陳 龍，陳宏斌，何兆益，李 朋，王曉東

(1. 山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357；2.甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030； 3. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 4. 重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

當(dāng)前，伴隨我國(guó)新-舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換工程全面提速推進(jìn)和瀝青、礦料等石化資源有限開(kāi)采意識(shí)與布局管控能力逐步加強(qiáng)，針對(duì)結(jié)構(gòu)性破損的瀝青路面實(shí)施銑刨回收并開(kāi)展再生修復(fù)循環(huán)利用研究已逐步提上戰(zhàn)略議事日程。其中，瀝青路面結(jié)構(gòu)銑刨回收材料(reclaimed asphalt pavements，RAP)中廢舊瀝青性能的還原情況是RAP再生修復(fù)工作的關(guān)鍵要點(diǎn)。同時(shí)，能否針對(duì)廢舊瀝青再生修復(fù)后的性能進(jìn)行科學(xué)合理的表征與評(píng)價(jià)也將直接影響再生瀝青路面服役效果。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者通過(guò)不同尺度試驗(yàn)方法對(duì)RAP表面廢舊瀝青的再生性能進(jìn)行了描述與分析。在宏觀(guān)常規(guī)性能參數(shù)表征方面，張吉哲等[1]采用新添瀝青調(diào)和再生的方式，對(duì)RAP表面廢舊基質(zhì)瀝青黏彈流變力學(xué)性能的有效還原情況進(jìn)行了探究，發(fā)現(xiàn)選擇不添加再生劑的單一調(diào)和再生方式并不能夠高效恢復(fù)廢舊基質(zhì)瀝青宏觀(guān)流變力學(xué)特性。唐伯明等[2]、朱洪洲等[3]通過(guò)添加自主研發(fā)的生物基瀝青再生劑，利用動(dòng)態(tài)剪切流變DSR等試驗(yàn)對(duì)9種再生基質(zhì)瀝青的疲勞力學(xué)性能進(jìn)行表征，結(jié)果表明，再生瀝青抗疲勞特性相較原樣瀝青更優(yōu)良；其次，在納微觀(guān)參數(shù)表征方面，M.BAQERSAD等[4]、李永翔等[5]學(xué)者利用自主研發(fā)的瀝青再生劑，對(duì)摻配有100%RAP的廢舊基質(zhì)瀝青再生性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得到羰基和砜基等基團(tuán)比重較小、脂肪烴基比重較高的再生劑性能改善作用效果最優(yōu)，傅立葉紅外掃描測(cè)試手段相較常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)，前者也可較好的用于預(yù)測(cè)廢舊基質(zhì)瀝青的再生效果；在宏微觀(guān)性能參數(shù)綜合表征方面，何兆益等[6]、高新文等[7]、T.CHEN等[8]、S.K.BADROODL等[9]相繼采用宏觀(guān)常規(guī)性能試驗(yàn)、材料微觀(guān)構(gòu)相分布與化學(xué)組成特征手段對(duì)RAP表面萃取廢舊SBS改性瀝青的再生性能進(jìn)行表征，同時(shí)搭建了宏微觀(guān)尺度性能構(gòu)效關(guān)聯(lián)方程。Z.L.CAO等[10]發(fā)現(xiàn)，宏觀(guān)熱氧穩(wěn)定性能試驗(yàn)參數(shù)-初始分解溫度以及微觀(guān)性能試驗(yàn)參數(shù)-亞砜基指數(shù)等相比其它性能指標(biāo)能夠更好的描述再生SBS改性瀝青抵抗二次疲勞作用的能力，并且由數(shù)理對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在各類(lèi)型瀝青再生劑中，以腰果殼油為主要成分的生物基再生劑對(duì)廢舊SBS改性瀝青性能的改善效果最好。

