陳鎮(zhèn)熙

（福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建 福州 350002）

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的提高，道路交通工程正在飛速發(fā)展，截止目前，我國道路的總里程已經(jīng)躍居全球第一，其中大多公路都是瀝青路面[1]。瀝青路面表面平整，銜接無縫隙，是一種柔性路面，車輛行駛時(shí)，產(chǎn)生的震動(dòng)較小，噪音較低，同時(shí)，瀝青路面的耐磨性強(qiáng)，不易起塵，易于清洗，且瀝青路面的施工時(shí)間較短，養(yǎng)護(hù)維修方便易行，且擁有一定的可再生和自愈性能，被廣泛使用在各種等級(jí)的道路建設(shè)中[2]。然而，按照瀝青路面的設(shè)計(jì)服役年限而言，瀝青路面可服役15年，但在外界各種影響因素的交互作用下，絕大部分的瀝青路面在使用到10年左右后就需要大面積的維護(hù)和重構(gòu)[3]。在瀝青路面的維護(hù)過程中，由于需要對(duì)損壞的廢棄的路面進(jìn)行刨除，會(huì)產(chǎn)生大量的混合瀝青的廢棄物，會(huì)對(duì)環(huán)境造成巨大的破壞和資源的浪費(fèi)[4]。

瀝青是從石油中提取的，由許多種類的碳?xì)浠衔锖湍承┯袡C(jī)衍生物組成的高粘度有機(jī)液體，常態(tài)下是以液態(tài)或半固態(tài)的形式存在，是一種防水防潮的有機(jī)材料[5]。近年來，隨著現(xiàn)在膠體結(jié)構(gòu)理論更新，認(rèn)為瀝青是一種以飽和酚和芳香酚類為主要的分散介質(zhì)，瀝青質(zhì)作為膠核，表面有著少量膠質(zhì)吸附的膠體分散體系[6]。瀝青的老化過程是指瀝青在存儲(chǔ)、運(yùn)輸或服役過程中，受到外界各種因素如載荷、溫度等的交互作用，使得瀝青內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)等發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，降低瀝青的耐用性[7]。而瀝青的再生過程，顧名思義，是瀝青老化的逆過程，是在向老化瀝青中添加一些再生劑，使得老化瀝青的形狀逆轉(zhuǎn)，到恢復(fù)部分甚至全部功能的過程[8]。從現(xiàn)代膠體理論而言，向老化瀝青中加入的再生劑會(huì)提高其對(duì)瀝青質(zhì)的溶解能力，使得老化瀝青的成分向基質(zhì)瀝青的成分靠近，達(dá)到再生的目的[9]。

本文對(duì)影響再生瀝青的自愈合性能和疲勞壽命的因素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，目前國內(nèi)外對(duì)瀝青路面的研究重點(diǎn)在于對(duì)瀝青進(jìn)行改性或研究瀝青的新型再生劑，對(duì)于再生瀝青本體的研究較少。再生瀝青的應(yīng)用可以延長老化的瀝青路面的服役年限，本實(shí)驗(yàn)采取控制變量法，對(duì)老化瀝青進(jìn)行再生處理后，將其控制在疲勞-自愈-疲勞狀態(tài)，分析其自愈性能和疲勞壽命的影響因素和影響程度，對(duì)實(shí)際的瀝青路面的再生處理有著一定的意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

采用70#基質(zhì)瀝青為實(shí)驗(yàn)樣本，通過在壓力老化容器處理和旋轉(zhuǎn)薄膜加熱處理達(dá)到對(duì)瀝青的老化的過程。本實(shí)驗(yàn)通過控制不同時(shí)間的旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)處理和壓力老化容器處理得到三種狀態(tài)下的老化瀝青，分別是老化90min和180min的70#R90、70#R180，和通過壓力老化容器處理的70#P。再生劑選用商用的GL-10、HL-5和FT-1。具體性能見表1、表2。

表1 基質(zhì)瀝青和老化瀝青的性能指標(biāo)Table 1 Performance indicators of matrix and aged bitumen

表2 三種再生劑的性能指標(biāo)Table 2 Performance indexes of the three regenerators

1.2 試驗(yàn)方法

為使再生瀝青處于疲勞-愈合-疲勞的狀態(tài)，使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)再生瀝青進(jìn)行應(yīng)變加載實(shí)驗(yàn)，應(yīng)變加載為6%，應(yīng)變加載速度為60km/h，應(yīng)變加載頻率為12Hz。

1.3 疲勞壽命評(píng)價(jià)

本文采用Nf50法[10]對(duì)再生瀝青的疲勞壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)，即采用疲勞實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ａ康扔诔跏寄Ａ康囊话霑r(shí)的作用次數(shù)為疲勞作用次數(shù)，公式為：

1.4 自愈合效果評(píng)價(jià)

以再生瀝青的動(dòng)態(tài)剪切模量的變化情況為基礎(chǔ)，采用公式[11]（2）評(píng)價(jià)瀝青自愈合效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 自愈合溫度與時(shí)間的關(guān)系

