就地?zé)嵩偕邷丶訜釋?duì)不同深度老化瀝青流變性能的影響

單 崗， 袁 媛， 龐露林， 周凌波， 李 寧， 詹 賀

(1.浙江交通資源投資有限公司，杭州 310020；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310012；3.浙江順暢高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)有限公司，杭州 310051；4.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098)

高速公路養(yǎng)護(hù)面臨著基礎(chǔ)建設(shè)原材料緊缺與產(chǎn)生大量的廢舊路面材料(RAP)的多重矛盾，RAP的高效再生利用將成必然的發(fā)展趨勢(shì)。就地?zé)嵩偕夹g(shù)憑借其100%利用RAP，符合建設(shè)資源節(jié)約環(huán)保型的綠色社會(huì)需要，在高速公路大中修養(yǎng)護(hù)中發(fā)揮著重要作用。研究人員對(duì)就地?zé)嵩偕夹g(shù)的加熱方式、防止老化瀝青二次老化等方面做了大量的研究，以期獲得性能良好的再生瀝青混合料。

董強(qiáng)柱[1]通過室內(nèi)模擬加熱試驗(yàn)提出了一種瀝青路面連續(xù)式變功率的加熱方法，可以使路表溫度保持180 ℃，減輕對(duì)原路面瀝青的二次老化；葉操[2]通過模擬加熱試驗(yàn)得到間歇式加熱可以在短時(shí)間內(nèi)提升路面加熱溫度；馬濤[3]在實(shí)體工程應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)加熱后的路表焦糊嚴(yán)重，通過調(diào)整就地?zé)嵩偕O(shè)備行走速度和往返方式來降低路面溫度，但路表溫度仍高達(dá)200 ℃；顧海榮等[4]對(duì)單步法和多步法進(jìn)行了對(duì)比研究，多步法可以有效提升瀝青路面加熱速度，且節(jié)省加熱時(shí)間和能源。李健[5]、陳靜云[6]對(duì)老化程度較大的瀝青分別選用丁苯橡膠(styrene-butadiene-rubber,SBR)膠乳和高滲透性再生劑來改善瀝青性能，試驗(yàn)表明再生瀝青混合料的低溫性能均得到有效提升。

目前進(jìn)行就地?zé)嵩偕匣癁r青性能評(píng)價(jià)時(shí)，通常采用冷取樣的方式抽提回收老化瀝青，未考慮高溫加熱對(duì)表面層瀝青造成二次老化引起室內(nèi)外再生效果的差異?，F(xiàn)應(yīng)用紅外熱像儀測(cè)量就地?zé)嵩偕鱾€(gè)加熱階段瀝青路面的路表溫度；在測(cè)試溫度最高點(diǎn)取樣分層抽提老化瀝青，采用常規(guī)性能試驗(yàn)、布氏旋轉(zhuǎn)黏度(rotational viscosity, RV)、動(dòng)態(tài)剪切流變(dymamic shear rheology, DSR)、彎曲梁流變(bending beam rheology, BBR)試驗(yàn)研究高溫加熱對(duì)不同深度老化瀝青高低溫流變性能的影響。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

老化瀝青均來自于浙江省滬杭甬高速2018年瀝青路面就地?zé)嵩偕鷮ｍ?xiàng)養(yǎng)護(hù)工程RAP料，原路面使用年限為8年，為了分析上面層瀝青的老化梯度，將上面層4 cm瀝青混合料分層(上2 cm、下2 cm)進(jìn)行瀝青回收。

1.1.1 老化瀝青抽提方法

結(jié)合文獻(xiàn)[7-8]中瀝青回收的優(yōu)化方法，采用礦粉自然沉降與高速離心的組合方式去除抽提液中的礦粉，將抽提液自然沉降24 h后取上層1/3進(jìn)行離心，應(yīng)用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)法回收瀝青。

1.1.2 原路面老化瀝青

從原路面冷切割瀝青混合料板，在每個(gè)樣品中隨機(jī)選取塊狀瀝青混合料加熱軟化，分別對(duì)上面層表面2 cm(簡(jiǎn)稱S2，下同)、下2 cm(X2)和整體4 cm(Q4)RAP抽提回收老化瀝青。

