老化公路SBS改性沥青多次再生的流变性能与耐久性研究

2020-05-15李伟

公路工程 2020年2期

李伟

(1.青海交通职业技术学院，青海西宁 810003； 2.兰州交通大学，甘肃兰州 730070)

0 引言

十三五规划明确提出对于资源的节约集约利用原则，对于废旧沥青路面的回收和再生利用成为较为热门的研究对象。SBS改性沥青具有良好的粘弹性，在我国沥青路面中已经有较大规模的应用，部分已经开始进行一次或多次再生，但对于SBS改性沥青多大程度上保证了其流变特性争议较大[1]。Moham-mad、Xu 等[2-3]的研究认为 SBS裂解是导致沥青老化的主因，再生沥青会导致沥青的改性效果减弱；Cooper等[4]研究发现可以通过再生剂调整老化沥青成分，达到部分恢复的效果；国内部分学者研究发现再生剂可恢复部分性能，但其稳定性与低温性能较差[5-8]。我国《公路沥青路面再生技术规范》( JTG F41—2008)并未对改性沥青进行明确定义和解释。本文选取随岳高速S49某段老化废弃沥青路面为研究对象，提取其老化SBS改性沥青，在室内进一步老化和再生，并结合温度扫描、重复加载和完全流变试验对其流变性和低温耐久性进行了定量化的分析研究。

1 试验设计方案

已有研究成果发现，矿料的胶浆特性是决定改性沥青材料的低温抗裂性和疲劳耐久性的关键因素[9]。本试验主要通过沥青胶浆样品进行温度扫描、重复加载和弯曲流变试验综合评价其流变性能。

1.1 试验原材料

试验所使用的SBS改性沥青提取自随岳高速公路的废弃路面，其主要性能指标中，25 ℃针入度为39，软化点65 ℃，5℃延度18，弹性恢复25 ℃为70%。采用的再生剂为SA-200型，其主要指标见表1。沥青混合料的粉胶比一般控制在0.6～1.2之间，研究不同粉胶比的沥青胶浆流变性能后发现0.8的沥青胶浆能够拥有较好的低温耐久

表1 SA-200再生剂主要指标Table1 Mainindicatorsofsa-200reagents项目技术要求指标值60℃粘度12500～3750017500闪点(℃)大于220270旋转前后粘度比小于3-0.0115℃密度(g·mm-3)-0.89

性[10]。为保证试验结果一致性，试验采用粉胶比为0.8的比例进行配置，所使用的矿粉为石灰岩矿粉，其主要技术指标见表2。

表2 石灰石矿粉的主要技术指标Table2 Maintechnicalindexesoflimestoneorepowder项目指标要求检测值表观密度大于2.5g/mm32.7含水率小于1%0.25亲水系数小于10.8塑性指数小于4%3

1.2 试样设备

沥青在储存与运输、风化剥蚀和碾压过程中发生的性状改变、流变特性变差等现象均可归为老化。老化沥青可以从老化的公路路面中提取，或者利用室内模拟老化设备进行劣化处理。后者对于定量化研究改性沥青多次老化性能具有一定优势。

采用旋转薄膜烘烤箱对SBS沥青进行初次老化，在叠加老化(PAV)得到；然后再叠加9%再生剂重复以上老化过程获得二次再生改性样品，依此类推能够进行多次老化与再生，见图1。

图1 旋转薄膜烘烤箱(左)与PAV老化仪(右)

Figure 1 Rotating film oven (left) and PAV aging instrument (right)

1.3 试样制备

为防止矿粉沉降，试验制备过程中和高温试验尽量完成。温度频率扫描试验采用直径25 mm的模具制样，动态剪切流变试验采用标准8 mm模具，重复加载试验采用8mm直径模具制样，弯曲流变试验根据仪器配套的模具制造样品,见图2。

图2 弯曲流变试验样品Figure 2 Bending rheological test sample

1.4 试验方案

拟采用动态剪切流变试验中的温度扫描方法评价沥青胶浆在多次再生后的高温抗车辙性能，通过重复加载试验评价沥青胶浆多次再生后的中温抗疲劳性能，最后利用弯曲流变试验分析样品低温抗裂性能。结合试验数据生成劲度模量S和蠕变因子随温度的变化曲线，并进行回归分析。

a.温度频率扫描试验。

沥青胶浆较为敏感，通过温度与频率扫描方式可以测试沥青胶浆中的车辙因子、疲劳因子等高温和中温耐久性。为保证试验过程的可重复性，试验将温度扫描试验设置为：板间间隔为1 mm，板宽度为25 mm，扫描频率为1.6 Hz，温度范围25～65 ℃，每次扫描间隔为5 ℃。

