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        新-舊SBS改性瀝青混合再生規(guī)律

        2021-11-17 07:02:26鄒桂蓮劉新海
        廣東公路交通 2021年5期
        關(guān)鍵詞:針入度調(diào)和老化

        秦 歡, 吳 欣,鄒桂蓮,劉新海

        (1.保利長大工程有限公司,廣州 510620;2.廣州市高速公路有限公司,廣州 510289;3.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣州 510640;4.廣東華路交通科技有限公司,廣州 510420)

        0 引言

        老化瀝青再生利用技術(shù)一直是行業(yè)內(nèi)的熱點(diǎn)研究方向之一,已有成功的再生瀝青路面應(yīng)用案例證明了該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和環(huán)境效益[1-4]。規(guī)范JTG/T 5521-2019中的新舊瀝青調(diào)和再生法則以60℃動(dòng)力黏度作為目標(biāo)參數(shù)。SBS改性瀝青的60℃動(dòng)力黏度測試?yán)щy且誤差較大[5],基于60℃動(dòng)力黏度建立的調(diào)和方程并不適合于指導(dǎo)改性瀝青的混合再生,因此選擇合適的目標(biāo)參數(shù)成為研究新-舊SBS改性瀝青混合再生規(guī)律的關(guān)鍵點(diǎn)。鄒桂蓮、秦歡[6-7]等人發(fā)現(xiàn)延度、粘韌性以及G*/sinδ對(duì)SBS的老化最為敏感,一次和二次再生后的瀝青流變特性恢復(fù)效果較好。甘立新、李立寒、張皓等人[8-10]發(fā)現(xiàn)添加再生劑或新SBS類改性瀝青可使老化瀝青的針入度、延度和粘韌性恢復(fù)至老化前的水平。Stimilli[11]等人使用三種不同SBS含量的原樣改性瀝青對(duì)老化瀝青進(jìn)行再生,發(fā)現(xiàn)混合再生瀝青的SBS含量隨老化瀝青摻量的增加而提高,同時(shí)硬度不斷增大。

        本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上[6-11],室內(nèi)采用延時(shí)RTFOT自制R(20-30)、R(10-20)老化瀝青,再分別使用I-D、I-C、I-B三類原樣SBS改性瀝青對(duì)R(10-20)瀝青進(jìn)行混合再生,研究新-舊SBS改性瀝青混合再生的規(guī)律,以期為回收SBS改性瀝青混合料的再生利用提供方法參考。

        1 試驗(yàn)材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        1.1.1 原樣及老化SBS改性瀝青

        為模擬瀝青路面實(shí)際使用過程中的老化,參考已有研究成果[12]在室內(nèi)采用延時(shí)RTFOT試驗(yàn)代替PAV試驗(yàn)對(duì)新SBS I-D(40-60)改性瀝青進(jìn)行老化,將旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱溫度設(shè)置為170℃、噴氣嘴空氣流量設(shè)置為5 000ml/min±200ml/min。經(jīng)多次試驗(yàn)探究,分別老化3h、5h得到R(20-30)、R(10-20)老化瀝青。R(20-30)瀝青與山東省某公路回收瀝青的針入度相當(dāng),R(10-20)與廣東省SBS(I-D)改性瀝青使用8~10年的老化程度相當(dāng)。I-D(40-60)、R(20-30)、R(10-20)瀝青的基本性能指標(biāo)見表1。

        表1 I-D(40-60)、R(20-30)、R(10-20)瀝青的性能指標(biāo)

        1.1.2 新SBS改性瀝青

        選擇的I-D、I-C、I-B型SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)見表2。

        表2 新SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)

        1.2 試驗(yàn)方法

        廣東省原樣SBS(I-D)改性瀝青的針入度范圍為40~60(0.1mm),使用8~10年后衰減至10~20(0.1mm),因此采用R(10-20)老化瀝青作為研究對(duì)象。將I-D、I-C、I-B新瀝青和R(10-20)老化瀝青置于165℃~170℃烘箱內(nèi)加熱融化,再將15%、25%、35%、50%質(zhì)量比例的R(10-20)瀝青分別加入三種新瀝青中,攪拌混合均勻后得到12種再生SBS改性瀝青。按照規(guī)范JTG E20 T 0604、T 0625和AASHTO M320分別測試12種混合再生SBS改性瀝青以及I-D、I-C、I-B、R(10-20)瀝青的25℃針入度、135℃旋轉(zhuǎn)粘度以及G*/sinδ。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        2.1 針入度

