王 鑫，李 寧，鄒曉勇，唐 偉，詹 賀，于 新

（1河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇南京 210098；2金華市公路管理局，浙江金華 321000）

瀝青路面有著行車舒適、減震較好、路用性能優(yōu)良及維修養(yǎng)護(hù)方式較為簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)已建成的公路中占比約90%［1-2］。隨著時(shí)間推移，廢舊瀝青混合料（RAP）不斷增多，我國(guó)對(duì)這些舊料的利用率卻只在20%~30%左右，與發(fā)達(dá)國(guó)家90%的舊料利用率相去甚遠(yuǎn)［3］。為節(jié)約石料、瀝青等資源，避免廢料造成污染，發(fā)展瀝青路面再生技術(shù)勢(shì)在必得。廠拌熱再生技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展已經(jīng)較為成熟，這種再生技術(shù)比較容易控制再生質(zhì)量，適用范圍較廣，但是利用舊料的比例低、加熱瀝青所需要消耗的能源多，同時(shí)會(huì)排放大量的溫室氣體。舊料摻量較低的原因之一就是過(guò)高的溫度會(huì)加深舊料上瀝青的老化程度，而溫度過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致施工和易性變差。

泡沫溫拌技術(shù)是將水加到熱瀝青中，水汽化使瀝青膨脹，進(jìn)而降低瀝青的黏度，是一種綠色環(huán)保的路面施工技術(shù)［4-6］。由于這種技術(shù)的降黏功效，使得瀝青能在更低的溫度下具備較好的施工和易性，從而達(dá)到提高舊料摻量，減少能源消耗的目的。而泡沫溫拌技術(shù)的降黏效果主要體現(xiàn)在拌和、攤鋪和碾壓的過(guò)程中，在此期間瀝青性能主要受到短期老化作用的影響。目前已有一些關(guān)于泡沫溫拌再生瀝青性能相關(guān)的研究，肖鵬等［7］發(fā)現(xiàn)泡沫瀝青再生的效果要優(yōu)于基質(zhì)瀝青，且抗疲勞性能更強(qiáng)；徐波等［8］經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，舊瀝青摻量的升高，使泡沫溫拌再生瀝青的高溫性能上升，低溫性能下降，建議舊瀝青摻量小于60% ；鄧金等［9］發(fā)現(xiàn)，較普通熱拌再生瀝青來(lái)說(shuō)，泡沫溫拌再生瀝青的溫度敏感性更低；吳聞秀等［10］發(fā)現(xiàn)，舊瀝青摻量的提升，會(huì)提升泡沫溫拌再生瀝青的抗疲勞破壞能力，但建議RAP摻量不超過(guò)40%。

上述研究并沒(méi)有關(guān)注泡沫溫拌再生瀝青的抗老化性能，而且通常是在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行性能對(duì)比，沒(méi)有考慮到泡沫溫拌再生瀝青在實(shí)際工程中可以降低施工溫度的因素。本文對(duì)泡沫溫拌再生瀝青的抗短期老化性能進(jìn)行研究。為了模擬實(shí)際工程情況，將泡沫溫拌再生瀝青和熱拌再生瀝青在不同溫度下室內(nèi)模擬短期老化，然后分析其高溫、低溫及抗疲勞性能，從而為實(shí)體工程提供參考。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 再生瀝青的制備

采用江蘇某瀝青廠的SBS改性瀝青，基本性能見(jiàn)表1。參照J(rèn)TG E20-2011規(guī)范中T0727-2011方法將瀝青從RAP料中抽提出來(lái)，得到老化瀝青，其基本指標(biāo)性能見(jiàn)表2。采用徐工XLP10型瀝青發(fā)泡機(jī)制備泡沫瀝青，發(fā)泡時(shí)改性瀝青的溫度為175℃，水的溫度為25℃，根據(jù)已有研究結(jié)論，采用3%的發(fā)泡用水量［11-12］。

表1 SBS改性瀝青基本性能Table 1 Basic properties of SBS modified asphalt

表2 老化瀝青基本指標(biāo)Table 2 Basic properties of aging asphalt

將改性瀝青與老化瀝青按1：1的質(zhì)量比進(jìn)行摻配，然后在175℃下，以1000r/min的轉(zhuǎn)速攪拌1h，制得熱拌再生瀝青。將泡沫瀝青與老化瀝青也按上述方法配制，然后制得泡沫溫拌再生瀝青，兩種再生瀝青的三大指標(biāo)性能見(jiàn)表3。試驗(yàn)流程圖如圖1所示。