1.1.3 原路面經(jīng)高溫加熱后老化瀝青

選取就地?zé)嵩偕┕r(shí)原路面表面層溫度達(dá)240 ℃的瀝青混合料，分別取上面層表面2 cm(RS2)、下2 cm(RX2)和整體4 cm(RQ4)的RAP進(jìn)行抽提回收老化瀝青。

1.2 試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)方案

為了研究原路面自然老化和經(jīng)加熱機(jī)加熱對(duì)不同老化梯度瀝青流變性能的影響，對(duì)不同深度瀝青混合料抽提回收老化瀝青，分別進(jìn)行三大指標(biāo)：布氏旋轉(zhuǎn)黏度(rotational viscosity, RV)、動(dòng)態(tài)剪切流變(dymamic shear rheology,DSR)、彎曲梁流變(bending beam rheology, BBR)的試驗(yàn)。

1.2.2 常規(guī)性能試驗(yàn)

依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20—2011[9]測(cè)試三大指標(biāo)。由于SBS改性瀝青在長(zhǎng)期老化下其優(yōu)良的低溫延度變形特性下降較快，5 ℃延度不能有效反映瀝青老化延展特性，依照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》JTG/T 5521—2019[10]采用15 ℃延度評(píng)價(jià)老化瀝青的中溫延展性。

1.2.3 布氏旋轉(zhuǎn)黏度(RV)測(cè)試

黏度是評(píng)價(jià)瀝青高溫性能和和易性的重要指標(biāo)，就地?zé)嵩偕┕r(shí)老化瀝青黏度大小必須要適當(dāng)，以保證良好的路用性能，測(cè)試不同溫度下(110、135、150、160 ℃)老化瀝青的黏度。

1.2.4 動(dòng)態(tài)剪切流變(DSR)測(cè)試

采用TA-AR1500ex DSR(采用25 mm的平行板，板間距為1 mm)對(duì)老化瀝青進(jìn)行溫度掃描和頻率掃描，試驗(yàn)溫度范圍為58～76 ℃，間隔溫度為6 ℃，頻率掃描范圍為0.1～100 rad/s，評(píng)價(jià)指標(biāo)為失效溫度(fail temperature)[11]。

1.2.5 彎曲梁流變儀(BBR)測(cè)試

BBR試驗(yàn)溫度為-18 ℃，測(cè)試不同深度老化瀝青的蠕變勁度(S)和蠕變速率(m)，以評(píng)價(jià)低溫流變性能。

1.2.6 紅外熱像儀測(cè)試

采用FLUKE TiS50紅外熱像儀，探測(cè)器分辨率為220×165(36 300像素)，視場(chǎng)角為35.7°× 26.8°，溫度測(cè)量范圍為-20～450 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 路表溫度檢測(cè)

采用FLUKE TiS50紅外熱像儀檢測(cè)瀝青路面表面層各個(gè)加熱階段的溫度分布情況，見圖1。為進(jìn)一步了解溫度在同一橫截面的分布情況，分別在路邊、側(cè)邊與路中、路中選取溫度測(cè)量點(diǎn)，對(duì)比整個(gè)加熱過程中同一橫截面的路表溫度分布狀況，見圖2。

圖1 瀝青路面各個(gè)加熱階段紅外熱成像圖Fig.1 Infrared thermal imaging of asphalt pavement in different heating stages

圖2 同一截面溫度分布Fig.2 Temperature distribution in the same section

就地?zé)嵩偕t外熱輻射加熱可以有效提升路面溫度，在20～30 min內(nèi)可以將路表溫度提升至200 ℃，部分高達(dá)240 ℃，路槽溫度高于100 ℃，可以實(shí)現(xiàn)再生層與中面層具有良好的熱黏接。在加熱過程中車道側(cè)邊與車道中間溫度較低，其中間部分溫度高，同一橫截面上存在溫度離析(圖2)，說明表面加熱不均勻。

瀝青的導(dǎo)熱系數(shù)較低，僅為玄武巖的1/10[12]，高溫加熱時(shí)使熱量集中聚集在表面層，短時(shí)間內(nèi)很難滲透到下面，導(dǎo)致表面層瀝青加速老化，文獻(xiàn)[13]表明為了保證再生瀝青混合料的質(zhì)量，路面加熱溫度不應(yīng)大于180 ℃。本研究中就地?zé)嵩偕┕み^程時(shí)部分表面層溫度達(dá)到240 ℃，部分路表出現(xiàn)了泛油、焦糊的現(xiàn)象，可見表面層瀝青材料在高溫條件下發(fā)生了二次老化。