利用公式（2）對(duì)老化瀝青的自愈合性能進(jìn)行計(jì)算，采用70#R180為樣本，分別在40℃、60℃和80℃時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，每組溫度都在10min、20min、40min和60min時(shí)取點(diǎn)，以此來研究老化瀝青的自愈合溫度和時(shí)間對(duì)自愈效果的影響，試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 不同溫度下70#R180自愈度隨愈合時(shí)間的變化Fig.1 Self-healing degree of 70#R180 as a function of healing time at different temperatures

從圖1中可知，隨著試驗(yàn)溫度的增加再生瀝青的自愈性也在正比增強(qiáng)，且隨著試驗(yàn)時(shí)間的增加自愈性也有小幅度的升高，直到40min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定值。高溫促進(jìn)再生瀝青的自愈合性能的原因可能是溫度影響了瀝青的流動(dòng)性，高溫下的瀝青流動(dòng)性較好，能夠更大地發(fā)揮再生劑的性能。

2.2 疲勞壽命與時(shí)間的關(guān)系

使用公式（1），采用70#R180為樣本，利用Nf50法研究時(shí)間對(duì)再生瀝青的疲勞壽命的影響，試驗(yàn)溫度設(shè)定三個(gè)梯度，分別是40℃、60℃和80℃，實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同溫度下70#R180愈合時(shí)間與疲勞壽命關(guān)系Fig.2 Relationship between healing time and fatigue life of 70#R180 at different temperatures

查閱文獻(xiàn)可知，在不考慮再生瀝青的自愈效果時(shí)，再生瀝青的疲勞壽命一般為2.25×104次。在本次試驗(yàn)中，考慮到再生瀝青的自愈效果，從圖2中可知，自愈時(shí)間和再生瀝青的疲勞壽命成正比關(guān)系，即自愈時(shí)間越長，疲勞壽命越長，且溫度的升高也會(huì)延長再生瀝青的疲勞時(shí)間。這個(gè)現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是不同溫度下的再生瀝青的初始狀態(tài)下的剪切模量不同，在疲勞試驗(yàn)的結(jié)果中就表現(xiàn)為不同的疲勞壽命。

2.3 老化程度與自愈度的關(guān)系

使用再生劑GL-10對(duì)三種瀝青70#R90、70#R180、70#P進(jìn)行再生處理，得到三種再生的老化瀝青，對(duì)其編號(hào)分別命名為R70#R90、R70#R180、R70#P。設(shè)定實(shí)驗(yàn)的溫度為40℃，試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為20min，將初始狀態(tài)下的剪切模量作為損傷程度，設(shè)定損傷程度為20%、40%、50%和60%，計(jì)算此時(shí)再生瀝青的自愈情況和疲勞壽命，用來研究老化程度和自愈度的關(guān)聯(lián)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同老化程度下的各種瀝青損傷程度與自愈度關(guān)系Fig.3 Relationship between damage degree and self-healing degree of various asphalt under different aging degree

從圖3可知，所有的再生瀝青和老化瀝青隨著損傷程度的增大都顯示出反比降低的趨勢(shì)，且再生瀝青的自愈度要明顯比老化瀝青的自愈度要高。出現(xiàn)這種情況的原因可能是隨著瀝青老化程度的增加，瀝青膠體的破壞也越徹底，那么再生劑對(duì)瀝青的修復(fù)作用也就有著很大的限制。

2.4 再生劑種類與摻量的影響

采用三種不同的再生劑GL-10，HL-5和FT-1，對(duì)70#R90號(hào)瀝青進(jìn)行再生處理，選取四組不同的添加量5%、6%、7%和8%，再生處理時(shí)間統(tǒng)一為20min，損傷程度也統(tǒng)一設(shè)定為50%，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同再生劑不同摻量下與疲勞壽命關(guān)系Fig.4 Relationship between fatigue life and different dosage of regenerating agent

由圖4可知，三種不同的再生劑對(duì)老化瀝青都有著再生功能，且隨著再生劑用量的增加，老化瀝青的自愈度和疲勞壽命都有著大幅度的提高。然而，三種添加劑中，HL-5對(duì)老化瀝青的再生作用比較明顯，而GL-10對(duì)老化瀝青的再生增大趨勢(shì)較小。結(jié)合對(duì)三種再生劑性能指標(biāo)的分析，認(rèn)為流變性能最大的HL-5，對(duì)老化瀝青的再生性能有著較大的增幅。

3 結(jié)論

綜上，影響老化再生的因素有：自愈合時(shí)間和自愈合溫度；再生劑的種類和再生劑的添加量；老化瀝青的老化程度。其中，自愈合溫度越高，老化瀝青的自愈合速度越快，自愈合時(shí)間越久老化瀝青的自愈合效果越好，然而過高的溫度和過長的時(shí)間對(duì)老化瀝青的自愈合性能并沒有更大的增強(qiáng)，且有著輕微的反作用。老化瀝青的損傷程度越高，自愈合速度越慢，當(dāng)損傷程度超過50%時(shí)，自愈合速度有著大幅度的下降。不同種類的再生劑對(duì)老化瀝青的再生性能也有著很大的影響，流變性越好的再生劑對(duì)老化瀝青的再生性能的增幅也越大，且當(dāng)添加量不超過8%時(shí)，添加量越大再生性能越高?？偨Y(jié)來看，自愈合溫度和再生劑的種類對(duì)老化瀝青自愈合性能影響最大。