表3 再生瀝青三大指標(biāo)Table 3 Three indexes of recycled asphalt

圖1 試驗(yàn)流程圖Fig. 1 Test flow chart

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)方案

將改性瀝青、泡沫瀝青、熱拌再生瀝青及泡沫溫拌再生瀝青進(jìn)行布氏黏度試驗(yàn)及RTFOT模擬短期老化試驗(yàn)。

根據(jù)黏溫曲線圖（圖2）可知，熱拌再生瀝青163℃黏度與泡沫溫拌再生瀝青153℃黏度相當(dāng)。故將未發(fā)泡組瀝青的短期老化條件設(shè)為163℃，85min，發(fā)泡組瀝青的短期老化條件設(shè)為153℃，85min。分別采用MSCR試驗(yàn)、BBR試驗(yàn)和LAS試驗(yàn)評(píng)價(jià)上述瀝青老化前后的高溫、低溫、抗疲勞性能。

圖2 再生瀝青黏溫曲線Fig. 2 Viscosity-temperature curve of recycled asphalt

1.2.2 多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)

根據(jù)AASHTO TP70試驗(yàn)規(guī)程，采用DSR儀器進(jìn)行測(cè)試，板直徑25mm，間距1mm，溫度為60℃。一個(gè)周期內(nèi)的蠕變恢復(fù)應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 蠕變恢復(fù)應(yīng)變曲線Fig. 3 Creep recovery strain curve

主要公式如下：

式中：γ0，γp，γnr分別為初始應(yīng)變、峰值應(yīng)變、殘留應(yīng)變；τ為剪切應(yīng)力（0.1kPa或3.2kPa）。

采用不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr）表征瀝青的不可恢復(fù)變形，此值越小，其抗永久變形能力越強(qiáng)；蠕變恢復(fù)率（R）反映了瀝青恢復(fù)變形量的比例，此值越大，其恢復(fù)變形的能力越強(qiáng)。

1.2.3 彎曲蠕變勁度試驗(yàn)

本文采用BBR試驗(yàn)，測(cè)瀝青在-24℃、-18℃、-12℃溫度下的S與m。S表征瀝青抵抗荷載的能力，m表征加載后瀝青勁度的變化速率，S越大、m越小，則低溫性能越差。

1.2.4 線性振幅掃描試驗(yàn)

線性振幅掃描試驗(yàn)?zāi)軌蛟谳^短的時(shí)間內(nèi)測(cè)得目標(biāo)應(yīng)變水平下的疲勞性能［13］。采用DSR儀器進(jìn)行試驗(yàn)，選用8mm直徑的試驗(yàn)板，板間距為2mm，溫度為25℃。此試驗(yàn)分為兩步，第一步為頻率掃描，第二步為線性振幅掃描，通過(guò)公式可計(jì)算出瀝青的疲勞性能指標(biāo)：疲勞壽命Nf。主要公式如下：

式中：G'(ω)為存儲(chǔ)模量；ω為頻率；m為擬合參數(shù)；ID為1%應(yīng)變時(shí)復(fù)數(shù)剪切模量的初始值；γ0為應(yīng)變水平；|G*|為復(fù)數(shù)剪切模量；δ為相位角；t為測(cè)試時(shí)間；C0為0.1%應(yīng)變時(shí)的|G*|sinδ；C1、C2為擬合參數(shù)；f為加載頻率10Hz；k為參數(shù)，k=1+(1-C2)α；γmax為一定路面結(jié)構(gòu)下瀝青的最大期望應(yīng)變，此處取2.5%。

計(jì)算過(guò)程中，參數(shù)A35與瀝青的儲(chǔ)能模量相關(guān)，反映瀝青在積累損傷的這個(gè)過(guò)程中保持自身完整性的能力；參數(shù)B表征瀝青的應(yīng)變敏感性，|B|越大，疲勞壽命的變化速率就越快。所以當(dāng)A35的值較大，|B|的值較小時(shí)，瀝青的疲勞性能就較好［14］。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高溫性能

為了對(duì)比短期老化前后各瀝青的蠕變恢復(fù)特性，取3.2kPa應(yīng)力水平下的第一個(gè)加載-卸載周期進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 瀝青的蠕變恢復(fù)應(yīng)變曲線Fig. 4 Creep recovery strain curve of asphalt

