不同RAP摻量溫拌再生改性瀝青抗變形性能研究

黃太昌，尹應(yīng)梅，呂建兵，李俊禧

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510006）

我國許多道路在使用期間出現(xiàn)大面積的車轍、開裂、路基沉降和松散等早期病害現(xiàn)象. 在對發(fā)生早期病害的瀝青路面進(jìn)行維修時(shí)，會產(chǎn)生大量舊瀝青混合料(reclaimed asphalt pavement，RAP)閑置堆積，不僅造成資源浪費(fèi)還破壞了生態(tài)環(huán)境. 溫拌瀝青混合料相對于傳統(tǒng)的熱拌瀝青混合料而言，降低了大約20～30℃的拌和壓實(shí)溫度，這不僅降低能耗而且減少了廢氣的排放[1]. 2007年，美國Rajib B. MALLICK等[2-3]科研工作者將溫拌技術(shù)與瀝青路面再生技術(shù)相結(jié)合而誕生溫拌再生技術(shù). 湯文[4]研究表明，溫拌再生瀝青混合料抗變形性能隨著RAP摻量的增加而先增后降，且在RAP摻量為30% ～ 40%時(shí)出現(xiàn)峰值，高溫穩(wěn)定性較熱拌再生瀝青混合料差. 有關(guān)研究[5]表明，在低于熱拌溫度下添加丁苯橡膠 (styrene butadiene rubber，SBR)與瀝青混合料一起拌合可以提高瀝青混合料高溫性能，而且可以改善瀝青使用性能與耐久性. 同時(shí)也有研究[6-8]表明，SBR的摻入不僅可以通過形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)增強(qiáng)瀝青高溫性能. 而廣東省高溫季節(jié)長，瀝青路面多發(fā)生高溫變形損害，如何提高溫拌再生瀝青混合料高溫抗變形性能是關(guān)注的重點(diǎn)，直接影響再生瀝青路面的使用壽命. 為了評價(jià)溫拌再生混合料抗變形性能，本文擬從溫拌再生改性技術(shù)對回收瀝青混合料進(jìn)行溫拌及再生改性探索. 溫拌再生改性瀝青混合料是一種新型環(huán)保路面材料，兼?zhèn)錅匕柙偕案男詾r青的優(yōu)點(diǎn)，可以在不降低路用性能情況下?lián)郊哟蟊壤腞AP，并實(shí)現(xiàn)較低溫度下的拌合改性與壓實(shí)，從而達(dá)到資源重復(fù)利用和節(jié)能減排的目的[7].

因此，本文先從實(shí)際工程中銑刨得出RAP回收分離得到舊瀝青，使用舊瀝青與韓國SK公司的SBS瀝青依據(jù)RAP比例配制復(fù)合瀝青，對其進(jìn)行基本性能試驗(yàn)及黏度試驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)室確定溫拌再生劑A最佳摻量后，利用再生劑A、B及復(fù)合瀝青制備溫拌再生改性瀝青進(jìn)行對比試驗(yàn)，測定不同溫度下不同溫拌再生改性瀝青旋轉(zhuǎn)黏度參數(shù). 根據(jù)不同溫度下的黏度數(shù)據(jù)分析，用Arrhenius方程計(jì)算瀝青流動活化能Eη，并分析舊瀝青再生改性過程中Eη變化規(guī)律，揭示再生瀝青的再生改性機(jī)理；同時(shí)對溫拌再生改性瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn)，為不同RAP摻量溫拌再生改性瀝青混合料的工程應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析理論

1.1 試驗(yàn)材料

本文采用SBS改性瀝青是由韓國SK公司生產(chǎn)的；RAP取自廣東某一高速公路維修工程；新集料為廣東某石料廠生產(chǎn)的玄武巖且符合相關(guān)國家技術(shù)規(guī)范；再生劑A及再生劑B由上海道淳交通科技有限公司自行研制. 再生劑A為獨(dú)特的化學(xué)表面活性劑類型溫拌再生劑，在化學(xué)表面活性劑和水膜共同作用下改變?yōu)r青短暫的動力黏度，從而實(shí)現(xiàn)瀝青混合料在較低溫度下拌和性能和可壓實(shí)性；再生劑B是由丁苯橡膠乳液及其他添加劑共聚制得的陽離子型聚合物分散體，其中包含再生劑成分，A及B各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求. 實(shí)驗(yàn)室根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[9]中阿布森法從RAP料中提取舊瀝青，并對舊瀝青及SBS改性瀝青分別進(jìn)行基本性能及黏度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1及表2，其余各項(xiàng)材料的技術(shù)指標(biāo)均符合(JTG F40-2017)《公路瀝青路面施工規(guī)范》的要求.