b.重复加载试验。

目前主流评价胶结破坏的标准定义之一是材料的复数模量衰减50%，这一阶段材料出现微裂纹，相关研究表明沥青胶浆的抗疲劳性能与混合料的相关系在70%～90%[11]。试验选取符合路面实际情况的试验频率15 Hz，试验路面发生疲劳破坏的温度15 ℃，沥青胶浆的应变率控制为1%。比较多次再生沥青样品的试验结果，从而蝴蝶沥青胶浆复数剪切模量和衰减曲线。

c.弯曲流变试验。

低温条件条件下，热板沥青混合料易产生温差裂缝和反射裂缝。温度下降过程中由于沥青混合料的收缩产生温度内应力，当内应力不断积蓄达到材料的容许应力强度时即发生破坏。动态剪切流变试验和弯曲流变试验能够精确判断沥青材料的流变性能。考虑到低温条件下剪切流变试验不好控制材料的粘弹性范围，采用弯曲流变试验评价材料的低温性能。

试验中，采用的小梁尺寸为127 mm×12.7 mm×6.35 mm，试验采用自动加载方式，加载分为4个阶段：第一，第1 s内施加 980 MN 的初级荷载，第二，荷载逐渐降低至35 MN并持续20 s，第三阶段对样品施加980 MN荷载并维持 240 s，最后逐渐降低荷载至35 MN，试验完毕。加载过程中，感应计每隔0.5 s自动记录材料承受的荷载和变形。

2 试验结果评价

2.1 温度频率扫描试验

SBS改性沥青通过多次老化再生后的温度扫描试验，获取了温度与复数剪切模量的关系，见图3。

图3 温度与车辙因子扫描曲线Figue 3 Scanning curve of temperature and rut factor

从图3可以看出，当温度在30～40 ℃时，随着温度升高车辙因子有显著降低趋势，初步分析是因为沥青胶浆的相变造成；当温度超过40 ℃后，车辙因子趋于平缓，与温度相关性显得较弱。当沥青胶浆老化后其车辙因子有显著增大，随着老化次数的增多，再生沥青的抗车辙能力逐渐增强，说明改性沥青胶浆的抗车辙能力是有利的。

为定量分析和预测多次再生改性沥青车辙因子与温度的关系，对试验结果进行回归分析，得到如下计算公式：

(1)

式中：G代表车辙因子,KPa;t代表试验温度,℃，n代表老化再生次数。

2.2 重复加载试验

重复加载试验定义沥青胶浆试样在同一工况下进行次数为15万次的重复加载试验，弱衰减值50%G，代表胶浆破坏。通过比较多次再生胶浆的衰减程度和曲线，对其抗疲劳性能进行评价。重复加载试验获得的G衰减曲线见图4。

图4 重复加载试验样品的衰减曲线Figure 4 Attenuation curves of test samples under repeated loading

由图4可以反向，当老化再生次数增加，沥青胶浆的衰减曲线开始变陡。一次再生样品的曲线形态与原装沥青胶浆最为接近，具备良好的再生效果，第二次和第三次再生效果较差。多次再生胶浆重复加载后抗疲劳能力为：原样>一次再生>二次再生>三次再生，性能逐渐衰减。但是二次老化与三次再生的衰减程度差别较小，一般为2%～3%，说明再生剂的使用仅能够降低沥青胶浆的G*，而无法恢复沥青胶浆抗疲劳的衰减速率。通过回归分析，重复加载次数与G*的关系公式可以用下式来表达：

G*=5 500-(0.1+0.113n)a

(2)

式中：a代表重复加载次数;G*代表样品的抗疲劳性能。

2.3 弯曲流变试验

国内外目前没有较为统一的弯曲流变性能试验方法标准，本文设计弯曲流变试验来模拟多次老化再生沥青胶浆的低温特性规律，试验结果见表4。劲度模数S表征材料在给定荷载和温度条件下的应力应变总值，低温条件和短荷载作用下，模数S接近于材料弹性模量，长荷载作用下模数S接近于弹性模型。蠕变斜率m表征着劲度模数S在给定温度下的时间变化斜率。

由图5可知，沥青胶浆的劲度模数与再生次数呈反向关系，由于再生剂的加入，沥青胶浆的粘性因子较原装样品有明显增加。多次再生后沥青胶浆的m值不具有明显的规律性，但是通过m曲线可以发现沥青老化可以适当降低沥青胶浆的m值，

表4 SBS改性沥青弯曲流变性能结果Table4 BendingrheologicalpropertiesofSBSmodifiedasphalt样品劲度模数S与蠕变斜率m-5℃-10℃-20℃-25℃S/MPamS/MPamS/MPamS/MPam原状样470.4551550.3343600.2668110.1771次老化1120.3923330.3117110.24410020.1451次再生320.4771000.4112440.3404620.2202次老化1000.4112880.3335500.27211200.1882次再生230.501880.4552110.3454290.2883次老化880.4231950.3694440.3119990.2443次再生250.522770.4551890.4113880.309