再生瀝青低溫抗裂性能評(píng)價(jià)

顧興宇， 姜嚴(yán)旭， 周 洲， 倪富健

(東南大學(xué) 交通學(xué)院， 江蘇 南京 210096)

瀝青路面熱再生技術(shù)具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益，然而目前廠拌熱再生技術(shù)中RAP的摻量一般不高于30%，且很少用于高速公路表面層[1].其主要原因是由于RAP瀝青老化，變硬變脆，黏彈性能變差，使熱再生瀝青混合料容易產(chǎn)生開裂(溫度開裂和疲勞開裂)問題，且舊料摻量越高，開裂問題越嚴(yán)重[2-3].因此，對(duì)由老化瀝青、新瀝青和再生劑混溶而成的再生瀝青的低溫抗裂性能評(píng)價(jià)顯得尤為重要.目前，國內(nèi)主要采用5℃延度或者PG低溫等級(jí)來評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能，但相關(guān)研究表明[4-5]：5℃延度指標(biāo)并不能全面地表征改性瀝青在低溫下的延展性能，并且BBR試驗(yàn)主要研究單一的模量(S)或松弛能力(m值)指標(biāo)，對(duì)于性能較為復(fù)雜的再生瀝青，其低溫性能的優(yōu)劣同時(shí)受低溫時(shí)的變形能力和應(yīng)力松弛能力等因素影響，單一考慮S或m值來評(píng)價(jià)其低溫抗裂性是片面的[6-7].Anderson等[7]發(fā)現(xiàn)：當(dāng)瀝青的老化程度加深時(shí)，由S和m值決定的臨界PG低溫等級(jí)之差不斷擴(kuò)大，從而定義了這一差別變量ΔTc.并在隨后的現(xiàn)場試驗(yàn)階段對(duì)瀝青路面的裂縫發(fā)展進(jìn)行長期觀測，總結(jié)了大量瀝青參數(shù)與路面裂縫長度之間的統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，基于顯著性分析推薦使用ΔTc來評(píng)價(jià)瀝青膠結(jié)料的非受荷型開裂性能，同時(shí)進(jìn)一步設(shè)定了限制值(≥-2.5℃).Ryan等[8]在研究再生劑對(duì)老化瀝青的性能恢復(fù)時(shí)，也提出了ΔTc指標(biāo)，用以評(píng)價(jià)再生劑與老化瀝青之間的兼容性.ΔTc值越小，表明瀝青的脆性增加，其開裂的可能性隨之增大，同時(shí)，再生劑與老化瀝青之間的兼容性也越差.Glover等[9]在建立瀝青路面開裂與瀝青性能之間的聯(lián)系時(shí)提出了流變參數(shù)G′/(η′/G′)，用以替代低溫延度試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青的低溫抗裂性能.Rowe等[10]在研究瀝青主曲線的基礎(chǔ)上，簡化了流變參數(shù)的計(jì)算方法，推出了Glover-Rowe(G-R)常數(shù)，同時(shí)結(jié)合Aderson等[7]的研究，將G-R常數(shù)繪制于黑色空間圖(black space diagram)中，用以評(píng)價(jià)瀝青的抗裂性能及抗老化性能.

本文基于BBR和DSR頻率掃描試驗(yàn)，綜合考慮變形能力、應(yīng)力松弛能力以及流變特性，對(duì)再生瀝青的低溫性能展開研究，采用ΔTc、G-R常數(shù)以及主曲線分析，全面評(píng)價(jià)再生瀝青的低溫抗裂性能及抗老化性能.

1 試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)使用的RAP取自于江蘇省某高速公路上面層銑刨料，采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法回收RAP中的老化改性瀝青.為有效恢復(fù)老化瀝青的黏彈性能，通常加入再生劑(RA)以軟化舊瀝青[11].本文采用PG試驗(yàn)方法，確定再生劑的最佳摻量.新瀝青以及老化瀝青的性能分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.試驗(yàn)采用的再生劑為Evoflex 3G，常溫下為淡黃色低黏度液體，使用時(shí)無需加熱.將再生劑按2%，4%，6%摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中所涉及的摻量、用量等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))摻入回收瀝青中進(jìn)行PG分級(jí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示.可以看出，再生劑的加入有效地恢復(fù)了老化瀝青的低溫性能等級(jí)，但也使得高溫性能等級(jí)有所衰減.選取目標(biāo)PG等級(jí)為70-22，如圖1所示，對(duì)高、低溫連續(xù)性能等級(jí)與再生劑摻量的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，從而確定滿足目標(biāo)PG等級(jí)的再生劑摻量范圍.計(jì)算結(jié)果表明：再生劑用量為3.91%～5.59%時(shí)，再生劑改性老化瀝青可以達(dá)到目標(biāo)性能等級(jí)的要求.考慮其經(jīng)濟(jì)性，選取4%作為再生劑的最佳用量.

