回收瀝青材料的再生及其抗疲勞特性研究

作者簡(jiǎn)介：

黃庭華（1975—），高級(jí)工程師，主要從事公路建設(shè)管理工作。

摘要：文章為探究再生劑和新瀝青對(duì)回收瀝青（RAB）再生抗疲勞特性的影響，分別采用不同摻量的再生劑和新瀝青對(duì)RAB進(jìn)行再生，通過SARA試驗(yàn)溫度掃描試驗(yàn)、時(shí)間掃描試驗(yàn)和線性振幅掃描（LAS）試驗(yàn)對(duì)再生瀝青膠結(jié)料抗疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)并將其與原樣瀝青進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：添加瀝青再生劑使RAB針入度增大，軟化點(diǎn)降低，當(dāng)加入新瀝青時(shí)，隨RAB摻量增加，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的含量增加，膠體指數(shù)也相應(yīng)變大，而芳香分和飽和分含量減少；添加7.5%再生劑可使100% RAB材料抗疲勞性能恢復(fù)到原樣瀝青的水平，僅添加90#新瀝青可使摻量為50%的RAB材料的抗疲勞性能恢復(fù)到原樣瀝青的水平；疲勞壽命在高溫下對(duì)應(yīng)變水平的依賴性較低，在應(yīng)變水平相同的情況下，隨著溫度的升高，添加再生劑和新瀝青的RAB疲勞壽命均逐漸增加。

關(guān)鍵詞：回收瀝青（RAB）；再生劑；動(dòng)態(tài)剪切流變（DSR）；抗疲勞性能

中圖分類號(hào)：U414.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 17 051 4

0 引言

近年來，隨著公路養(yǎng)護(hù)里程的增加，翻修和大修過程中產(chǎn)生了大量廢舊瀝青混合料，對(duì)其進(jìn)行再生不僅節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，還降低了工程造價(jià)［1］。舊料回收的主要目的是恢復(fù)已老化瀝青的各項(xiàng)性能，加入新瀝青和配伍性好的再生劑是解決該問題的重要手段。

目前市面上再生劑主要是源自石油產(chǎn)品，不僅生產(chǎn)成本高，再生后疲勞性能也較差，無法大規(guī)模應(yīng)用。部分學(xué)者研究表明，一些生物質(zhì)瀝青再生劑具有造價(jià)低、再生性能良好且環(huán)保等特點(diǎn)，可用來恢復(fù)RAB的各項(xiàng)性能［2］。另外有部分學(xué)者采用加入新瀝青的方式來改善廢舊瀝青混合料中RAB的性能，達(dá)到了降低施工成本及環(huán)境保護(hù)的作用［3］。RAB對(duì)再生瀝青混合料的影響主要集中在疲勞開裂、低溫開裂和水穩(wěn)定性方面，RAB的抗疲勞特性直接制約著其在再生瀝青混合料中的摻量。

為提升高摻量RAB的抗疲勞性能，本文采用加入再生劑和新瀝青兩種方式，通過四組分（SARA）試驗(yàn)研究了再生劑和新瀝青對(duì)不同摻量RAB的化學(xué)性能的影響。利用動(dòng)態(tài)剪切流變（DSR）進(jìn)行溫度掃描、時(shí)間掃描和LAS試驗(yàn)來評(píng)價(jià)其疲勞行為，比較再生劑和新瀝青對(duì)不同摻量RAB抗疲勞性能的影響，以期為RAB再生后的抗疲勞性能評(píng)價(jià)提供一定的參考。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 瀝青

RAB由貴州某高速公路舊瀝青混合料經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)獲得（原使用瀝青為70#道路石油瀝青），新瀝青采用湖北國(guó)創(chuàng)提供的90#道路石油瀝青，作為對(duì)比樣的原樣70#道路石油瀝青由中遠(yuǎn)海運(yùn)國(guó)際貿(mào)易有限公司提供。三種瀝青的主要技術(shù)性能見表1。