        新-舊瀝青混合后的分散均勻程度會(huì)影響再生瀝青的針入度指標(biāo)[13-14]。為減少干擾變量,假設(shè)新-舊瀝青完全混合分散均勻,僅分析新瀝青種類以及摻量對(duì)混合再生后瀝青針入度的影響。不同瀝青的針入度試驗(yàn)結(jié)果見表3,與R(10-20)摻量的關(guān)系如圖1所示。

        表3 瀝青25℃針入度試驗(yàn)結(jié)果 (單位:0.1mm)

        圖1 25℃針入度與R(10-20)摻量之間的變化規(guī)律

        由表3和圖1可知,在相同的R(10-20)摻量下,混合再生瀝青的針入度隨新瀝青針入度等級(jí)的升高而增大,新瀝青針入度越大,對(duì)R(10-20)的再生效果就越明顯。分別使用I-D、I-C、I-B新瀝青作為再生劑,混合再生瀝青的針入度均隨R(10-20)摻量的增加而減小,說明R(10-20)摻量增加會(huì)導(dǎo)致再生瀝青變硬。以25℃針入度作為目標(biāo)參數(shù),新-舊SBS改性瀝青的混合再生調(diào)和方程可表示為式1。

        Lg(Pmix)=X·Lg(Pold)+(1-x)Lg(Pnew)

        (1)

        式中:Pmix為再生瀝青的25℃針入度;Pold為老化改性瀝青的25℃針入度;Pnew為新瀝青的25℃針入度;x為老化瀝青的摻配比例。

        欲使R(10-20)針入度恢復(fù)至原樣瀝青的水平范圍,根據(jù)式(1)反算可知,分別使用I-D、I-C、I-B新瀝青再生時(shí),R(10-20)的最大摻量為29%、40%、48%,說明新瀝青針入度越大,老化瀝青的最大摻量越高。進(jìn)一步分析可知,當(dāng)老化瀝青摻量不超過30%時(shí),可選擇同等級(jí)的新瀝青作為再生瀝青;當(dāng)摻量超過30%時(shí),建議選擇更高等級(jí)的新瀝青作為再生瀝青。

        2.2 粘度

        在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下,12種混合再生瀝青以及I-D、I-C、I-B、R(10-20)瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)粘度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

        圖2 135℃旋轉(zhuǎn)粘度與R(10-20)摻量之間的變化規(guī)律

        由圖2可知,相同的R(10-20)摻量下,新瀝青的針入度越大,混合再生瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)粘度越小,對(duì)R(10-20)的軟化效果越明顯。分別使用I-D、I-C、I-B新瀝青作為再生劑,混合再生瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)粘度值均隨R(10-20)摻量的增加而升高。135℃旋轉(zhuǎn)粘度對(duì)數(shù)值與R(10-20)摻量呈單調(diào)遞減關(guān)系,可表示為式(2)。

        Lg(ηmix)=X·Lg(ηold)+(1-x)Lg(ηnew)

        (2)

        式中:ηmix為再生瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)粘度;ηold為老化改性瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)粘度;ηnew為添加新瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)粘度;x為老化瀝青的摻配比例。

        規(guī)范JTG/T 5521-2019采用60℃動(dòng)力粘度作為目標(biāo)參數(shù)構(gòu)建新舊瀝青調(diào)和方程,這一指標(biāo)對(duì)于普通瀝青是適用的,但SBS改性瀝青60℃動(dòng)力粘度測試?yán)щy且誤差較大,導(dǎo)致其不適用改性瀝青的再生。美國SHRP計(jì)劃推薦使用Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測試改性瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)粘度,該測試方法簡單,數(shù)值穩(wěn)定可靠,能較好地反映改性瀝青的高溫性能。使用I-D、I-C、I-B新瀝青作為再生劑,混合再生瀝青的135℃旋轉(zhuǎn)粘度對(duì)數(shù)值與老化瀝青摻量的線性回歸相關(guān)系數(shù)均可達(dá)到95%以上,兩者的相關(guān)程度較高,表明135℃旋轉(zhuǎn)粘度同樣適合作為目標(biāo)參數(shù)構(gòu)建新-舊SBS改性瀝青混合再生調(diào)和方程。

        2.3 車轍因子

        SHRP計(jì)劃提出采用G*/sinδ表征瀝青結(jié)合料抗永久變形能力的大小,其數(shù)值越大說明高溫抗車轍能力越強(qiáng)[17]。國內(nèi)瀝青路面夏季的高溫一般為40℃~70℃,試驗(yàn)設(shè)置40℃、50℃、60℃、70℃四個(gè)溫度,采用I-B(80-100)新瀝青對(duì)R(10-20)老化瀝青進(jìn)行再生,G*/sinδ的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

