再生SBS改性瀝青混合料的低溫性能與細觀參數(shù)

劉占良，王廣山

(1.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程系，河北石家莊 050041;2.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100098)

0 引言

瀝青路面在低溫環(huán)境下往往會經(jīng)歷凍融過程，從而加速諸如裂縫、坑槽等路面病害的產(chǎn)生。再生SBS改性瀝青混合料就是對SBS改性瀝青混合料的舊料進行再生利用，將改性瀝青技術(shù)與熱再生技術(shù)進行結(jié)合，從而獲得具有良好低溫柔韌性與抗裂性能的路面材料。再生SBS改性瀝青混合料可在一定程度上減少由凍融現(xiàn)象造成的損壞，并符合節(jié)能環(huán)保理念［1］。近年來，再生SBS改性瀝青混合料已經(jīng)得到越來越多的關(guān)注與應(yīng)用［2-3］;然而，對于經(jīng)凍融過程的再生SBS改性瀝青混合料的低溫特性以及凍融前后材料細觀參數(shù)變化的研究則鮮有報道。有研究表明，瀝青混合料的內(nèi)部細觀參數(shù)與其宏觀力學(xué)性能有著一定的關(guān)聯(lián)性，尤其是對于瀝青混合料的低溫耐久性能有較顯著的影響［4］。當(dāng)前，對于再生SBS改性瀝青混合料低溫性能的評價方法仍多限于室內(nèi)試驗的表象研究，很少有涉及到材料細觀參數(shù)與其宏觀力學(xué)性能之間關(guān)聯(lián)性的研究，也鮮有對混合料性能的細觀定量描述［5］。因此，本文對經(jīng)凍融過程的混合料小梁試件分別進行間接拉伸試驗，研究不同SBS摻量(4%、5%和6%)和不同RAP(再生瀝青混合料)摻量(30%、45%和60%)條件下的再生SBS改性瀝青混合料的低溫性能;并基于X-ray CT無損掃描技術(shù)對凍融前后的試件分別進行掃描，通過對凍融前后試件體積指標(biāo)變化的定量描述，為再生SBS改性瀝青混合料低溫性能的改善提供理論指導(dǎo)。

1 原材料的技術(shù)性能

1.1 RAP

所采用的RAP來自河北某高速公路試驗段的銑刨舊料，取料位置為與外界環(huán)境直接接觸的路面上面層，銑刨深度為5 cm左右。采用抽提法得到的舊瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 舊瀝青的技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2015)中的篩分試驗確定 RAP的級配，如表2所示。

表2 RAP料的級配

1.2 集料與新瀝青

粗細集料均采用灰綠巖，綜合考慮RAP的老化狀態(tài)、河北地區(qū)環(huán)境、交通、材料特點以及經(jīng)濟性等因素，選取殼牌90#瀝青作為基質(zhì)瀝青。采用河北某新材料公司生產(chǎn)的成品SBS改性劑，以殼牌90#基質(zhì)瀝青作為調(diào)和瀝青，改性溫度定在170℃～190℃之間，改性時間為60 min。不同SBS摻量的SBS改性瀝青性能如表3所示。

表3 不同SBS摻量的改性瀝青性能

由表3可知，SBS改性劑的摻入使基質(zhì)瀝青的各項技術(shù)指標(biāo)都有了不同程度的提升［6］。

2 基于凍融循環(huán)試驗的再生SBS瀝青混合料低溫性能研究

基于河北省的自然環(huán)境條件，在凍結(jié)時先用塑料盒將試件密封，并在室溫條件下將80 mL的水注入塑料盒中，再采用保鮮袋將塑料盒整體密封后放入冷凍箱，溫度為(－20±1)℃，凍結(jié)時間定為12 h;然后將試件直接放入(20±1)℃恒溫水中進行水浴融化，融化時間同樣為12 h。在此過程中利用冷凍箱與恒溫水浴模擬實際工程中的凍融循環(huán)作用?；旌狭现苽洳捎肁C-16級配，室內(nèi)成型不同制備參數(shù)的SBS瀝青混合料車轍板，并切割成 30 mm×35 mm×250 mm的小梁試件。利用MTS萬能試驗機進行間接拉伸試驗，測定試件的劈裂強度，試驗溫度為－10℃，加載速率為2 mm·min－1，凍融循環(huán)次數(shù)為25次。以劈裂強度作為控制指標(biāo)，劈裂強度越大，則混合料的低溫抗裂性能相對越好。