1.1.2 再生劑

生物質(zhì)再生劑采用廣西大學(xué)自主研發(fā)的低黏再生劑（RL-3），其組成配方如表2所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 再生劑最佳摻量的確定

為確定再生劑的最佳摻量，以2%的RAB質(zhì)量分?jǐn)?shù)遞增加入再生劑，對(duì)試樣進(jìn)行針入度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)。下頁圖1為不同再生劑摻量下回收瀝青針入度和軟化點(diǎn)的變化情況曲線。從圖1可以看出，隨再生劑摻量的增加，瀝青針入度增加，軟化點(diǎn)降低。以達(dá)到原樣瀝青針入度等級(jí)為參照，回歸得到RL-3的最佳摻量為7.5%，即針入度為65（0.1 mm）、軟化點(diǎn)為49 ℃。

1.2.2 試樣制備

將RAB放置于室溫，然后在150 ℃的溫度下加熱40 min，并在此溫度下將其與再生劑在剪切機(jī)中攪拌10 min，最后將攪拌好的樣品加熱10 min消除氣泡即可。本文采用7種不同配合比的瀝青試樣組合，組合方案見表3。

1.2.3 線性振幅掃描（LAS）試驗(yàn)

LAS試驗(yàn)用以表征本文所有瀝青試樣在剪切循環(huán)荷載下的疲勞特性。試驗(yàn)分兩個(gè)階段進(jìn)行：第一階段為頻率掃描試驗(yàn)，確定損傷分析參數(shù)α，在恒溫和恒定應(yīng)變（0.1%）及不同頻率范圍（0.2～30 Hz）下測(cè)定試樣的復(fù)數(shù)模量（G*）和瀝青的相位角（δ）；第二階段為振幅掃描試驗(yàn)，在恒定頻率（10 Hz）的水平下，加載振幅由0.1%線性增加到30%。

LAS試驗(yàn)結(jié)果的分析采用粘彈性連續(xù)介質(zhì)損傷理論（VECD模型），該理論基于Schapery的功勢(shì)理論［4］：

（1）

式中：W——所做的功；

D——破壞強(qiáng)度；

α——材料常數(shù)。

基于矢量D理論，瀝青試樣在任意時(shí)間的疲勞破壞可通過式（2）算出：

Dt=∑ni=1πγi2（Ci-1-Ci）α1+α（ti-ti-1）11+α

（2）

式中：Dt——t時(shí)的疲勞破壞；

Ci——G*（t）/G*（初始值）；

G*——復(fù)數(shù)剪切模量；

γi——剪切應(yīng)變；

α——未破壞時(shí)的材料特性參數(shù)。

疲勞方程見式（3）：

Nf=A·γ-B

（3）

式中：Nf——破壞循環(huán)次數(shù)；

γ——最大剪切應(yīng)變；

A和B——疲勞方程的參數(shù)。

在LAS試驗(yàn)中，以最大剪應(yīng)力作為破壞準(zhǔn)則，比采用G*·sinδ的35%作為破壞準(zhǔn)則評(píng)價(jià)瀝青的抗疲勞性能與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)具有更好的相關(guān)性［5］。因此，本文以最大剪應(yīng)力作為所有瀝青試樣的破壞準(zhǔn)則（對(duì)應(yīng)于峰值剪應(yīng)力的破壞值），在8 ℃、20 ℃和30 ℃下分別進(jìn)行LAS試驗(yàn)。

1.2.4 時(shí)間掃描試驗(yàn)

本文在20 ℃的應(yīng)變控制模式（2.5%、3.5%和5%的應(yīng)變水平）及10 Hz加載頻率下進(jìn)行時(shí)間掃描試驗(yàn)，當(dāng)G*值達(dá)到其初始值50%時(shí)的循環(huán)次數(shù)為瀝青的疲勞壽命。