本文選取Ⅰ型SBS改性瀝青(PG70-22)作為新瀝青，對(duì)含有4%再生劑的老化瀝青進(jìn)行調(diào)和再生.新瀝青的用量分別為85%，70%，60%，50%(其中再生劑含量也一并計(jì)入新瀝青).再生瀝青的制備方法如下：將抽提回收得到的老化瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)并保持恒溫，加入用量為4%的再生劑攪拌均勻(其中新瀝青用量為85%時(shí)，不必使用再生劑)，而后摻入相應(yīng)量的新瀝青，并使用高速剪切儀剪切、擠壓20min得到均質(zhì)的再生瀝青，進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn).

圖1 最佳再生劑摻量確定示意圖Fig.1 Diagram of RA content selection for recovered asphalt binder

Tested binderHigh temperatureOriginRTFOTInter temperatureLow temperatureS/Mpam-slpoePG gradeSBSⅠ79.373.920.8-26.3-28.070-22SBSⅡ82.977.322.8-24.9-26.576-22RAP84.1 22.1-21.7-16.182-16

2 試驗(yàn)方法

2.1 彎曲梁流變?cè)囼?yàn)

本文基于BBR試驗(yàn)測定不同老化程度(RTFOT,20h PAV和40h PAV)下再生瀝青的勁度(S)和勁度變化率(m)，測試溫度分別為-6,-12，-18℃.根據(jù)內(nèi)插法確定瀝青的臨界PG低溫等級(jí)，并按式(1)計(jì)算ΔTc值，分析對(duì)比不同再生瀝青的低溫抗裂性能.

ΔTc=ΔTc,S-ΔTc,m

(1)

2.2 頻率掃描試驗(yàn)

本文基于DSR的頻率掃描試驗(yàn)，分別測定瀝青在5,15,25，35℃下的復(fù)數(shù)剪切模量(G*)和相位角(δ).根據(jù)時(shí)溫等效原理(WLF方程)以及CAM模型，構(gòu)建15℃下瀝青膠結(jié)料的主曲線[12].進(jìn)而確定在15℃,0.005rad/s條件下的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角，最后按式(2)計(jì)算G-R常數(shù)，并繪制于黑色空間圖(見圖2)中，分析再生瀝青的低溫抗裂性能及抗老化性能.G-R常數(shù)越大，表明瀝青越脆，越易開裂.在黑色空間圖中，每一點(diǎn)均代表著瀝青的老化狀態(tài)，當(dāng)老化程度加深時(shí)，瀝青的流變性能變化表現(xiàn)為從空間圖的右下方往左上方移動(dòng).現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)表明[10]：當(dāng)G-R常數(shù)超過180kPa時(shí)，瀝青路面存在開裂風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)G-R常數(shù)超過450kPa時(shí)，認(rèn)為路面將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重塊裂和反射裂縫，需采取必要措施進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修.

圖2 G-R常數(shù)黑色空間圖Fig.2 G-R parameters in black space

(2)

3 結(jié)果與討論

3.1 ΔTc

如表2所示，4種RAP瀝青摻量的再生瀝青在經(jīng)過再生劑軟化和新瀝青調(diào)和作用后，均達(dá)到了新瀝青的PG等級(jí).但是從中溫等級(jí)可以看出，再生瀝青的疲勞性能要稍遜于新瀝青.新瀝青、再生瀝青在RTFOT,20h PAV和40h PAV這3種老化狀態(tài)下的ΔTc值如圖3所示.由圖3可以看出，老化時(shí)間是影響ΔTc值的主要因素，而再生瀝青對(duì)于老化過程更為敏感.全新SBS改性瀝青表現(xiàn)出良好的低溫抗裂性能和抗老化性能，在長期老化狀態(tài)下仍未出現(xiàn)開裂風(fēng)險(xiǎn).