表1 SBS改性瀝青基本性能Tab.1 Basic properties of SBS modified asphalt

表2 RAP中舊瀝青試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of old asphalt in RAP

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本文試驗(yàn)采用的試驗(yàn)設(shè)備包括SYD-2801針入度試驗(yàn)儀、SYD-2806E全自動瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)儀、SYD-4508C延度儀、Brookfield-RVDV旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)及SYD-0719車轍試驗(yàn)儀等，試驗(yàn)采用的試驗(yàn)儀器都符合中國現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程要求.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文按照試驗(yàn)規(guī)程里面的瀝青回收方式從實(shí)際工程中銑刨得來的RAP中回收分離得到足夠舊瀝青，根據(jù)RAP的瀝青質(zhì)量及不同RAP摻量采用舊瀝青與韓國SK公司的SBS瀝青依據(jù)RAP比例制備5種復(fù)合瀝青，并對其依據(jù)試驗(yàn)規(guī)范規(guī)定測定3大指標(biāo)及90 ～ 175 ℃不同溫度下黏度參數(shù). 由實(shí)驗(yàn)室確定再生劑A最佳摻量后，摻入梯度式計(jì)量再生劑B，配置出12種溫拌再生改性瀝青. 為揭示再生劑A、B再生機(jī)理，選用試驗(yàn)儀器根據(jù)試驗(yàn)規(guī)范分別對4種復(fù)合瀝青及12種溫拌再生改性瀝青進(jìn)行25 ℃針入度、軟化點(diǎn)、5 ℃延度的試驗(yàn)以及90 ～ 175 ℃不同溫度下黏度參數(shù)的測量.

為考察不同RAP比例的溫拌再生改性瀝青混合料高溫抗變形性能，依據(jù)瀝青混合料RAP的摻加比例，統(tǒng)一用RAP摻量來表示不同種類瀝青混合料. 實(shí)驗(yàn)室依照試驗(yàn)規(guī)程中T0703-2011瀝青混合料車轍試驗(yàn)方法，采用300 mm×300 mm×50 mm車轍板試件，使用SYD-0719車轍試驗(yàn)儀測量60 ℃情況下新SBS改性瀝青混合料、20%RAP-溫拌再生改性瀝青混合料、30%RAP-溫拌再生改性瀝青混合料、40%RAP-溫拌再生改性瀝青混合料、50%RAP-溫拌再生改性瀝青混合料動穩(wěn)定度，本試驗(yàn)所采用的級配是GAC-16，不同RAP摻量GAC-16級配設(shè)計(jì)如表3所示，由馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比為4.76%，溫拌再生改性瀝青混合料采用比新SBS改性瀝青混合料低30 ℃成型.

1.4 活化能分析理論

瀝青作為一種典型熱流變黏彈材料，當(dāng)處于一定環(huán)境下，轉(zhuǎn)化為牛頓流體的分子或單體圍繞平衡點(diǎn)進(jìn)行無規(guī)則熱振動，這使得分子間需要保留熱振動的空間，這種空間表現(xiàn)為分子大小的空穴及由于分子不規(guī)則熱運(yùn)動所產(chǎn)生的不規(guī)則空洞[10]. 瀝青流動的發(fā)生過程中，流動單元用于克服彼此之間內(nèi)摩擦產(chǎn)生的能壘，由原位置躍遷到附近分子大小的空穴及由于分子運(yùn)動所產(chǎn)生的不規(guī)則空洞所需要的最小能量(kJ/mol)稱為流動活化能Eη. 流動活化能Eη可以反映材料黏度變化的溫度敏感性，Eη值越大，材料對溫度越敏感. 絕大部分情況下，對于同一種瀝青，溫度越高，活化能越小；而溫度越低，活化能變大. 當(dāng)溫度超過一定數(shù)值后(通常認(rèn)為T＞Tg(玻璃態(tài)溫度))活化能不再變化[11].