2 結(jié)果和討論

2.1 SARA試驗(yàn)結(jié)果

表4為各瀝青試樣的SARA試驗(yàn)結(jié)果。由表4可知，當(dāng)加入90#新瀝青時(shí)，隨RAB摻量增加，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的含量增加，CI值也相應(yīng)變大，而芳香分和飽和分含量減少。這是因?yàn)樵跒r青老化過程中，芳香分的含量會(huì)轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。當(dāng)摻加再生劑時(shí)，隨RAB摻量增加，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量同樣呈上升趨勢(shì)，但上升趨勢(shì)較僅加入新瀝青時(shí)較緩慢。

瀝青要形成穩(wěn)定的膠體結(jié)構(gòu)，CI值應(yīng)為0.2～0.5，CI值越大，表明瀝青的硬度越高。由表4可知，RR50N的膠體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。此外，由于RB20S、RB30S和RR30N的RAB含量低，所以其CI值較低。比較RAB和RR100的CI值發(fā)現(xiàn)，由于再生劑的軟化作用，膠體指數(shù)從0.62下降到0.48；比較RB50S、RR100和NB發(fā)現(xiàn)，RB50S和RR100的CI值與原樣瀝青相似，其膠體結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。

2.2 DSR試驗(yàn)結(jié)果

圖2為不同溫度下各瀝青試樣疲勞因子（G*·sinδ）的變化情況，G*·sinδ值越低，瀝青抗疲勞性能越好。由圖2可知，由于RAB的含量較低，RB20S、RB30S和RR30N的G*·sinδ相應(yīng)較低，而RB50S和RR50N的G*·sinδ高于NB的G*·sinδ。比較RR100和NB的G*·sinδ曲線，可以看出摻加再生劑提高了RAB材料的抗疲勞性能，并使其達(dá)到了原樣瀝青的水平。

表5為20 ℃時(shí)各瀝青試樣的G*·sinδ值。由表5可知，除RR50N外所有瀝青試樣在20 ℃時(shí)的G*·sinδ值均低于原樣瀝青，這和四組分試驗(yàn)中的結(jié)論一致。因RR50N的膠體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定導(dǎo)致其20 ℃時(shí)的G*·sinδ值較高。比較RB50S和NB在20 ℃時(shí)的G*·sinδ值可知，加入90#新瀝青可使RAB摻量最高達(dá)50%。通過比較RR100、RAB和NB在20 ℃時(shí)的G*·sinδ值可知，加入再生劑可使RAB摻量最高達(dá)100%，并使其達(dá)到了原樣瀝青的水平。

結(jié)合表4和表5可知，RB20S、RB30S和RR30N在20 ℃時(shí)具有較低的CI值和G*·sinδ值，而RR50N比其他瀝青試樣的CI和G*·sinδ值更高。結(jié)果表明，CI值越大，瀝青越硬，G*·sinδ值越高。因此，在含RAB的瀝青混合料中，瀝青膠結(jié)料的膠體結(jié)構(gòu)會(huì)影響其路面的抗疲勞性能。

2.3 LAS試驗(yàn)結(jié)果

表6為所有瀝青試樣的LAS參數(shù)A和B的平均值。由表6可知，隨著溫度的升高，LAS試驗(yàn)的B參數(shù)減小，說明在LAS試驗(yàn)中，疲勞壽命在高溫下對(duì)應(yīng)變水平的依賴性較低。

圖3為20 ℃下瀝青在2.5%和5%剪切應(yīng)變下的平均疲勞壽命情況。由圖3可知，隨RAB含量的增加，RR30N、RR50N和RR100瀝青的疲勞壽命呈增加趨勢(shì)，后兩種組合方案瀝青試樣的疲勞壽命甚至超過了NB。這是由于配方的變化使再生劑、70#瀝青和RAB之間的相容性逐漸變好。此外，經(jīng)最佳摻量下再生劑軟化的RAB疲勞壽命也優(yōu)于原樣70#瀝青。