表2 再生瀝青性能分級(jí)試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Performance grading test results for recycled blends

圖3 新瀝青、老化瀝青以及再生瀝青在不同室內(nèi) 老化程度下的ΔTc值Fig.3 ΔTc results for all tested binder at varying laboratory aging conditions.

四種再生瀝青的PG等級(jí)雖然達(dá)到了新瀝青的標(biāo)準(zhǔn)，但是其抗裂水平僅在短期老化狀態(tài)下得以保證.在室內(nèi)長期老化作用后，ΔTc值顯著下降，再生瀝青的抗裂性能隨著RAP瀝青摻量的增加呈非線性衰減趨勢.表明老化瀝青對(duì)再生瀝青的低溫抗裂性能具有明顯的不利影響.但是對(duì)于含有最佳再生劑用量的再生瀝青，當(dāng)老化瀝青摻量較低時(shí)(≤30%)，其ΔTc值較新瀝青出現(xiàn)了一定程度的下降，但瀝青的開裂風(fēng)險(xiǎn)仍在可控范圍之內(nèi).

特別地，對(duì)于RAP瀝青摻量僅為15%的再生瀝青，由于其未使用再生劑，再生瀝青在長期老化后的ΔTc值低至-9.8℃，說明再生劑可以有效減緩再生瀝青的低溫抗裂性能隨老化時(shí)間的衰退.因此，與現(xiàn)有的工程應(yīng)用不同，對(duì)于低RAP摻量的再生混合料，再生劑也是不可或缺的.

3.2 G-R常數(shù)

圖4為新瀝青、老化瀝青以及再生瀝青在不同室內(nèi)老化條件下的G-R常數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果.可以看出，長期老化條件下G-R常數(shù)為：15%RAP瀝青(無再生劑)≈50%RAP瀝青(含再生劑)>40%RAP瀝青(含再生劑)>30%RAP瀝青(含再生劑)≈新瀝青.高RAP摻量再生瀝青的長期抗裂性能明顯弱于新瀝青，RAP瀝青的存在增加了再生瀝青對(duì)老化過程的敏感性.同時(shí)，含30%RAP再生瀝青的G-R常數(shù)在所有老化條件下均與新瀝青相當(dāng)，表明這兩種瀝青具有相似的抗裂性能.也進(jìn)一步證實(shí)，當(dāng)老化瀝青摻量小于30%，再生瀝青的長期抗裂性能可以通過再生劑和新瀝青的軟化調(diào)和作用來恢復(fù).

圖4 新瀝青、老化瀝青以及再生瀝青在不同室內(nèi)老化 程度下的G-R常數(shù)Fig.4 G-R parameter for all evaluated binders at varying laboratory aged conditions.

圖5是新瀝青與4種再生瀝青G-R常數(shù)所對(duì)應(yīng)的G*和δ在黑色空間圖中的分布.可以看出：隨著老化時(shí)間的增加，每種瀝青都從圖中的右下方向左上方移動(dòng)，接近開裂破壞區(qū)域.與ΔTc結(jié)果類似，全新SBS改性瀝青不易出現(xiàn)開裂風(fēng)險(xiǎn).而對(duì)于再生瀝青，其原樣和短期老化狀態(tài)下的分布位置與新瀝青基本一致.但在長期老化狀態(tài)下，再生瀝青的分布位置與新瀝青之間出現(xiàn)了明顯的差異.當(dāng)RAP瀝青摻量超過40%時(shí)，再生瀝青越過了“初始開裂”線，說明其在長期使用過程中更易發(fā)生開裂.值得注意的是，只有摻有15%RAP瀝青的再生瀝青由于缺乏再生劑的作用，在PAV 40h后進(jìn)入“顯著開裂”區(qū)域.因此，為保證低RAP摻量再生瀝青的長期抗裂性能，再生劑也是必不可少的.