2.1 SBS摻量對再生SBS瀝青混合料低溫性能的影響

選取SBS摻量分別為4%、5%和6%的再生SBS瀝青混合料來研究不同SBS摻量的再生SBS瀝青混合料凍融前后的低溫性能，其中 RAP摻量為30%。在試驗過程中還增加一組RAP摻量為30%的90#基質(zhì)瀝青熱再生瀝青混合料作為對比。試驗結(jié)果如圖1、2所示。在圖1中，橫坐標(biāo)SBS摻量為0則代表RAP摻量為30%的基質(zhì)熱再生瀝青混合料。在圖2中，采用下降比率作為凍融后劈裂強度下降程度的表征指標(biāo)(下同)。由圖1可知，在不同SBS摻量條件下，相較于基質(zhì)熱再生瀝青混合料，再生SBS改性瀝青混合料均表現(xiàn)出較好的低溫性能［7］。由圖2可知，RAP摻量為30%、SBS摻量為6%的熱再生瀝青混合料凍融后的劈裂強度下降幅度最大，為35.1%;而RAP摻量為30%、SBS摻量為5%的熱再生瀝青混合料凍融后的劈裂強度下降幅度最小，為14.1%。結(jié)合以上試驗結(jié)果可知，對于再生SBS改性瀝青混合料來說，SBS改性劑的摻量并不一定是越大越好，而是在特定條件下存在著一個最佳的SBS改性劑摻量。本試驗得出的再生SBS改性瀝青混合料的最佳SBS摻量為5%。

圖1 試件凍融前后的劈裂強度對比

圖2 凍融后劈裂強度的下降比率

2.2 RAP摻量對再生SBS瀝青混合料凍低溫性能的影響

不同RPA摻量的再生SBS瀝青混合料凍融前后劈裂強度對比結(jié)果如圖3、4所示。在圖3中，橫坐標(biāo)RAP摻量為0%的位置表示使用新集料(不含RAP料)制備的瀝青混合料。由圖3可知，隨著RAP摻量的增大，相對于瀝青混合料凍融前，基質(zhì)瀝青熱再生混合料和再生SBS改性瀝青混合料經(jīng)凍融后的低溫性能均有不同程度的降低。在RAP摻量從30%增大到60%的過程中，基質(zhì)瀝青熱再生混合料凍融后的劈裂強度下降比率最大為24.5%，再生SBS改性瀝青混合料的下降比率最大為20.5%。由圖4可知，在不同的RAP摻量下，凍融后的基質(zhì)瀝青熱再生混合料的劈裂強度下降比率均大于再生SBS改性瀝青混合料的下降比率，即再生SBS改性瀝青混合料具有更為優(yōu)越的抗低溫性能［8］。根據(jù)試驗結(jié)果得出，當(dāng)RAP摻量為30%時，再生SBS瀝青混合料凍融后的抗低溫性能下降比率最小，僅為8.7%。

圖3 不同RAP摻量凍融前后對比

圖4 凍融后的低溫性能下降比率對比

3 再生SBS改性瀝青混合料試件凍融前后的細觀特征

基于X-ray CT無損掃描技術(shù)，對凍融前后的再生SBS改性瀝青混合料試件分別進行掃描，并選擇典型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)截面，以閉口空隙為控制指標(biāo)，定量描述凍融前后試件的細觀參數(shù)變化［9］。

3.1 準(zhǔn)備工作

根據(jù)劈裂試驗結(jié)果，得出制備再生SBS改性瀝青混合料的最佳RAP摻量為30%，SBS摻量為5%。為了更貼近實際工程，采用旋轉(zhuǎn)壓實儀(SGC)成型標(biāo)準(zhǔn)試件進行CT掃描。掃描電壓為220 kV，掃描電流為0.7 mA，投影數(shù)為1 200，積分時間為 650 ms，掃描時間為30 min。