2.2 常規(guī)性能測(cè)試

采用常規(guī)性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)不同深度老化瀝青的高低溫性能，試驗(yàn)結(jié)果見表1。由于不同深度瀝青的老化程度不同，引入“老化梯度”來表征不同深度瀝青的老化情況，同時(shí)便于對(duì)比高溫加熱前后不同深度老化瀝青的指標(biāo)差異，老化梯度結(jié)果見圖3。根據(jù)不同深度瀝青進(jìn)行編號(hào)，如“S2-X2”表示表面層2 cm與下2 cm測(cè)試指標(biāo)差值的絕對(duì)值，“RX2-RQ4”表示經(jīng)高溫加熱后表面層2 cm與上面層整體4 cm測(cè)試指標(biāo)差值的絕對(duì)值。

表1 不同狀態(tài)老化瀝青試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of aged asphalt in different states

圖3 不同深度瀝青老化梯度Fig.3 Aged gradient of asphalt with different depths

從表1可以看出，在自然老化狀態(tài)下，S2與X2在15 ℃延度、針入度等低溫指標(biāo)上相差較大，說明上面層在自然老化狀態(tài)下瀝青存在明顯的老化梯度，即與環(huán)境直接接觸的表面層瀝青老化最為嚴(yán)重，從上到下瀝青老化程度逐步減小。從圖3可以看出，高溫加熱后RS2與RX2、RQ4在15 ℃延度、針入度、軟化點(diǎn)的差異大于原路面，RX2與X2的指標(biāo)變化相差不大，說明高溫加熱主要影響表面層瀝青的性能，對(duì)下2 cm瀝青性能影響不大，從而導(dǎo)致不同深度瀝青的老化梯度增大。

2.3 溫度敏感性研究

黏度是表征瀝青高溫性能及高溫流動(dòng)性的重要指標(biāo)之一，老化瀝青的黏度隨溫度變化規(guī)律可以反映就地?zé)嵩偕访娴穆酚眯阅?，體現(xiàn)老化瀝青的溫度敏感性[14]。圖4給出了不同深度老化瀝青的黏度隨溫度的變化規(guī)律。根據(jù)ASTM 2493推薦的Saal公式對(duì)不同溫度下黏度進(jìn)行回歸，并做lgη與lgT的黏溫曲線圖(圖5)，回歸方程的斜率絕對(duì)值為黏溫指數(shù)(VTS)(圖6)，黏溫指數(shù)越高，則老化瀝青的溫度敏感性就越大[15]。

不同深度老化瀝青的黏度隨溫度的升高而降低，由圖4可以看出高溫加熱對(duì)老化瀝青的黏度影響較大，RS2的黏度增長(zhǎng)幅度最為明顯，RX2的黏度增長(zhǎng)較小，S2的和易性整體優(yōu)于RS2。

圖5可以看出不同深度老化瀝青的黏溫曲線關(guān)系較符合Saal公式，均有較好的線性相關(guān)性，結(jié)果比較可靠。表面層老化瀝青經(jīng)高溫加熱后黏溫指數(shù)增大，說明高溫加熱導(dǎo)致老化瀝青發(fā)生了二次老化，導(dǎo)致RS2在高溫條件下(>100 ℃)的溫度敏感性不利，同時(shí)可以看出瀝青過度老化對(duì)溫度敏感性影響較大。

2.4 高溫流變性能研究

DSR測(cè)試得到G*和δ表征瀝青高溫流變性能

圖4 不同深度老化瀝青黏度-溫度規(guī)律Fig.4 Viscosity-temperature law of aged asphalt with different depths

圖5 不同深度老化瀝青黏溫曲線Fig.5 Viscosity-temperature curve of aged asphalt with different depths

的基本參數(shù)，采用G*/sinδ、失效溫度評(píng)價(jià)不同深度老化瀝青的高溫流變性能[16]，以車轍因子對(duì)數(shù)值和測(cè)試溫度的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，得出對(duì)應(yīng)的擬合曲線公式，根據(jù)該線性擬合公式，計(jì)算G*/sinδ=1.0 kPa，即lg(G*/sinδ)=0時(shí)的溫度，即失效溫度，結(jié)果見表2。不同深度老化瀝青車轍因子見圖7，不同深度老化瀝青l(xiāng)g(G*/sinδ)-T圖見圖8。

