝青混合料凍融劈裂殘留強(qiáng)度比（TSR）在潮濕區(qū)與濕潤區(qū)的要求≥80%，基質(zhì)瀝青混合料的TSR值最大，同摻量下的植物基復(fù)合再生瀝青混合料TSR值大于動(dòng)物基。這是由于瀝青老化會(huì)降低其表面自由能，使其與集料間的粘附性降低，從而降低其水穩(wěn)定性能。在加入再生劑后，瀝青與集料間的粘附力以及瀝青自身的內(nèi)聚力都增加［12］，從而提高瀝青混合料的抗水損害能力。動(dòng)物基生物油中含有大量的羰基與亞砜基官能團(tuán)，對(duì)老化瀝青的水穩(wěn)定性能改善較少。植物基復(fù)合再生瀝青混合料則在再生劑摻量≥6%時(shí)滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語

本文旨在研究生物油/SBS復(fù)合再生劑對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響。分別研究了動(dòng)物基與植物基兩種生物油制備的6種再生瀝青混合料，研究成果如下所示：

（1）植物基生物油可促進(jìn)SBS在瀝青中的溶脹，植物基生物油/SBS復(fù)合再生劑在摻量≥9%時(shí)，瀝青膠體穩(wěn)定性接近原樣瀝青，低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性能可恢復(fù)至原樣基質(zhì)瀝青混合料水平。

（2）動(dòng)物基生物油中含有大量的羰基與亞砜基官能團(tuán)，對(duì)老化瀝青的水穩(wěn)定性能改善較少，但可顯著提升瀝青的高溫抗車轍性能。

（3）建議在老化瀝青中優(yōu)先摻入植物基生物油/SBS復(fù)合再生劑，且摻量≥9%。關(guān)于生物油/SBS復(fù)合再生劑瀝青混合料的長期耐久性能有待進(jìn)一步研究。

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