比較RR100與RAB發(fā)現(xiàn)，添加再生劑后的RAB瀝青材料的疲勞壽命是原RAB疲勞壽命的幾倍，這表明再生劑可以恢復(fù)RAB的抗疲勞性能。在RAB中僅摻加90#新瀝青，隨RAB含量增加，疲勞壽命先增加（RB30S）后降低（RB50S）。這是因?yàn)榕cNB相比，RB50S的膠體指數(shù)較高，瀝青較硬導(dǎo)致其抗疲勞特性降低。總體來說，與原樣瀝青相比，摻再生劑和新瀝青均能使再生瀝青的抗疲勞性能提升。

下頁圖4為5%應(yīng)變水平和不同試驗(yàn)溫度下各瀝青試樣的疲勞壽命情況。由圖4可知，隨著溫度的升高，瀝青的疲勞壽命逐漸增加。比較RR100和NB的疲勞壽命發(fā)現(xiàn)，在20 ℃時(shí)，RR100的疲勞壽命是NB疲勞壽命的1.2倍，而在8 ℃和30 ℃溫度下，RR100的疲勞壽命是NB疲勞壽命的0.9倍。結(jié)果表明，在不同溫度下，使用再生劑均可以提高RR100瀝青試樣的疲勞壽命，且基本可達(dá)到原樣瀝青的水平。

各瀝青試樣在不同溫度下的疲勞壽命曲線如圖5所示。由圖5可知，剪切速率較低時(shí)，任何溫度下疲勞壽命之間的差異都不明顯，這表明在低應(yīng)變水平下，試驗(yàn)溫度對(duì)瀝青疲勞壽命的影響小于在高應(yīng)變水平下的影響。

圖6為20 ℃時(shí)各瀝青試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。LAS試驗(yàn)中剪切應(yīng)力的降低是由于剪切應(yīng)變導(dǎo)致瀝青試樣出現(xiàn)了破壞而引起的。從圖6可以看出，RB30S對(duì)應(yīng)變的依賴性較低，其起始破壞發(fā)生在比其他試樣更高的應(yīng)變水平。RR100的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與NB的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生部分重疊，說明再生劑可再生高達(dá)100%的RAB。結(jié)合前文瀝青的疲勞壽命來看，疲勞壽命越長(zhǎng)的瀝青材料在峰值剪應(yīng)力下的應(yīng)變值越高，7種瀝青試樣的峰值剪應(yīng)變分別為8%、10%、7.75%、7.86%、7.8%、8%和7.64%。

2.4 時(shí)間掃描試驗(yàn)結(jié)果

圖7為20 ℃時(shí)不同剪切應(yīng)變水平下瀝青的疲勞壽命情況。如圖7所示，所有瀝青試樣（除應(yīng)變水平為2.5%的RB20S）的疲勞壽命均高于NB，這表明在時(shí)間掃描試驗(yàn)中，與原樣瀝青相比，摻加再生劑和新瀝青都會(huì)改善瀝青材料的抗疲勞性能。

3 結(jié)語

（1）采用再生劑和新瀝青均可以提高回收瀝青的抗疲勞性能。與原樣瀝青相比，加入7.5%再生劑的回收瀝青膠體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，膠體指數(shù)與原樣瀝青相比無明顯變化。

（2）在達(dá)到和原樣瀝青疲勞壽命大致相當(dāng)?shù)那闆r下，加入90#新瀝青可使RAB摻量最高達(dá)50%，加入再生劑可使RAB摻量最高達(dá)100%。

（3）在低應(yīng)變水平下，試驗(yàn)溫度對(duì)瀝青膠結(jié)料疲勞壽命的影響比在高應(yīng)變水平下小。應(yīng)力-應(yīng)變曲線中峰值應(yīng)力處的應(yīng)變與疲勞壽命的相關(guān)性較好，疲勞壽命越長(zhǎng)的瀝青材料在峰值剪應(yīng)力下的應(yīng)變值越高。

（4）時(shí)間掃描試驗(yàn)與LAS試驗(yàn)的結(jié)果相關(guān)性較高，均證明了摻加再生劑和新瀝青對(duì)RAB抗疲勞性能的改善情況，研究中可采用LAS試驗(yàn)的結(jié)果作為表示瀝青疲勞壽命的指標(biāo)。

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