就地熱再生高溫加熱對不同深度老化瀝青流變性能的影響

單 崗， 袁 媛， 龐露林， 周凌波， 李 寧， 詹 賀

(1.浙江交通資源投資有限公司，杭州 310020；2.浙江省交通規劃設計研究院有限公司，杭州 310012；3.浙江順暢高等級公路養護有限公司，杭州 310051；4.河海大學土木與交通學院，南京 210098)

高速公路養護面臨著基礎建設原材料緊缺與產生大量的廢舊路面材料(RAP)的多重矛盾，RAP的高效再生利用將成必然的發展趨勢。就地熱再生技術憑借其100%利用RAP，符合建設資源節約環保型的綠色社會需要，在高速公路大中修養護中發揮著重要作用。研究人員對就地熱再生技術的加熱方式、防止老化瀝青二次老化等方面做了大量的研究，以期獲得性能良好的再生瀝青混合料。

董強柱[1]通過室內模擬加熱試驗提出了一種瀝青路面連續式變功率的加熱方法，可以使路表溫度保持180 ℃，減輕對原路面瀝青的二次老化；葉操[2]通過模擬加熱試驗得到間歇式加熱可以在短時間內提升路面加熱溫度；馬濤[3]在實體工程應用時發現加熱后的路表焦糊嚴重，通過調整就地熱再生設備行走速度和往返方式來降低路面溫度，但路表溫度仍高達200 ℃；顧海榮等[4]對單步法和多步法進行了對比研究，多步法可以有效提升瀝青路面加熱速度，且節省加熱時間和能源。李健[5]、陳靜云[6]對老化程度較大的瀝青分別選用丁苯橡膠(styrene-butadiene-rubber,SBR)膠乳和高滲透性再生劑來改善瀝青性能，試驗表明再生瀝青混合料的低溫性能均得到有效提升。

目前進行就地熱再生老化瀝青性能評價時，通常采用冷取樣的方式抽提回收老化瀝青，未考慮高溫加熱對表面層瀝青造成二次老化引起室內外再生效果的差異。現應用紅外熱像儀測量就地熱再生各個加熱階段瀝青路面的路表溫度；在測試溫度最高點取樣分層抽提老化瀝青，采用常規性能試驗、布氏旋轉黏度(rotational viscosity, RV)、動態剪切流變(dymamic shear rheology, DSR)、彎曲梁流變(bending beam rheology, BBR)試驗研究高溫加熱對不同深度老化瀝青高低溫流變性能的影響。

1 試驗部分

1.1 原材料

老化瀝青均來自于浙江省滬杭甬高速2018年瀝青路面就地熱再生專項養護工程RAP料，原路面使用年限為8年，為了分析上面層瀝青的老化梯度，將上面層4 cm瀝青混合料分層(上2 cm、下2 cm)進行瀝青回收。

1.1.1 老化瀝青抽提方法

結合文獻[7-8]中瀝青回收的優化方法，采用礦粉自然沉降與高速離心的組合方式去除抽提液中的礦粉，將抽提液自然沉降24 h后取上層1/3進行離心，應用旋轉蒸發法回收瀝青。

1.1.2 原路面老化瀝青

從原路面冷切割瀝青混合料板，在每個樣品中隨機選取塊狀瀝青混合料加熱軟化，分別對上面層表面2 cm(簡稱S2，下同)、下2 cm(X2)和整體4 cm(Q4)RAP抽提回收老化瀝青。

1.1.3 原路面經高溫加熱后老化瀝青

選取就地熱再生施工時原路面表面層溫度達240 ℃的瀝青混合料，分別取上面層表面2 cm(RS2)、下2 cm(RX2)和整體4 cm(RQ4)的RAP進行抽提回收老化瀝青。

1.2 試驗

1.2.1 試驗方案

為了研究原路面自然老化和經加熱機加熱對不同老化梯度瀝青流變性能的影響，對不同深度瀝青混合料抽提回收老化瀝青，分別進行三大指標：布氏旋轉黏度(rotational viscosity, RV)、動態剪切流變(dymamic shear rheology,DSR)、彎曲梁流變(bending beam rheology, BBR)的試驗。

1.2.2 常規性能試驗

依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTG E20—2011[9]測試三大指標。由于SBS改性瀝青在長期老化下其優良的低溫延度變形特性下降較快，5 ℃延度不能有效反映瀝青老化延展特性，依照《公路瀝青路面再生技術規范》JTG/T 5521—2019[10]采用15 ℃延度評價老化瀝青的中溫延展性。

1.2.3 布氏旋轉黏度(RV)測試

黏度是評價瀝青高溫性能和和易性的重要指標，就地熱再生施工時老化瀝青黏度大小必須要適當，以保證良好的路用性能，測試不同溫度下(110、135、150、160 ℃)老化瀝青的黏度。