匯總已有研究成果可知：首先，目前針對(duì)RAP廢舊瀝青再生性能的研究分析對(duì)象通常集中于單一瀝青種類(lèi)，在同等條件下綜合廢舊基質(zhì)瀝青和改性瀝青進(jìn)行再生性能協(xié)同對(duì)比探討的研究尚不多見(jiàn)；另外，現(xiàn)有針對(duì)RAP廢舊瀝青再生性能的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)并未得到統(tǒng)一，多數(shù)研究成果普遍采用宏觀(guān)常規(guī)力學(xué)性能恢復(fù)程度或微觀(guān)構(gòu)相與化學(xué)成分特征變化情況進(jìn)行量化判別，但上述類(lèi)型指標(biāo)并不能有效反映出再生瀝青承受荷載作用的持續(xù)能力(譬如，上述類(lèi)型指標(biāo)并不能反映出RAP廢舊瀝青再生后，二次服役期間疲勞耐久特性較原樣瀝青變化情況)。最后，在現(xiàn)有測(cè)試方法，尤其是力學(xué)性能評(píng)價(jià)方法中施加的荷載作用方式為連續(xù)加載模式，這與瀝青路面實(shí)際行車(chē)荷載間歇作用模式有較大出入。因此，筆者選擇在常規(guī)力學(xué)和流變力學(xué)性能試驗(yàn)分析基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入間歇愈合理念對(duì)廢舊瀝青再生性能進(jìn)行關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)，通過(guò)分析不同再生劑摻量、間歇時(shí)間、廢舊瀝青老化程度等條件下再生基質(zhì)瀝青和再生SBS改性瀝青常規(guī)、疲勞及愈合-疲勞性能演變規(guī)律，對(duì)比探討更加科學(xué)合理的RAP廢舊瀝青再生性能評(píng)價(jià)手段和特征指標(biāo)。

1 原材料與試驗(yàn)方案

試驗(yàn)涉及的原材料分別包括基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和自主研發(fā)的再生劑。其中，基質(zhì)瀝青選取SK-70#A級(jí)瀝青；為增強(qiáng)改性瀝青配伍性，SBS改性瀝青采用5%摻量的新型SBS改性劑、5%摻量的廢機(jī)油增容劑同基質(zhì)瀝青混溶，經(jīng)吸附、膨脹、剪切、發(fā)育后制得；再生劑參照化學(xué)組分調(diào)節(jié)理論自制。另外，RAP廢舊瀝青采用室內(nèi)模擬方式制備，分別由RTFOT旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱制備短期老化廢舊瀝青，組合RTFOT+PAV壓力老化環(huán)境箱制備長(zhǎng)期老化廢舊瀝青。各廢舊瀝青試樣性能還原所需再生劑的摻配質(zhì)量比例均選取4%～12%。

(1)

圖1 疲勞與愈合-疲勞試驗(yàn)參數(shù)示意

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 基于常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)

再生前、后基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果分別見(jiàn)表1～表3。

將表2、表3測(cè)試結(jié)果同表1進(jìn)行對(duì)比可知，隨再生劑摻量增加，廢舊基質(zhì)瀝青和廢舊SBS改性瀝青各常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)呈線(xiàn)性或多項(xiàng)式曲線(xiàn)函數(shù)得以改善，并且廢舊基質(zhì)瀝青各性能指標(biāo)提升幅度明顯高于廢舊SBS改性瀝青，同時(shí)對(duì)長(zhǎng)期老化瀝青性能的改善程度也明顯快于短期老化瀝青。其中，對(duì)廢舊基質(zhì)瀝青而言，若老化程度較輕，則添加10%～12%左右再生劑能夠?qū)⑵涓黜?xiàng)常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)恢復(fù)至原樣瀝青水準(zhǔn)，并且當(dāng)由表征高溫性能指標(biāo)(譬如軟化點(diǎn)、黏度)進(jìn)行研判時(shí)可取下限值；但對(duì)于老化程度較重的廢舊基質(zhì)瀝青則需要添加12%及以上摻量的再生劑。同樣，對(duì)廢舊SBS改性瀝青而言，若老化程度較輕，添加10%～12%左右再生劑可恢復(fù)其各項(xiàng)常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)至原樣瀝青水準(zhǔn)，并且當(dāng)由表征高溫性能的指標(biāo)進(jìn)行研判時(shí)可取下限值；但若廢舊SBS改性瀝青老化程度較重，則在筆者設(shè)定的再生劑摻量范圍內(nèi)(4%～12%)，其多項(xiàng)常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)仍然得不到有效恢復(fù)。

表1 廢舊瀝青再生前常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

表2 廢舊基質(zhì)瀝青再生后常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

表3 廢舊SBS改性瀝青再生后常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2.2 基于流變力學(xué)性能試驗(yàn)

