曹雪娟,李志豪,張艷紅,李宇軒,劉望坤
(1.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400074;2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074;3.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100089;4.中國(guó)交建公路路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心,北京 100083;5.公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心,北京 100083;6.中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司,四川 成都 610081)
在舊瀝青混合料的再生過(guò)程中,使用瀝青再生劑可以使其具有更好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益[1]。曹榮吉等[2]發(fā)現(xiàn)再生劑的摻加可使再生瀝青混合料體系更加均勻。Martins Zaumanis等[3]通過(guò)研究表明,瀝青再生劑可有效提高再生瀝青混合料的路用性能。歐陽(yáng)自強(qiáng)[4]指出黏度較低的礦物油再生劑,抗老化能力較差,質(zhì)量損失嚴(yán)重。冉龍飛[5]通過(guò)多環(huán)芳烴含量評(píng)價(jià)貴州地區(qū)常用再生劑的環(huán)保性能,發(fā)現(xiàn)大部分再生劑的多環(huán)芳烴含量超標(biāo)。
以上研究表明,再生劑應(yīng)具備較好的抗老化性能和較優(yōu)的環(huán)保性,而再生劑降黏劑良莠不齊,需優(yōu)選出一種降黏劑,進(jìn)而制備出綜合性能優(yōu)良的瀝青再生劑[6]。
研究選擇了A、B、C、D、E 5種降黏劑,其中A、B為礦物油降黏劑,C、D、E為植物油降黏劑。再生劑R的黏度為284 mPa·s,5種降黏劑的黏度遠(yuǎn)小于再生劑R,均可用于降低R黏度。5種降黏劑與再生劑的黏度與來(lái)源見表1。
GSY-V型瀝青自動(dòng)抽提儀;RE-205型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器;ZH-123型針入度儀;R-416型軟化點(diǎn)儀;SYD-4508C型延度儀;Brookfield DV-II型黏度計(jì);B066N KIT型旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱;AR 2000型動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR);ATS彎曲梁流變儀(BBR);HT-030型全自動(dòng)瀝青混合料車轍實(shí)驗(yàn)機(jī);MT82-1200型萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)。
表1 降黏劑、再生劑的黏度與來(lái)源
老化瀝青通過(guò)舊瀝青混合料抽提和旋轉(zhuǎn)蒸餾器法獲得,舊瀝青混合料中所用瀝青為SBS改性瀝青,該路面已服役8年時(shí)間。老化瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度見表2。由表可知,瀝青老化后針入度降低、延度下降,不能滿足規(guī)范要求。
表2 老化瀝青針入度、軟化點(diǎn)和延度
再生瀝青混合料性能評(píng)價(jià)時(shí)需要確定瀝青混合料的級(jí)配,舊瀝青混合料為SMA-13型級(jí)配,建設(shè)初期的設(shè)計(jì)級(jí)配、舊料級(jí)配和再生混合料級(jí)配曲線見圖1。
圖1 瀝青混合料級(jí)配曲線
由圖1可知,道路服役過(guò)程中粗集料發(fā)生明顯細(xì)化現(xiàn)象,4.8 mm和9.5 mm檔集料通過(guò)率增加,超出規(guī)范要求。研究摻加10%含量的新集料調(diào)整舊料級(jí)配,再生瀝青混合料的級(jí)配接近原設(shè)計(jì)級(jí)配。
研究首先通過(guò)旋轉(zhuǎn)薄膜老化實(shí)驗(yàn)(RTFOT)測(cè)試5種降黏劑的質(zhì)量損失,選擇質(zhì)量損失較低的降黏劑加入再生劑,之后測(cè)試再生劑再生瀝青膠結(jié)料與混合料的性能[7]。
再生劑應(yīng)具備較好的抗老化性能,旋轉(zhuǎn)薄膜老化實(shí)驗(yàn)(RTFOT)常用于模擬瀝青在高溫拌合與壓實(shí)過(guò)程中的短期老化,研究采用RTFOT的質(zhì)量損失指標(biāo)表征降黏劑的抗老化性能,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。
圖2 降黏劑的質(zhì)量損失
由圖2可知,礦物油基降黏劑A、B的質(zhì)量損失分別為12.1%,4.4%,均高于《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTGF 41—2008)中再生劑質(zhì)量損失≤3%的要求。植物油基降黏劑C、D、E的質(zhì)量損失分別為0.5%,0.2%和1.2%,D的質(zhì)量損失最低。此外,植物油基降黏劑具有綠色可再生的優(yōu)點(diǎn),而礦物基降黏劑為不可再生資源。因此,優(yōu)選質(zhì)量損失最低的D作為再生劑的降黏劑。降黏劑成本較高,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)確定降黏劑在再生劑中的摻量為10%。
2.2.1 再生劑最佳摻量 瀝青再生劑摻加降黏劑后應(yīng)具有較好的路用性能,根據(jù)相關(guān)研究文獻(xiàn)表明[8-9],以老化瀝青針入度恢復(fù)至原樣瀝青水平是確定再生劑摻量的可靠方法。因此,研究分別將3%,6%和9%的再生劑加入老化瀝青,進(jìn)而確定再生劑的最佳摻量,見圖3。