圖6 不同深度老化瀝青VTS值Fig.6 VTS values of aged asphalt with different depths

圖7 不同深度老化瀝青車轍因子Fig.7 G*/sinδ of aged asphalt with different depths

圖8 不同深度老化瀝青l(xiāng)g(G*/sinδ)-T圖Fig.8 lg(G*/sinδ)-T diaram of aged asphalt with different depths

表2 不同深度老化瀝青的失效溫度Table 2 Fail temperature of aging asphalt with different depths

由圖7可以看出，經(jīng)過高溫加熱后老化瀝青的G*增大，相位角δ減小，導(dǎo)致G*/sinδ增大，老化瀝青抵抗高溫流變變形能力增強(qiáng)，即瀝青中黏性成分減少，彈性成分增大。經(jīng)過高溫加熱后不同深度老化瀝青的失效溫度呈現(xiàn)整體上升的趨勢(shì)，即高溫性能逐漸升高。相比于原路面老化瀝青，RS2、RX2、RQ4的失效溫度分別增長(zhǎng)了3.37%、2.27%、1.36%，說明加熱后的表面層瀝青高溫流變性能增長(zhǎng)較為顯著。

2.5 低溫流變性能研究

采用-18 ℃時(shí)的蠕變勁度S(低溫勁度模量)和m(蠕變勁度模量)來評(píng)價(jià)不同深度老化瀝青的低溫流變性能，S越大則老化瀝青的低溫彎曲流變性能越差，m越大則老化瀝青的松弛能力越強(qiáng)[17]。BBR試驗(yàn)結(jié)果見圖9、圖10。

圖9 勁度模量SFig.9 Stiffness modulus S

圖10 勁度模量mFig.10 Stiffness modulus m

原路面老化瀝青經(jīng)過高溫加熱后，S增大，m減小，由于高溫加熱導(dǎo)致老化瀝青發(fā)生了嚴(yán)重的二次老化，導(dǎo)致瀝青中的大分子含量增加，瀝青變硬變脆，低溫抗裂性能顯著下降，RX2和X2由于受到表面層的保護(hù)作用，經(jīng)高溫加熱后低溫抗裂性能下降較小。綜合車轍因子、失效溫度來看，表面層瀝青在就地?zé)嵩偕┕み^程時(shí)由于表面溫度加熱過高原路面老化瀝青發(fā)生了二次老化，瀝青變硬變脆，導(dǎo)致老化瀝青的低溫性能下降明顯。

3 結(jié)論

通過紅外熱成像儀觀察路面表面層溫度的分布情況，研究了高溫加熱對(duì)不同深度老化瀝青高、低溫流變性能的影響，得到以下結(jié)論。

(1)紅外熱像儀溫度分布圖顯示，原路面經(jīng)高溫加熱后路表部分區(qū)域溫度高達(dá)240 ℃，路表瀝青發(fā)生了二次老化；路槽溫度高于100 ℃，可以實(shí)現(xiàn)再生層與中面層具有良好的熱黏接；同一橫截面上不同區(qū)域存在溫度離析。

(2)從常規(guī)指標(biāo)來看，上面層瀝青在自然老化狀態(tài)下存在明顯的老化梯度，從上到下瀝青老化程度逐步降低，高溫加熱后老化梯度增大。

(3)根據(jù)黏溫曲線可以看出，表面層老化瀝青經(jīng)高溫加熱后表面層VTS增大，高溫加熱導(dǎo)致老化瀝青發(fā)生了二次老化，導(dǎo)致RS2在高溫條件下(大于100 ℃)的溫度敏感性不利。

(4)原路面老化瀝青經(jīng)高溫加熱后，黏度、軟化點(diǎn)、車轍因子及失效溫度增加，低溫勁度模量S增加的同時(shí)蠕變勁度模量m顯著下降，高溫加熱后老化瀝青發(fā)生了二次老化，具體表現(xiàn)為老化瀝青高溫能力提升，低溫性能下降明顯，因此需要重點(diǎn)關(guān)注由于加熱溫度過高對(duì)表面層瀝青流變性能的影響。