2.2.1 基于疲勞性能試驗(yàn)

筆者分別選擇在剪切應(yīng)力控制模式以及剪切應(yīng)變控制模式下進(jìn)行疲勞性能加載測(cè)試，得到再生前、后基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*隨疲勞加載作用次數(shù)N的測(cè)試結(jié)果，分別繪于圖2、圖3。

結(jié)合圖2、圖3可以明顯看出，首先，各瀝青試樣隨疲勞加載作用次數(shù)增加，復(fù)數(shù)剪切模量G*值均逐漸下降。其中，多數(shù)瀝青G*值呈現(xiàn)初期陡速下降、中期緩慢平穩(wěn)發(fā)展、后期進(jìn)一步加速衰減的“S”型曲線(xiàn)規(guī)律變化，并且該變化趨勢(shì)在應(yīng)力加載模式下表現(xiàn)的更為突出。然而在應(yīng)變加載模式下，僅基質(zhì)瀝青仍然保持該變化趨勢(shì)，SBS改性瀝青則基本呈“C”型曲線(xiàn)規(guī)律遞減。

表4 再生劑對(duì)不同老化廢舊瀝青剪切疲勞性能的改善效應(yīng)

值得注意的是，廢舊SBS改性瀝青在各再生劑摻量下的抗剪切疲勞破壞能力(以疲勞壽命Nf表征)均優(yōu)于廢舊基質(zhì)瀝青。而且對(duì)于短期老化廢舊瀝青，在12%再生劑摻量下均能夠恢復(fù)至甚至超過(guò)原樣瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*值，同時(shí)疲勞壽命Nf值在原樣瀝青的基礎(chǔ)上也產(chǎn)生了進(jìn)一步衰減，如圖2(a)、圖2(c)和圖3(a)、圖3(c)；但對(duì)于長(zhǎng)期老化廢舊瀝青而言，即使摻加12%再生劑亦均未能將其疲勞性能恢復(fù)至原樣瀝青水準(zhǔn)，如圖2(b)、圖2(d)和圖3(b)、圖3(d)。將該結(jié)論同前文基于常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，雖然再生劑摻量越多，再生瀝青各常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)將恢復(fù)的越好，但其維持長(zhǎng)期連續(xù)剪切荷載作用的能力越差。采用連續(xù)疲勞加載試驗(yàn)及其特征參數(shù)(G*和Nf)評(píng)價(jià)再生劑作用效應(yīng)相較常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)及其特征參數(shù)更加苛刻和嚴(yán)格，恢復(fù)老化廢舊瀝青性能所需的再生劑數(shù)量相對(duì)更多。

圖2 控制剪切應(yīng)力加載模式下瀝青疲勞性能試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

最后，在控制應(yīng)力加載模式下隨著再生劑摻量增加，瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*和疲勞壽命Nf值呈現(xiàn)單調(diào)連續(xù)且規(guī)律性較強(qiáng)的遞減趨勢(shì)變化。但在控制應(yīng)變加載模式下，瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*和疲勞壽命Nf值的衰變規(guī)律并不完全一致，尤其對(duì)于短期老化瀝青，Nf值隨再生劑摻量增加，其數(shù)值在部分摻量附近呈現(xiàn)一定的波動(dòng)變化，對(duì)短期老化廢舊基質(zhì)瀝青添加8%再生劑、短期老化廢舊SBS改性瀝青添加6%和10%再生劑，分別見(jiàn)圖3(a)和圖3(c)。究其原因，可能是再生瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*在固定扭矩的應(yīng)力控制模式下受應(yīng)變參數(shù)值變化更敏感，因而造成不同再生劑摻量下再生瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*數(shù)值間的差異性相比應(yīng)變控制模式偏大。在類(lèi)似的G*衰減規(guī)律下，造成不同再生瀝青Nf數(shù)值間的差異性也較大。因此，采用應(yīng)力加載控制模式能夠更好的研判不同老化廢舊瀝青的再生性能。

圖3 控制剪切應(yīng)變加載模式下瀝青疲勞性能試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

2.2.2 基于疲勞-愈合-疲勞性能試驗(yàn)