由圖3可知,將3%,6%和9%再生劑摻量下再生瀝青的針入度線性回歸。原樣瀝青的針入度為59.2,以再生瀝青針入度恢復(fù)至原樣瀝青水平為標(biāo)準(zhǔn),確定再生劑的最佳摻量為4.5%。在后面的瀝青膠結(jié)料與混合料實(shí)驗(yàn)中,再生劑的摻量均為4.5%。
圖3 不同再生劑摻量下再生瀝青針入度
2.2.2 膠結(jié)料高溫性能 瀝青是一種典型的溫感性材料,在不同溫度下表現(xiàn)出不同的黏彈特性。通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)對(duì)老化瀝青、再生瀝青和原樣瀝青40~85 ℃溫度掃描,分析3種瀝青的溫感特性,并通過(guò)車轍因子指標(biāo)表征瀝青的高溫性能,見圖4。
圖4 瀝青溫度掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果
復(fù)數(shù)模量(G*)越大表示瀝青的勁度越大,抗流動(dòng)變形能力就越強(qiáng)。相位角(δ)可反應(yīng)瀝青的黏彈成分組成,瀝青相位角越大,瀝青中黏性組分越高,彈性組分越低。車轍因子(G*/sinδ)可用于表征瀝青在高溫條件下的抗變形能力,車轍因子值越大,瀝青的流動(dòng)變形越小,瀝青的抗車轍能力就越強(qiáng)。由圖4a可知,隨著溫度的升高,老化瀝青、再生瀝青和原樣瀝青的復(fù)數(shù)模量降低,相位角增加。表明溫度升高后,瀝青的黏性組分增加,彈性組分降低,瀝青抗變形能力下降。老化瀝青復(fù)數(shù)模量大于原樣瀝青,原樣瀝青復(fù)數(shù)模量與再生瀝青相近,表明再生劑有效恢復(fù)了老化瀝青的復(fù)數(shù)模量。老化瀝青相位角低于原樣瀝青,再生瀝青相位角也低于原樣瀝青,表明再生劑只能部分恢復(fù)老化瀝青的黏彈組成。
由圖4b可知,隨著溫度升高車轍因子下降,表明溫度越高,瀝青抗車轍能力越差。在相同溫度下,3種瀝青的車轍因子從大到小依次為老化瀝青、再生瀝青、原樣瀝青,表明再生劑的加入會(huì)降低老化瀝青的抗車轍性能,但再生瀝青抗車轍性能仍舊優(yōu)于原樣瀝青。
2.2.3 膠結(jié)料低溫性能 采用彎曲梁流變儀(BBR)測(cè)試瀝青在-12 ℃的低溫性能,通過(guò)瀝青抵抗恒載的能力的蠕變勁度與荷載作用下的瀝青勁度變化速率m值進(jìn)行表征,測(cè)試結(jié)果見圖5。
圖5 瀝青彎曲梁流變儀測(cè)試結(jié)果
由圖5可知,瀝青老化后蠕變勁度顯著升高,蠕變速率顯著下降,表明老化使得瀝青硬化,低溫下更易開裂。隨著再生劑的加入,老化瀝青蠕變勁度下降,蠕變速率升高,表明再生劑改善了老化瀝青的低溫抗裂性能。
2.3.1 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能 研究進(jìn)行了60 ℃瀝青混合料車轍實(shí)驗(yàn),通過(guò)動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)表征了再生瀝青混合料、原樣瀝青混合料和老化瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。瀝青混合料級(jí)配采用前文所述的SMA-13。車轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。
由圖6可知,再生瀝青混合料、原樣瀝青混合料和老化瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別為3 701,7 256,5 953次/mm。表明摻加再生劑對(duì)再生瀝青混合料抵抗車轍變形的能力不利,但再生瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度高于規(guī)范值3 000次/mm,滿足路面使用要求。SBS改性瀝青混合料老化后高溫抗車轍能力降低,因?yàn)镾BS在使用過(guò)程中發(fā)生老化分解,進(jìn)而降低了混合料的抗變形能力。
圖6 瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度
2.3.2 瀝青混合料低溫抗裂性能 瀝青混合料在低溫下易發(fā)生開裂,小梁低溫彎曲實(shí)驗(yàn)的彎拉應(yīng)變指標(biāo)常用于表征瀝青混合料的低溫性能,彎拉應(yīng)變?cè)酱蟊砻鞯蜏叵禄旌狭献冃文芰υ胶茫讲蝗菀装l(fā)生開裂。研究測(cè)試了-10 ℃條件下再生瀝青混合料、原樣瀝青混合料和老化瀝青混合料的小梁彎曲變形,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7。
圖7 瀝青混合料低溫彎拉應(yīng)變
由圖7可知,再生瀝青混合料、原樣瀝青混合料和老化瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別為2 781,3 802,1 881 με,表明摻加再生劑改善了再生瀝青混合料低溫抗裂性能。《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中要求冬溫區(qū)改性瀝青混合料-10 ℃彎拉應(yīng)變不低于2 500 με,老化瀝青混合料-10 ℃彎拉應(yīng)變低于規(guī)范要求,再生瀝青混合可滿足規(guī)范要求。
(1)植物油基降黏劑質(zhì)量損失低于礦物油基降黏劑,優(yōu)選了一種綠色可再生的植物油基降黏劑D。
(2)通過(guò)針入度指標(biāo)確定了再生劑最佳摻量為4.5%,再生瀝青膠結(jié)料與混合料實(shí)驗(yàn)表明,再生劑在4.5%摻量下可基本恢復(fù)老化瀝青性能至原樣瀝青水平。
(3)再生劑可部分恢復(fù)老化瀝青復(fù)數(shù)模量和相位角,再生瀝青車轍因子高于原樣瀝青。再生劑降低了老化瀝青低溫蠕變勁度,提高了老化瀝青勁度變化速率,改善了老化瀝青低溫抗裂性能。
(4)再生瀝青混合料高溫性能低于原樣瀝青水平,但可以滿足規(guī)范對(duì)于動(dòng)穩(wěn)定度的要求。再生劑改善了老化瀝青混合料的低溫抗裂性能,但還需進(jìn)一步提升。