基于Burgers模型的再生瀝青流變特性分析

牛彥峰

（山西交通控股集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

瀝青路面熱再生技術是近年來道路領域的熱門研究方向，而再生劑則是該技術的核心添加物[1-2]。通過向廢舊瀝青及混合料中添加再生劑，補充了瀝青在陽光、空氣、水等老化作用下缺失的成分，恢復瀝青適宜的流動與變形特性，進而可以再次應用到實際工程，具有顯著的經濟社會效益[3]。

目前，國內外諸多學者對再生劑進行了相關研究，取得了較為豐富的研究成果。周志剛[4]等采用傅立葉紅外光譜試驗及化學組分試驗提出再生瀝青組分含量隨再生劑摻量的非線性關系模型；張永興[5]等采用分子動力學模擬方法研究了再生劑與瀝青間的相互作用；聶憶華[6]等基于四組分試驗探討了瀝青再生時組分調和理論的適應性；冉龍飛等[7-8]通過DSC等試驗研究了SBS改性瀝青再生劑的高、低溫及流變性能。

不同類型與組分的再生劑對老化瀝青的還原效果也不盡相同，合理而準確地評價再生劑對瀝青性能的影響關系到再生劑的推廣使用。基于此，本文利用阿布森法從廢舊混合料中抽提原老化瀝青（記作O），摻入某再生劑后制備了再生瀝青（記作A），并對A瀝青進行旋轉薄膜烘箱老化試驗獲得了再生短期老化瀝青（記作RA）。在此基礎上，對O、A、RA三種瀝青進行了三大指標試驗及小梁彎曲流變試驗（BBR），并基于Burgers模型對再生瀝青的流變特性進行了分析。

1 試驗方案設計

1.1 原材料

再生劑的技術指標如表1所示，根據其60℃黏度檢測結果顯示其為RA-1型。

表1 再生劑技術指標

1.2 試驗方法

采用阿布森法抽提原老化瀝青（記作O），摻入再生劑后使用剪切機高速攪拌獲得再生瀝青（記作A），對再生瀝青進行旋轉薄膜烘箱試驗，得到再生短期老化瀝青（記作RA）。在獲得3種瀝青試樣后，分別進行瀝青三大指標試驗及低溫小梁彎曲流變試驗（BBR）。

BBR試驗的具體步驟，將預制好的瀝青小梁脫模后放入-18℃恒溫浴中保持1 h，通過調試使得瀝青小梁跨中荷載在980 mN左右，瀝青小梁加載時間240 s，卸載時間10 s，每隔0.5 s記錄瀝青小梁跨中位移。

2 試驗結果分析

2.1 三大指標試驗結果

老化瀝青、再生瀝青及再生老化瀝青的技術指標如表2與圖1所示?？梢钥吹?，再生劑的摻入顯著提高了25℃針入度、10℃延度，降低了軟化點，老化瀝青由“硬”變“軟”，瀝青的低溫抗裂性能有明顯提高。而在短期老化后，再生瀝青的針入度、延度小幅降低，軟化點略有升高，這與瀝青老化的規律相符合，即輕質油分被氧化部分轉化為瀝青質。3種瀝青試樣可以反映瀝青在不同老化程度下的性能表現，瀝青的老化程度越高，高溫性能越好而低溫性能越差。

表2 瀝青技術指標

圖1 瀝青技術指標示意圖

2.2 BBR試驗結果

3種瀝青BBR試驗結果如圖2～圖4所示，可以看出：a）瀝青小梁的蠕變變形過程包括：加載瞬時彈性變形、蠕變過程黏彈性變形以及卸載階段永久塑性變形；b）在荷載水平基本相同的條件下，每種瀝青的3種變形量并不相同，這反映了每種瀝青的勁度模量隨時間的變化存在差異；c）在穩態蠕變階段，相同的加載時間范圍內，瀝青小梁位移變化量不同，具體表現為：ΔO＜ΔRA＜ΔA，表明蠕變速率 kO＜kRA＜kA。

圖2 原樣瀝青BBR試驗結果

圖3 再生瀝青BBR試驗結果

圖4 再生短期老化瀝青BBR試驗結果

SHRP規范中，采用長期老化瀝青在60 s時小梁的勁度模量S和蠕變勁度變化率m來評價瀝青的低溫抗裂性[9]，并要求S≤300 MPa且m≥0.3，經計算可得到3種瀝青的S和m見于圖5和圖6。O、A、RA瀝青在60 s時的勁度模量分別為398.7 MPa、249.7 MPa、280.0 MPa，而 m 值分別為 0.246、0.321、0.311，說明再生劑的摻入提升了原瀝青的低溫抗裂性能，這與延度的表現相一致。根據標準，RA與A瀝青處于同一等級，表明該再生劑具有良好的抗老化能力。

圖5 瀝青小梁S(t)

圖6 瀝青小梁m值

3 再生瀝青流變特性分析

3.1 Burgers模型

瀝青具有蠕變和應力松弛的特性，Burgers模型[10]既可描述材料的蠕變和松弛行為，也可反映材料的彈性后效，能很好表征瀝青的黏彈特性。鑒于此，本文即采用該模型表征瀝青的黏彈性本構特性，其在加載、卸載階段的表達式見式（1）、式（2）。

加載階段：

卸載后：

在本文采用的BBR試驗中，經過變換可以得到小梁在加載階段任意時刻勁度模量的表達式（3）。

3.2 再生瀝青流變特性分析

采用Burgers模型擬合瀝青小梁蠕變勁度模量如圖7所示，擬合結果列于表3。

圖7 Burgers模型擬合曲線

從擬合曲線及參數可以看出：a）Burgers模型能夠準確地擬合瀝青小梁蠕變的整個過程，擬合的參數能夠表征再生瀝青的黏彈特性；b）E1稱為瞬時彈性模量，反映了瀝青路面抗彈性變形的能力，E1越大，瀝青抗彈性變形的能力越強；η1是產生永久變形的黏性系數，η1越大，在相同時間內瀝青產生的永久變形越小。E1A＜E1TA＜E1O，η1A＜η1TA＜η1O均表明摻入再生劑后，再生瀝青更容易產生變形，通過變形來降低瀝青路面在冬季產生的溫度應力，這對于提高瀝青路面的低溫抗裂能力是極為有利的。

表3 Burgers擬合結果 MPa

4 結論

a）瀝青老化程度越高，瀝青的抗變形能力越強，但其低溫抗裂性能更弱，再生劑可以還原瀝青的流變特性，改善其路用性能。

b）Burgers模型能夠準確地擬合瀝青小梁蠕變的整個過程，擬合的參數能夠表征再生瀝青的黏彈特性。

c）再生劑補充了原老化瀝青缺失的輕油成分，提高其蠕變速率，使得再生瀝青在低溫時擁有更優秀的變形能力，應力松弛能力增強，低溫抗裂性提高。