由圖4可知，在3.2kPa應(yīng)力水平下，短期老化前，就峰值應(yīng)變而言，改性大于泡沫，泡沫溫拌再生大于熱拌再生，表明泡沫溫拌技術(shù)會(huì)降低改性瀝青的流動(dòng)變形特性，但能使再生瀝青的流動(dòng)變形特性得到提升。短期老化后，各瀝青的峰值應(yīng)變均有不同程度的降低，其中，泡沫溫拌再生瀝青降低42.8%，說(shuō)明短期老化會(huì)降低瀝青的流動(dòng)變形特性，且泡沫溫拌再生瀝青流動(dòng)變形特性的抗老化能力與熱拌再生瀝青相差不大；泡沫瀝青的峰值應(yīng)變大于改性瀝青，泡沫溫拌再生瀝青的峰值應(yīng)變大于熱拌再生瀝青，這說(shuō)明泡沫溫拌技術(shù)使瀝青在此時(shí)能具備更好的流動(dòng)變形特性；再生組瀝青的殘余應(yīng)變大于未再生組瀝青，表明摻入老化瀝青會(huì)降低瀝青的蠕變恢復(fù)性能。

圖5為各瀝青短期老化前后的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃俊?/p>

圖5 不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縁ig. 5 Irrecoverable creep compliance

由圖5可知，短期老化前，對(duì)于不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，改性大于泡沫，熱拌再生小于泡沫溫拌再生，說(shuō)明泡沫溫拌技術(shù)能提升改性瀝青的抗永久變形能力。短期老化后，泡沫瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃柯晕⑸撸溆嗳N瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃拷档?，說(shuō)明短期老化作用會(huì)降低泡沫瀝青的抗永久變形能力，但能使另外三種瀝青的抗永久變形能力得到提升；其中，泡沫溫拌再生瀝青提升最大，為60%。而且短期老化后的改性瀝青與泡沫瀝青、熱拌再生瀝青與泡沫溫拌再生瀝青之間的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐捣浅Ｏ嘟?，表明泡沫溫拌技術(shù)對(duì)瀝青此時(shí)的抗永久變形能力影響不大。

圖6為0.1kPa和3.2kPa兩個(gè)應(yīng)力水平下四種瀝青在短期老化前后的蠕變恢復(fù)率。

圖6 蠕變恢復(fù)率Fig. 6 Creep recovery rate

由圖6可知，3.2kPa應(yīng)力水平下瀝青的蠕變恢復(fù)率會(huì)較0.1kPa應(yīng)力水平有一定的降低，說(shuō)明應(yīng)力水平的升高會(huì)降低恢復(fù)變形的能力。短期老化前，對(duì)于蠕變恢復(fù)率，泡沫大于改性，泡沫溫拌再生大于熱拌再生，表明泡沫溫拌技術(shù)能提升瀝青恢復(fù)變形的能力。短期老化后，泡沫瀝青的蠕變恢復(fù)率降低，另外三種瀝青均上升，說(shuō)明短期老化作用會(huì)降低泡沫瀝青恢復(fù)變形的能力，但能提升另外三種瀝青恢復(fù)變形的能力；其中，泡沫溫拌再生瀝青提升約13%。而且短期老化后的改性瀝青與泡沫瀝青、熱拌再生瀝青與泡沫溫拌再生瀝青之間的蠕變恢復(fù)率相近，表明泡沫溫拌技術(shù)對(duì)瀝青此時(shí)恢復(fù)變形的能力影響很小。

綜合不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃考叭渥兓謴?fù)率兩種性能指標(biāo)可知，短期老化作用會(huì)提升泡沫溫拌再生瀝青的高溫性能。

2.2 低溫性能

表4為不同溫度下四種瀝青在短期老化前后的S值和m值。

隨著溫度的下降，四種瀝青的S值增大，m值減小。當(dāng)溫度下降至-24℃時(shí)，短期老化前后的m值數(shù)據(jù)幾乎相等，但S值卻相差較大，這說(shuō)明使用S值和m值評(píng)價(jià)瀝青的低溫抗裂性能不夠準(zhǔn)確，會(huì)出現(xiàn)區(qū)分度較小的情況。相關(guān)研究也表明，僅采用S值和m值以評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能時(shí)，會(huì)出現(xiàn)結(jié)果不夠準(zhǔn)確，甚至相互矛盾的情況［15］。因此，有關(guān)學(xué)者在得到S值和m值的基礎(chǔ)上，結(jié)合了Burgers模型提出采用λ=m/S作為指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青在低溫條件下抵抗開(kāi)裂的能力，這種方法能夠有效避免評(píng)價(jià)時(shí)出現(xiàn)差錯(cuò)［16］。