1.2.4 動態剪切流變(DSR)測試

采用TA-AR1500ex DSR(采用25 mm的平行板，板間距為1 mm)對老化瀝青進行溫度掃描和頻率掃描，試驗溫度范圍為58～76 ℃，間隔溫度為6 ℃，頻率掃描范圍為0.1～100 rad/s，評價指標為失效溫度(fail temperature)[11]。

1.2.5 彎曲梁流變儀(BBR)測試

BBR試驗溫度為-18 ℃，測試不同深度老化瀝青的蠕變勁度(S)和蠕變速率(m)，以評價低溫流變性能。

1.2.6 紅外熱像儀測試

采用FLUKE TiS50紅外熱像儀，探測器分辨率為220×165(36 300像素)，視場角為35.7°× 26.8°，溫度測量范圍為-20～450 ℃。

2 結果與討論

2.1 路表溫度檢測

采用FLUKE TiS50紅外熱像儀檢測瀝青路面表面層各個加熱階段的溫度分布情況，見圖1。為進一步了解溫度在同一橫截面的分布情況，分別在路邊、側邊與路中、路中選取溫度測量點，對比整個加熱過程中同一橫截面的路表溫度分布狀況，見圖2。

圖1 瀝青路面各個加熱階段紅外熱成像圖Fig.1 Infrared thermal imaging of asphalt pavement in different heating stages

圖2 同一截面溫度分布Fig.2 Temperature distribution in the same section

就地熱再生紅外熱輻射加熱可以有效提升路面溫度，在20～30 min內可以將路表溫度提升至200 ℃，部分高達240 ℃，路槽溫度高于100 ℃，可以實現再生層與中面層具有良好的熱黏接。在加熱過程中車道側邊與車道中間溫度較低，其中間部分溫度高，同一橫截面上存在溫度離析(圖2)，說明表面加熱不均勻。

瀝青的導熱系數較低，僅為玄武巖的1/10[12]，高溫加熱時使熱量集中聚集在表面層，短時間內很難滲透到下面，導致表面層瀝青加速老化，文獻[13]表明為了保證再生瀝青混合料的質量，路面加熱溫度不應大于180 ℃。本研究中就地熱再生施工過程時部分表面層溫度達到240 ℃，部分路表出現了泛油、焦糊的現象，可見表面層瀝青材料在高溫條件下發生了二次老化。

2.2 常規性能測試

采用常規性能試驗評價不同深度老化瀝青的高低溫性能，試驗結果見表1。由于不同深度瀝青的老化程度不同，引入“老化梯度”來表征不同深度瀝青的老化情況，同時便于對比高溫加熱前后不同深度老化瀝青的指標差異，老化梯度結果見圖3。根據不同深度瀝青進行編號，如“S2-X2”表示表面層2 cm與下2 cm測試指標差值的絕對值，“RX2-RQ4”表示經高溫加熱后表面層2 cm與上面層整體4 cm測試指標差值的絕對值。

表1 不同狀態老化瀝青試驗結果Table 1 Test results of aged asphalt in different states

圖3 不同深度瀝青老化梯度Fig.3 Aged gradient of asphalt with different depths

從表1可以看出，在自然老化狀態下，S2與X2在15 ℃延度、針入度等低溫指標上相差較大，說明上面層在自然老化狀態下瀝青存在明顯的老化梯度，即與環境直接接觸的表面層瀝青老化最為嚴重，從上到下瀝青老化程度逐步減小。從圖3可以看出，高溫加熱后RS2與RX2、RQ4在15 ℃延度、針入度、軟化點的差異大于原路面，RX2與X2的指標變化相差不大，說明高溫加熱主要影響表面層瀝青的性能，對下2 cm瀝青性能影響不大，從而導致不同深度瀝青的老化梯度增大。

2.3 溫度敏感性研究

黏度是表征瀝青高溫性能及高溫流動性的重要指標之一，老化瀝青的黏度隨溫度變化規律可以反映就地熱再生路面的路用性能，體現老化瀝青的溫度敏感性[14]。圖4給出了不同深度老化瀝青的黏度隨溫度的變化規律。根據ASTM 2493推薦的Saal公式對不同溫度下黏度進行回歸，并做lgη與lgT的黏溫曲線圖(圖5)，回歸方程的斜率絕對值為黏溫指數(VTS)(圖6)，黏溫指數越高，則老化瀝青的溫度敏感性就越大[15]。

不同深度老化瀝青的黏度隨溫度的升高而降低，由圖4可以看出高溫加熱對老化瀝青的黏度影響較大，RS2的黏度增長幅度最為明顯，RX2的黏度增長較小，S2的和易性整體優于RS2。