圖5 新瀝青與不同RAP瀝青摻量的再生瀝青在黑色空間圖中的分布Fig.5 Black space diagram of virgin binder and recycled blends with various contents of RAP binder at all aging conditions

SBS改性瀝青的老化包括基質(zhì)瀝青的組分遷移和改性劑的裂解失效.再生劑具有較高的芳香分含量和較低的飽和分含量，可以溶解和分散瀝青質(zhì)，但是不具備修復(fù)SBS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的功能.而新瀝青的加入有助于再生瀝青形成趨于連續(xù)相的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).4種再生瀝青的PG分級(jí)雖然一致，但是其內(nèi)部的瀝青老化狀態(tài)和SBS改性劑的交聯(lián)狀態(tài)是不同的.只有當(dāng)兩者達(dá)到很好的平衡時(shí)，再生瀝青的抗裂性能和抗老化性能才能得以保證.

3.3 主曲線分析

圖6表示試驗(yàn)瀝青在4種老化狀態(tài)下的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角主曲線.可以很明顯地看出，在原樣以及RTFOT老化狀態(tài)下，4種再生瀝青的G*和δ主曲線與新瀝青之間均無明顯差別，但是當(dāng)老化程度進(jìn)一步加深時(shí)，再生瀝青與新瀝青之間表現(xiàn)出明顯的差異性.其中15%RAP再生瀝青由于未加再生劑，G*增長得最快且δ減小得最快，說明再生劑明顯減緩了勁度隨老化時(shí)間的增長速度.而對(duì)于摻有最佳再生劑用量的再生瀝青，RAP瀝青的摻量越高，其流變性能隨老化時(shí)間下降得越快.

從復(fù)數(shù)剪切模量主曲線可以看出，各類瀝青在高頻段的勁度雖然隨著老化時(shí)間的增加而增加，但是并未出現(xiàn)明顯區(qū)別，但低頻段的勁度卻出現(xiàn)明顯的差異.表明老化對(duì)再生瀝青的中溫勁度影響較大，從而顯著影響G-R常數(shù)，即瀝青的抗裂性能.

相位角主曲線隨老化時(shí)間的變化規(guī)律要復(fù)雜得多，不僅出現(xiàn)了數(shù)值上的減小，其表現(xiàn)規(guī)律也出現(xiàn)一定程度的改變.全新SBS改性瀝青在低頻段會(huì)出現(xiàn)明顯的上升駝峰，但隨著老化程度的加深，這一現(xiàn)象逐漸消失，呈現(xiàn)出與老化(RAP)瀝青一樣的隨縮減頻率單調(diào)遞減的變化規(guī)律，從而導(dǎo)致更大的G-R常數(shù)，也就是更差的抗裂性能.可以推測，新瀝青中的SBS改性劑使得再生瀝青的相位角在低頻段出現(xiàn)改善效應(yīng)，但這種改善作用會(huì)隨著老化時(shí)間的增長而失效.

圖6 4種老化狀態(tài)下新瀝青與再生瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量和相位角主曲線(參考溫度為15℃)Fig.6 Complex shear modulus and phrase angle master curves for all evaluated binders at reference temperature of 15 °C

4 結(jié)論

(1)ΔTc和G-R常數(shù)結(jié)果表明老化時(shí)間會(huì)顯著影響再生瀝青的抗裂性能；相較于全新改性瀝青，再生瀝青對(duì)于老化過程更為敏感.并且RAP瀝青摻量越高，再生瀝青的抗裂性能隨老化時(shí)間的衰減幅度愈大.因此，通過將老化改性瀝青恢復(fù)至目標(biāo)PG等級(jí)，并不能保證再生瀝青的長期抗抗裂性能.同時(shí)在評(píng)價(jià)熱再生混合料的長期性能時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮老化效應(yīng).

(2)再生劑對(duì)于保證再生瀝青長期抗裂性能是不可或缺的；老化(RAP)瀝青對(duì)再生瀝青的長期抗裂性能具有不利影響.為了保證再生瀝青在長期老化條件下的抗裂性能，RAP瀝青摻量應(yīng)嚴(yán)格限制在30%以下.

(3)主曲線分析結(jié)果表明：再生劑和新瀝青對(duì)于RAP老化瀝青流變性能的恢復(fù)作用是不同的，特別是在低頻段.再生劑主要減小老化瀝青的勁度，新瀝青主要改善老化瀝青的相位角，但新瀝青的改善作用隨老化時(shí)間的增加而減弱.

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