表3 GAC-16級配Tab. 3 GAC-16 gradation %

為了分析再生劑B劑量對瀝青改性機(jī)理及確定再生劑B最佳摻量，根據(jù)不同溫度下瀝青的黏度提出采用Arrhenius方程計(jì)算溫拌再生改性瀝青的流動活化能Eη，對活化能結(jié)果進(jìn)行微觀分析以揭示再生改性機(jī)理. 當(dāng)瀝青溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于玻璃化溫度Tg和熔點(diǎn)Tm時(shí)，瀝青黏度與溫度存在的關(guān)系符合Arrhenius方程式

式(1)中，Eη為流動活化能(J·mol-1)；R為氣體常數(shù)(8.314 J·mol-1·K)；T為絕對溫度(K)；A為材料常數(shù)；η為黏度(Pa·s).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 溫拌再生改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果分析

本文根據(jù)RAP中瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)，依據(jù)RAP摻量用舊瀝青與新瀝青配置復(fù)合瀝青，并依照試驗(yàn)規(guī)程相關(guān)試驗(yàn)方式測得復(fù)合瀝青基本性能結(jié)果以及90 ～ 175 ℃不同溫度下黏度參數(shù)值. 文中統(tǒng)一用RAP摻量表示新舊瀝青質(zhì)量比不同的瀝青試樣，試驗(yàn)結(jié)果見圖1.

圖1 復(fù)合瀝青基本指標(biāo)及黏度試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Basic index and viscosity test results of composite asphalt

由圖1知，隨著舊瀝青摻量逐漸增加，復(fù)合瀝青的軟化點(diǎn)逐漸降低；25 ℃針入度及5 ℃延度顯著降低. 復(fù)合瀝青黏度隨著舊瀝青摻加比例增大而降低，說明舊瀝青相比于新瀝青飽和分含量更高. 相關(guān)研究[12-13]表明瀝青發(fā)生老化過程，其組分一般發(fā)生芳香分減少、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)增加；其路用技術(shù)指標(biāo)表現(xiàn)為黏度降低、針入度降低、軟化點(diǎn)降低和延度降低. 飽和分增多，可以改善瀝青的流動性；瀝青質(zhì)增多造成瀝青的黏度增大，流動性降低. 因此，根據(jù)復(fù)合瀝青的性能指標(biāo)現(xiàn)狀推斷，當(dāng)直接將RAP、新瀝青及新集料進(jìn)行熱拌，配制的再生瀝青混合料很可能會無法滿足路用性能要求.

實(shí)驗(yàn)室根據(jù)廠家建議和室內(nèi)試驗(yàn)確定使用再生劑A，摻量為瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的5%. 實(shí)驗(yàn)室采用舊瀝青、新瀝青、再生劑A、B配制12種溫拌再生改性瀝青，其中再生劑A摻量為瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%，再生劑B劑量為舊瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)4% ～ 6%. 參照試驗(yàn)規(guī)程相關(guān)試驗(yàn)方式進(jìn)行基本性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2.

圖2 不同RAP摻量溫拌再生改性瀝青基本性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Basic performance test results of warm mixed regeneration modified asphalt with different RAP ratios

由圖2知，同一種溫拌再生改性瀝青的軟化點(diǎn)隨著B的比例增大而增大，針入度及延度下降. 再生劑B由SBR共聚改性得來，當(dāng)SBR摻量達(dá)到一定比例時(shí)，SBR大分子之間形成互相聯(lián)通的空間骨架結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò). 而SBR大分子耐熱性能強(qiáng)于瀝青，當(dāng)溫度達(dá)到瀝青軟化點(diǎn)時(shí)，瀝青分子流動，但SBR大分子耐熱性好于瀝青分子，SBR骨架結(jié)構(gòu)起到支撐及防止了瀝青分子流動作用，可以顯著提高瀝青高溫穩(wěn)定性[14].另一方面，摻入了同一比例B的溫拌再生改性瀝青隨著舊瀝青比例增加，針入度及延度下降. 這是因?yàn)闉r青老化導(dǎo)致瀝青變得脆硬，瀝青的柔性降低. 試驗(yàn)結(jié)果表明，再生劑B可以顯著提升復(fù)合瀝青的高溫性能，但對瀝青針入度及延度影響不大.

為了分析再生改性機(jī)理并確定溫拌再生改性瀝青混合料的施工和拌合溫度，本試驗(yàn)根據(jù)瀝青試驗(yàn)規(guī)程采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)對4種復(fù)合瀝青及12種溫拌再生改性瀝青進(jìn)行90 ～ 175 ℃不同溫度下的黏度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3.