圖5可以看出不同深度老化瀝青的黏溫曲線關系較符合Saal公式，均有較好的線性相關性，結果比較可靠。表面層老化瀝青經高溫加熱后黏溫指數增大，說明高溫加熱導致老化瀝青發生了二次老化，導致RS2在高溫條件下(>100 ℃)的溫度敏感性不利，同時可以看出瀝青過度老化對溫度敏感性影響較大。

2.4 高溫流變性能研究

DSR測試得到G*和δ表征瀝青高溫流變性能

圖4 不同深度老化瀝青黏度-溫度規律Fig.4 Viscosity-temperature law of aged asphalt with different depths

圖5 不同深度老化瀝青黏溫曲線Fig.5 Viscosity-temperature curve of aged asphalt with different depths

的基本參數，采用G*/sinδ、失效溫度評價不同深度老化瀝青的高溫流變性能[16]，以車轍因子對數值和測試溫度的關系進行線性擬合，得出對應的擬合曲線公式，根據該線性擬合公式，計算G*/sinδ=1.0 kPa，即lg(G*/sinδ)=0時的溫度，即失效溫度，結果見表2。不同深度老化瀝青車轍因子見圖7，不同深度老化瀝青lg(G*/sinδ)-T圖見圖8。

圖6 不同深度老化瀝青VTS值Fig.6 VTS values of aged asphalt with different depths

圖7 不同深度老化瀝青車轍因子Fig.7 G*/sinδ of aged asphalt with different depths

圖8 不同深度老化瀝青lg(G*/sinδ)-T圖Fig.8 lg(G*/sinδ)-T diaram of aged asphalt with different depths

表2 不同深度老化瀝青的失效溫度Table 2 Fail temperature of aging asphalt with different depths

由圖7可以看出，經過高溫加熱后老化瀝青的G*增大，相位角δ減小，導致G*/sinδ增大，老化瀝青抵抗高溫流變變形能力增強，即瀝青中黏性成分減少，彈性成分增大。經過高溫加熱后不同深度老化瀝青的失效溫度呈現整體上升的趨勢，即高溫性能逐漸升高。相比于原路面老化瀝青，RS2、RX2、RQ4的失效溫度分別增長了3.37%、2.27%、1.36%，說明加熱后的表面層瀝青高溫流變性能增長較為顯著。

2.5 低溫流變性能研究

采用-18 ℃時的蠕變勁度S(低溫勁度模量)和m(蠕變勁度模量)來評價不同深度老化瀝青的低溫流變性能，S越大則老化瀝青的低溫彎曲流變性能越差，m越大則老化瀝青的松弛能力越強[17]。BBR試驗結果見圖9、圖10。

圖9 勁度模量SFig.9 Stiffness modulus S

圖10 勁度模量mFig.10 Stiffness modulus m

原路面老化瀝青經過高溫加熱后，S增大，m減小，由于高溫加熱導致老化瀝青發生了嚴重的二次老化，導致瀝青中的大分子含量增加，瀝青變硬變脆，低溫抗裂性能顯著下降，RX2和X2由于受到表面層的保護作用，經高溫加熱后低溫抗裂性能下降較小。綜合車轍因子、失效溫度來看，表面層瀝青在就地熱再生施工過程時由于表面溫度加熱過高原路面老化瀝青發生了二次老化，瀝青變硬變脆，導致老化瀝青的低溫性能下降明顯。

3 結論

通過紅外熱成像儀觀察路面表面層溫度的分布情況，研究了高溫加熱對不同深度老化瀝青高、低溫流變性能的影響，得到以下結論。

(1)紅外熱像儀溫度分布圖顯示，原路面經高溫加熱后路表部分區域溫度高達240 ℃，路表瀝青發生了二次老化；路槽溫度高于100 ℃，可以實現再生層與中面層具有良好的熱黏接；同一橫截面上不同區域存在溫度離析。

(2)從常規指標來看，上面層瀝青在自然老化狀態下存在明顯的老化梯度，從上到下瀝青老化程度逐步降低，高溫加熱后老化梯度增大。

(3)根據黏溫曲線可以看出，表面層老化瀝青經高溫加熱后表面層VTS增大，高溫加熱導致老化瀝青發生了二次老化，導致RS2在高溫條件下(大于100 ℃)的溫度敏感性不利。

(4)原路面老化瀝青經高溫加熱后，黏度、軟化點、車轍因子及失效溫度增加，低溫勁度模量S增加的同時蠕變勁度模量m顯著下降，高溫加熱后老化瀝青發生了二次老化，具體表現為老化瀝青高溫能力提升，低溫性能下降明顯，因此需要重點關注由于加熱溫度過高對表面層瀝青流變性能的影響。