在參照瀝青連續(xù)加載疲勞試驗(yàn)研究成果基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)施考慮間歇效應(yīng)的疲勞-愈合-疲勞性能試驗(yàn)，選取數(shù)據(jù)規(guī)律性與差異性更加優(yōu)良的應(yīng)力控制加載模式進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果分別列于表5和表6，自愈合性能評(píng)價(jià)參數(shù)HI計(jì)算結(jié)果繪于圖4。

表5 老化廢舊基質(zhì)瀝青愈合前后相關(guān)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

表6 老化廢舊SBS改性瀝青愈合前后相關(guān)參數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖4中愈合指數(shù)HI參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論：隨著間歇時(shí)間和再生劑摻量增長(zhǎng)，各瀝青試樣的自愈合程度均得到顯著提升。經(jīng)計(jì)算，每增加2 h間歇時(shí)間，各瀝青試樣愈合指數(shù)HI值可相對(duì)提升10%～70%，并且間歇時(shí)間對(duì)再生前、后基質(zhì)瀝青愈合能力的改善幅度明顯高于SBS改性瀝青。同樣，每增加2%再生劑能夠相對(duì)提高愈合指數(shù)HI值10%～30%，并且再生劑對(duì)于老化廢舊基質(zhì)瀝青愈合能力的改善效果亦明顯優(yōu)于老化廢舊SBS改性瀝青。其中，對(duì)于老化廢舊基質(zhì)瀝青而言，摻加8%～10%左右的再生劑即可將其愈合指數(shù)HI改善恢復(fù)至原樣瀝青水準(zhǔn)，并且針對(duì)短期老化瀝青，再生劑摻量取下限值亦可；但對(duì)于長(zhǎng)期老化廢舊基質(zhì)瀝青，再生劑摻量必須取上限值，如圖4(a)和圖4(b)。而對(duì)于老化廢舊SBS改性瀝青，摻加10%～12%左右再生劑能夠?qū)⑵渥杂夏芰謴?fù)至原樣瀝青水平，并且針對(duì)短期老化瀝青和長(zhǎng)期老化瀝青亦分別取下限值和上限值，如圖4(c)和圖4(d)。

圖4 瀝青再生前、后愈合性能計(jì)算結(jié)果

3 結(jié) 論

1)對(duì)于同類(lèi)型廢舊瀝青而言，隨再生劑摻量增加，同一增幅下各常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)呈線(xiàn)性或多項(xiàng)式曲線(xiàn)函數(shù)趨勢(shì)恢復(fù)，復(fù)數(shù)剪切模量G*和疲勞壽命Nf值以均等程度發(fā)生衰減，愈合指數(shù)HI值得到顯著提升，每增加2%再生劑能夠相對(duì)提高愈合指數(shù)HI值10%～30%。對(duì)于老化廢舊基質(zhì)瀝青，需摻加8%～10%左右的再生劑；而對(duì)于老化廢舊SBS改性瀝青，需摻加10%～12%左右的再生劑。

2)對(duì)于不同類(lèi)型廢舊瀝青而言，隨再生劑摻量增加，廢舊基質(zhì)瀝青各項(xiàng)常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)和愈合指數(shù)HI的提升程度、復(fù)數(shù)剪切模量G*和疲勞壽命Nf的衰減程度明顯高于廢舊SBS改性瀝青；同時(shí)，長(zhǎng)期老化瀝青上述各指標(biāo)的改善或下降幅度也明顯快于短期老化瀝青。

3)隨間歇時(shí)間增加，再生瀝青的愈合程度逐步貼近甚至超過(guò)原樣瀝青，廢舊瀝青則相反。每增加2 h間歇時(shí)間可相對(duì)提升愈合指數(shù)HI值10%～70%。

4)以原樣瀝青為性能還原基準(zhǔn)，采用不同試驗(yàn)方法量化評(píng)判廢舊瀝青性能再生所需的再生劑用量排序由大到小分別是：疲勞性能試驗(yàn)、常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)和疲勞-愈合-疲勞性能試驗(yàn)，推薦采用疲勞-愈合-疲勞性能試驗(yàn)及愈合指數(shù)HI替代疲勞性能試驗(yàn)及參數(shù)(G*和Nf)來(lái)研判廢舊瀝青流變力學(xué)性能的再生恢復(fù)情況。