以λ作為指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青時(shí)，λ值越大，說(shuō)明瀝青的低溫抗裂性能越好。圖7所示為各瀝青的λ值。

圖7 瀝青的λ值Fig. 7 λ values of asphalt

由圖7可知，四種瀝青的λ值均隨著溫度的降低而不斷減小，即低溫開(kāi)裂的可能性不斷增大，并且在-12℃到-18℃溫度區(qū)間內(nèi)λ值下降的幅度大于-18℃到-24℃溫度區(qū)間內(nèi)下降的幅度，說(shuō)明在-12℃到-18℃間，瀝青的低溫抗裂性能衰減更快。短期老化前，就λ值而言，改性大于泡沫，熱拌再生大于泡沫溫拌再生，說(shuō)明泡沫溫拌技術(shù)會(huì)使瀝青的低溫抗裂性能下降。短期老化后，各瀝青的λ值均下降，其中，泡沫溫拌再生瀝青降低約14%，說(shuō)明短期老化作用會(huì)使瀝青的低溫抗裂性能下降。這是由于熱氧老化作用使瀝青中的中分子和小分子組分減少，大分子組分增多，如芳香分占比減小、瀝青質(zhì)占比增大，使得瀝青變硬和變脆，導(dǎo)致瀝青更易開(kāi)裂［9］。

2.3 抗疲勞性能

圖8所示為各瀝青在短期老化前后的疲勞性能參數(shù)A35、|B|的值。

圖8 瀝青的疲勞參數(shù)值Fig. 8 Fatigue parameter values of asphalt

由圖8可知，短期老化前，泡沫溫拌再生瀝青的A35值與|B|值均大于熱拌再生瀝青，說(shuō)明與熱拌再生瀝青相比，泡沫溫拌再生瀝青雖然保持自身完整性的能力更強(qiáng)，但應(yīng)變敏感性也更高。短期老化后，泡沫溫拌再生瀝青的A35值增大，|B|值減小，表明短期老化作用能使泡沫溫拌再生瀝青擁有更好的保持自身完整性的能力及更低的應(yīng)變敏感性，證明其在疲勞性能方面具備較好的抗老化能力。

圖9為2.5%應(yīng)變水平下四種瀝青在短期老化前后的疲勞壽命Nf。

圖9 瀝青的疲勞壽命Fig. 9 Fatigue life of asphalt

由圖9可知，在2.5%的應(yīng)變水平下，短期老化前，就疲勞壽命值而言，改性小于泡沫，熱拌再生小于泡沫溫拌再生，說(shuō)明泡沫溫拌技術(shù)的應(yīng)用有利于延長(zhǎng)瀝青的疲勞壽命。短期老化后，改性瀝青與泡沫瀝青的疲勞壽命值降低，熱拌再生瀝青與泡沫溫拌再生瀝青的疲勞壽命值升高，表明短期老化作用能延長(zhǎng)再生瀝青的疲勞壽命；其中，泡沫溫拌再生瀝青延長(zhǎng)了約71%。但是，再生瀝青的疲勞壽命經(jīng)過(guò)老化作用后反而會(huì)延長(zhǎng)，這種結(jié)論明顯不符合實(shí)際情況。所以，使用線性振幅掃描試驗(yàn)測(cè)試再生瀝青的疲勞性能，這種方法的合理性有待驗(yàn)證。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)老化瀝青摻量為50%時(shí)，153℃下泡沫溫拌再生瀝青的黏度與163℃的熱拌再生瀝青處于同一水平。

（2）泡沫溫拌再生瀝青在短期老化后，抗永久變形能力提升約60%，蠕變恢復(fù)率提升約13%，低溫性能降低約14%，抗疲勞性能提升約71%?？傮w上，泡沫溫拌再生瀝青抗短期老化性能較好。

（3）短期老化后，與熱拌再生瀝青相比，泡沫溫拌再生瀝青的高溫性能與之相當(dāng)，低溫性能低約6%，抗疲勞性能低約9%。整體上二者性能相差不大。