        圖3 G*/sinδ與R(10-20)摻量之間的變化規(guī)律

        由圖3可知,在設(shè)置的試驗(yàn)溫度下,G*/sinδ均隨R(10-20)摻量的增加而增大,表明高溫狀態(tài)下增加老化瀝青摻量有利于提高瀝青混凝土路面的抗車轍能力。同種試驗(yàn)溫度下,以G*/sinδ為目標(biāo)參數(shù)構(gòu)建的再生調(diào)和方程可表示為式(3)。

        Lg(G*/sinδmix)=x·Lg(G*/sinδold)+
        (1-x)Lg(G*/sinδnew)

        (3)

        式中:G*/sinδmix為再生瀝青的車轍因子,G*/sinδold為老化瀝青的車轍因子,G*/sinδnew為新瀝青的車轍因子,x為舊瀝青摻量。

        溫度是《公路自然區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)區(qū)劃考慮的重要指標(biāo)之一。目前我國的瀝青技術(shù)指標(biāo)體系采用固定的試驗(yàn)溫度,不能代表當(dāng)?shù)貫r青路面的真實(shí)服役溫度,而DSR溫度掃描試驗(yàn)可獲得系列溫度下的G*/sinδ,各地可根據(jù)路面高溫狀態(tài)下的統(tǒng)計(jì)溫度平均值,建立基于該溫度下的G*/sinδ再生調(diào)和方程,保證再生瀝青試驗(yàn)溫度與當(dāng)?shù)芈访娣蹨囟鹊囊恢滦?。建議采用再生調(diào)和方程確定新瀝青的針入度等級(jí)以及老化瀝青的最大摻量時(shí),推薦優(yōu)先選用當(dāng)?shù)仄骄?d最高路面設(shè)計(jì)溫度下的G*/sinδ作為目標(biāo)參數(shù)。

        3 再生調(diào)和方程的驗(yàn)證

        為驗(yàn)證SBS改性瀝青混合再生調(diào)和方程的普適性,選擇山東省某實(shí)體工程應(yīng)用的R(20-30)老化瀝青,固定其摻量為25%,分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%的I-D(40-60)、I-C(60-80)新瀝青進(jìn)行混合再生并進(jìn)行檢測試驗(yàn)。再生瀝青性能指標(biāo)的實(shí)測值與計(jì)算值見表4。

        表4 再生瀝青性能指標(biāo)測試結(jié)果

        由表4可知,采用再生調(diào)和方程擬合得到的25℃針入度、135℃旋轉(zhuǎn)粘度、G*/sinδ計(jì)算值與再生瀝青樣品的實(shí)測值基本一致,相對(duì)誤差均小于10%,在實(shí)際工程使用可接受的誤差范圍內(nèi),表明建立的再生調(diào)和方程對(duì)于不同老化程度的SBS改性瀝青均適用,具有一定的普適性。

        4 結(jié)論

        (1)添加不同針入度等級(jí)的新SBS改性瀝青均能有效恢復(fù)老化SBS改性瀝青的常規(guī)性能與流變性能指標(biāo),且新SBS瀝青的針入度等級(jí)越高,摻量越大,恢復(fù)效果越明顯。當(dāng)老化瀝青摻量不超過30%時(shí),可選擇同等級(jí)的新瀝青作為再生瀝青;當(dāng)摻量超過30%時(shí),建議選擇更高等級(jí)的新瀝青作為再生瀝青。

        (2)新-舊SBS混合再生瀝青的25℃針入度對(duì)數(shù)值、135℃旋轉(zhuǎn)粘度對(duì)數(shù)值、G*/sinδ對(duì)數(shù)值均與R(10-20)摻量呈線性相關(guān)關(guān)系??刹捎?5℃針入度、135℃旋轉(zhuǎn)粘度或G*/sinδ作為目標(biāo)參數(shù)建立新-舊SBS改性瀝青的再生調(diào)和方程,推薦選用當(dāng)?shù)仄骄?d最高路面設(shè)計(jì)溫度下的G*/sinδ作為目標(biāo)參數(shù)。

        (3)采用再生調(diào)和方程擬合得到的25℃針入度、135℃旋轉(zhuǎn)粘度、G*/sinδ計(jì)算值與再生瀝青樣品的實(shí)測值基本一致,表明建立的再生調(diào)和方程對(duì)于不同老化程度的SBS改性瀝青均適用,具有一定的普適性。

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