3.2 結(jié)果分析

為了更直觀準(zhǔn)確地對凍融前后混合料內(nèi)部參數(shù)的變化進行分析，以凍融前后試件的同一截面掃描圖作為對比樣本，并采用配套的圖像分析軟件VG Studio MAX(以下簡稱VG)對其閉口空隙率進行計算。以每25 mm3為一個體積范圍區(qū)間，對VG軟件的空隙率計算結(jié)果進行統(tǒng)計，得到混合料凍融前后的空隙分布變化情況，如圖5所示。

圖5 試件空隙體積范圍分布

由圖5(a)可知，凍融前的再生SBS改性瀝青混合料空隙體積分布主要在0～75 mm3區(qū)間，采用VG軟件計算其閉口空隙率為3.36%。由圖5(b)可知，凍融后再生SBS改性瀝青混合料空隙體積分布也主要在0～75 mm3區(qū)間，但其閉口空隙率為3.92%，相比凍融前增大了16.7%。對于凍融前的再生SBS改性瀝青混合料，凍融后的再生SBS改性瀝青混合料在0～25 mm3檔體積區(qū)間內(nèi)的空隙分布數(shù)量下降了10.1%，而25～50 mm3檔體積區(qū)間內(nèi)的空隙分布數(shù)量則上升了34.9%。

4 結(jié)語

(1)凍融后的基質(zhì)瀝青熱再生混合料和再生SBS改性瀝青混合料的低溫性能均有不同程度的下降。其中，基質(zhì)瀝青熱再生混合料凍融后的劈裂強度下降比率最大為24.5%，再生SBS改性瀝青混合料的下降比率最大為20.5%。

(2)相對于基質(zhì)瀝青熱再生混合料來說，不同SBS摻量的再生SBS瀝青混合料經(jīng)過凍融后的劈裂強度下降幅度較小，具有更好的耐久性與低溫抗裂性能。其中SBS摻量為5%、RAP摻量為30%的再生SBS瀝青混合料經(jīng)凍融后的劈裂強度下降比率最小。

(3)對再生SBS改性瀝青混合料凍融前后的試件進行了基于X-ray CT技術(shù)的細觀參數(shù)掃描，結(jié)果表明，凍融后試件的閉口空隙率增大了16.7%，在0～25 mm3體積范圍內(nèi)的空隙數(shù)量相對于凍融前減少了10.1%，在25～50 mm3體積范圍內(nèi)的空隙數(shù)量相對于凍融前則增加了34.9%。

［1］ 張繼森.熱再生SBS改性瀝青混合料設(shè)計方法與使用性能［D］.長沙:湖南大學(xué)，2011.

［2］ 王 沖，徐世法，季 節(jié)，等.再生SBS改性瀝青混合料再度老化性能的研究［J］.北京建筑工程學(xué)院學(xué)報，2006，22(3):20-23.

［3］ 鄭傳峰，王 磊，許雅智，等.再生SBS改性瀝青混合料在面層應(yīng)用的試驗研究［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2011(S1):143-147.

［4］ 汪海年，張 琛，方 俊，等.橡膠熱再生混合料低溫性能與細觀特征研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014，41(11):123-128.

［5］ 易 富，金 艷，蘇 劍，等.兩種壓實方法下瀝青混合料空隙分布特性細觀分析［J］.公路交通科技，2014，31(3):26-31.

［6］ 甘新立，鄭南翔，侯月琴，等.再生SBS改性瀝青混合料的施工溫度確定［J］.建筑材料學(xué)報，2015，18(5):808-812.

［7］ 司 偉，馬 骉，汪海年，等.瀝青混合料在凍融循環(huán)作用下的彎拉特性［J］.吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2013，43(4):885-890.

［8］ 吳 釗.凍融循環(huán)對瀝青混合料性能的影響研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2011

［9］ 吳文亮，王端宜，張肖寧，等.基于工業(yè)CT技術(shù)的瀝青混合料內(nèi)部空隙分布特性［J］.中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012(6):2343-2348.