由圖1(d)及圖3知，相比于SBS改性瀝青，摻加再生劑A、B后溫拌再生改性瀝青黏度更低，隨著試驗(yàn)溫度逐步升高，黏度降低并且復(fù)合瀝青與溫拌再生改性瀝青黏度值相近，呈現(xiàn)高溫低黏. 對于同一種流變體而言，分子量越大黏度越高. 隨著摻入再生劑B，再生分子及SBR在瀝青中再生改性，當(dāng)溫度上升到接近SBR發(fā)生熱失重溫度時(shí)[15]，分子主鏈斷裂，發(fā)生降解或交聯(lián)反應(yīng)，這時(shí)SBR分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不再表現(xiàn)為相互連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，溫拌再生改性瀝青黏度下降.同一種溫拌再生改性瀝青黏度隨著SBR的摻加比例增大而逐漸增大. 隨著SBR量的增加，SBR形成連接的骨架結(jié)構(gòu)，在瀝青流動過程中提供拉應(yīng)力，導(dǎo)致瀝青低溫黏度升高.

參照相關(guān)研究[16]，以石油瀝青作為黏結(jié)材料時(shí)，拌合黏度宜在(0.17±0.020) Pa·s，壓實(shí)成型黏度宜在(0.28±0.030) Pa·s. 由圖1(d)知，SBS改性瀝青混合料拌合及壓實(shí)溫度分別為165 ～ 170 ℃及155 ～ 160 ℃；圖3知20%、30%、40%、50%RAP溫拌再生瀝青混合料拌合及壓實(shí)成型溫度分別為147 ℃/137 ℃、145 ℃/135 ℃、140 ℃/130 ℃、135 ℃/125 ℃.

試驗(yàn)結(jié)果表明:溫拌再生改性瀝青黏度小于SBS改性瀝青，并可提高溫拌再生改性瀝青高溫性能. 溫拌再生改性瀝青混合料拌合成型溫度相對于熱拌瀝青混合料拌合成型溫度降低20 ～ 30 ℃.

2.2 基于黏度試驗(yàn)活化能分析

根據(jù)圖3不同溫度下瀝青的黏度，采用Arrhenius方程計(jì)算溫拌再生改性瀝青的流動活化能Eη，圖4中瀝青樣品與圖3樣品相同，計(jì)算結(jié)果見圖4.

由圖4與式(1)擬合可得不同溫拌再生改性瀝青活化能數(shù)值. 由圖4知，隨著RAP的增大，復(fù)合瀝青的活化能逐步增大. 這是因?yàn)镋η直接反映了瀝青分子空間結(jié)構(gòu)的變化，在瀝青路面使用過程中，瀝青經(jīng)歷了復(fù)雜的自然環(huán)境作用，包括高溫、氧原子及光線輻射的作用下，瀝青分子主鏈大量斷裂并與氧生成羰基甚至羧基，使得瀝青的感溫性減弱，Eη增加顯著[16].

溫拌再生改性瀝青的流動活化能比復(fù)合瀝青的要高，說明溫拌再生改性瀝青發(fā)生流變需要吸收更多能量. 在溫度低時(shí)，4%比例B溫拌再生改性瀝青活化能最大；因SBR膠乳在瀝青中形成具有支撐作用的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，并且SBR分子和再生劑形成小分子填充了小空穴，使得自由體積減少，會表現(xiàn)出活化能增大，宏觀流動性差，這從微觀方面解釋溫拌再生改性瀝青具有優(yōu)異的高溫性能. 隨著B的摻量增多，瀝青活化能降低，因SBR結(jié)構(gòu)一旦破壞，SBR乳液在瀝青流動中起到潤滑作用，黏度就大大降低，同時(shí)考慮提高瀝青高溫性能及經(jīng)濟(jì)適用性問題，選擇再生劑B的建議摻量為4%.

2.3 車轍試驗(yàn)結(jié)果分析

在車輛荷載作用下，長期高溫及路面反復(fù)承受車輛垂直應(yīng)力和水平力的綜合作用，往往使得瀝青路面容易出現(xiàn)車轍現(xiàn)象，影響道路的舒適、安全性能[17].本文為驗(yàn)證溫拌再生改性瀝清混合料抗車轍性能，對不同RAP比例溫拌再生改性瀝青混合料抗進(jìn)行車轍試驗(yàn). 本實(shí)驗(yàn)所采用的級配是GAC-16，級配設(shè)計(jì)見表3. 由馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比為4.76%，溫拌再生改性瀝青混合料采用比熱拌瀝青瀝青混合料低約20 ～ 30 ℃成型. 其試驗(yàn)結(jié)果見表4.

由表4可知，5種瀝青混合料的動穩(wěn)定度均能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2017)的要求. 相比于全新瀝青混合料，溫拌再生改性瀝青混合料抗車轍性能更佳. 混合料抗車轍優(yōu)劣順序?yàn)?0%RAP＞30%RAP＞50%RAP＞20%RAP＞新SBS改性瀝青混合料. 40%RAP及30%RAP的活化能高于其余種類瀝青活化能，相比之下40%RAP及30%RAP瀝青混合料的動穩(wěn)定度次數(shù)高于其余種類瀝青混合料. 這是因?yàn)樵跍匕钘l件下，拌和壓實(shí)溫度低于熱拌條件，在這溫度下再生劑B中SBR可以充分發(fā)揮改性作用. 一方面SBR大分子互相連接形成空間骨架結(jié)構(gòu)，在抵抗高溫變形過程中，空間結(jié)構(gòu)防止瀝青流動，并且在其中起到支撐作用；另一方面，再生劑中再生分子及SBR分子填充瀝青分子間自由體積，使瀝青分子可活動空間變小，瀝青分子移動需要克服更大能壘，這從微觀角度說明瀝青流動需更大活化能，更多作用功作用于混合料中瀝青發(fā)生流動引起混合料形變.

圖4 不同RAP摻量下 lnη與1/T曲線圖Fig.4 Correlation between lnη and 1/T under different RAP contents

表4 不同RAP比例瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果(t=60 ℃)Tab.4 Test results of different RAP proportion asphalt mixture rutting (t=60 ℃)

由圖5(a)知，溫拌再生改性瀝青活化能與相對應(yīng)RAP摻量溫拌再生改性瀝青混合料車轍試驗(yàn)的動穩(wěn)定度存在正相關(guān)線性關(guān)系. 某一特定時(shí)間內(nèi)外荷載所作的功累積于瀝青內(nèi)部，當(dāng)達(dá)到瀝青發(fā)生流變行為的活化能時(shí)，瀝青發(fā)生流動并起到集料移動的潤滑劑，試件發(fā)生變形. 當(dāng)瀝青及瀝青膠漿填滿集料間空隙時(shí)，此時(shí)試件變形值趨于定值. 因動穩(wěn)定度是以試件在45 ～ 60 min內(nèi)發(fā)生的變形為計(jì)算依據(jù)，故活化能越大，在這時(shí)間段內(nèi)試件形變越小，動穩(wěn)定度越大.

圖5 DS、Eη與RAP摻量耦合關(guān)系Fig.5 Coupling relationship between DS, Eη, and RAP content

由圖5(b)知， 瀝青活化能在30%RAP為峰值，混合料動穩(wěn)定度在30%RAP與40%RAP間最大，可以通過擬合曲線變化觀察得出，活化能與動穩(wěn)定度關(guān)系為正相關(guān). 由此知，溫拌再生改性瀝青具有優(yōu)良高溫抗變形性能，可反映對應(yīng)瀝青混合料高溫性能.

3 結(jié)語

1) 溫拌再生改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)及流動活化能更高，在溫拌條件下進(jìn)行再生改性可以有效防止瀝青短期老化現(xiàn)象并且可以保證再生劑及SBR分子進(jìn)行充分再生改性，使得溫拌再生改性瀝青高溫性能及感溫性能得到了改善，再生劑A及B建議摻量分別為瀝青質(zhì)量的5%及舊瀝青質(zhì)量的4%.

2) 溫拌再生改性瀝青活化能大于復(fù)合瀝青，高溫黏度小于SBS瀝青. 溫拌再生改性瀝青混合料拌合成型溫度相對于熱拌瀝青混合料拌合成型溫度降低20 ～ 30℃，可以有效節(jié)能. 因溫度較低時(shí)，再生劑和SBR分子填補(bǔ)了分子間空穴，并形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，防止瀝清流動并提高瀝青抗變形性能. 溫拌再生改性瀝青車轍試驗(yàn)結(jié)果印證上述推論，溫拌再生改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性優(yōu)于熱拌瀝青混合料，RAP建議摻量為40%.

3) 溫拌再生改性瀝青混合料是一種新型環(huán)保材料，具有低成本、低能耗、資源重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn). 由于溫拌技術(shù)降低拌合及擊實(shí)溫度，再生分子及SBR充分發(fā)揮再生改性作用，可得到較熱拌瀝青混合料更優(yōu)良的抗變形性能，其他再生劑對溫拌再生改性混合料的研究有待后續(xù)進(jìn)一步研究.