基于CAM模型的熱再生瀝青混合料動(dòng)態(tài)粘彈特性研究

蘭建麗，高學(xué)凱，孔繁盛

(1.山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心(有限公司),太原 030006；2.山西省交通科技研發(fā)有限公司,太原 030006; 3.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030006)

0 引 言

熱再生是瀝青路面再生利用的一種重要技術(shù)手段，其在治愈路面病害的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)路面材料循環(huán)利用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)保效益，在歐美國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。

近年來，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)就地?zé)嵩偕鸀r青混合料進(jìn)行了相關(guān)研究，就地?zé)嵩偕夹g(shù)在我國(guó)多個(gè)省市得到了實(shí)際應(yīng)用[4-6]。陳龍[7]、郭川[8]等通過小梁彎曲試驗(yàn)及半圓彎拉試驗(yàn)評(píng)價(jià)了熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性能；董玲云[9]、秦?zé)榌10]等分別采用間接拉伸疲勞試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)研究了不同應(yīng)變水平及不同瀝青混合料回收料(reclaimed asphalt pavement, RAP)摻量下熱再生瀝青混合料的疲勞性能；齊小飛[11]、汪小東[12]、羅代松[13]等對(duì)熱再生瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行了分析。可以看到，雖然關(guān)于熱再生技術(shù)已經(jīng)取得了較為豐富的成果，但研究方向主要集中于熱再生瀝青混合料的抗裂、水穩(wěn)及疲勞性能，而瀝青混合料作為典型的粘彈材料，其力學(xué)性能的表現(xiàn)由內(nèi)在的粘彈性質(zhì)所決定，因此有必要對(duì)熱再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)粘彈特性進(jìn)行深入研究。

動(dòng)態(tài)模量與相位角是反映瀝青混合料動(dòng)態(tài)粘彈特性的重要參數(shù)，也是瀝青路面設(shè)計(jì)過程中不可或缺的技術(shù)指標(biāo)[14-15]。基于此，本文選用重石油基與生物油基兩種再生劑制備瀝青混合料，并分別在9%、12%、15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)再生劑摻量下進(jìn)行瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)以及在4種溫度、6種頻率下進(jìn)行再生瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，同時(shí)根據(jù)時(shí)溫等效原理及改進(jìn)的Christensen-Anderson-Marasteanu(CAM)模型分析了再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)粘彈特性，研究結(jié)果為再生劑的選擇及再生瀝青路面理論設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

目前，再生劑按基礎(chǔ)油分來源可分為石油基再生劑與生物油基再生劑，本研究購置兩種不同類型再生劑并對(duì)其技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示，其中A為重石油基再生劑，B為生物油基再生劑。瀝青混合料回收料(RAP)來自山西某高速維修養(yǎng)護(hù)路段，其基礎(chǔ)性能測(cè)試結(jié)果列于表2，RAP篩分結(jié)果如圖1所示。

圖1 RAP篩分級(jí)配Fig.1 RAP sieve classification

表1 再生劑技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicators of regenerants

表2 RAP性能檢驗(yàn)結(jié)果Table 2 Properties experimental results of RAP

1.2 試驗(yàn)方案

由于RAP自身級(jí)配仍呈現(xiàn)出良好的“S”型曲線，故本次研究并未添加新集料，采用圖1所示級(jí)配進(jìn)行研究。首先，將兩種類型再生劑分別以9%、12%、15%摻量制備再生瀝青，并以瀝青25 ℃針入度、軟化點(diǎn)、10 ℃延度技術(shù)指標(biāo)確定再生劑最優(yōu)摻量。然后，以最優(yōu)再生劑摻量制備瀝青混合料，拌和完成后再生瀝青混合料以155 ℃在烘箱保溫2 h使再生劑與瀝青充分反應(yīng)，采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型φ150 mm×170 mm圓柱體試件，鉆芯切割得到φ100 mm×150 mm試驗(yàn)試樣，同時(shí)，對(duì)RAP采用相同的拌和條件成型試件并作為參照。最后，對(duì)三種瀝青混合料進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，一方面，瀝青路面所處實(shí)際溫度場(chǎng)為-20～60 ℃，為盡可能涵蓋瀝青路面使用溫度范圍，同時(shí)考慮本研究所用儀器UTM-130路面材料多功能伺服液壓動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)的控溫范圍，采用4.4 ℃、21 ℃、38 ℃、54 ℃(美國(guó)規(guī)范AASHTO TP 62-03推薦溫度)作為試驗(yàn)溫度。另一方面，車速越快，瀝青路面所受車輪荷載頻率越高，10 Hz荷載頻率相當(dāng)于車輛速度為60～65 km/h，為研究不同車速下瀝青混合料的力學(xué)響應(yīng)，本文采用0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz、25 Hz進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)按照溫度從低到高、頻率從高到低進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)計(jì)算可得到動(dòng)態(tài)模量及相位角參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 再生劑摻量

兩種類型再生劑在不同摻量下瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表3所示，從表中可以看出，隨著再生劑摻量的增加，再生瀝青的針入度、延度升高，軟化點(diǎn)下降，再生劑的摻入顯著提高了瀝青的延展性。兩種再生劑對(duì)瀝青性能的改善趨勢(shì)相一致，但改善的效果不同，相同摻量下，重石油基再生瀝青軟化點(diǎn)高而針入度、延度偏低，生物油基再生瀝青則相反。隨著摻量的增加，再生劑對(duì)瀝青性能的改善效果減弱，綜合考慮經(jīng)濟(jì)與使用性能，本文以12%作為再生劑最佳摻量并制備瀝青混合料進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)研究。

表3 不同摻量再生劑瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 3 Technical index of asphalts with different content of regenerant

2.2 動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

RAP、重石油基再生瀝青混合料(RAP+A)以及生物油基再生瀝青混合料(RAP+B)的動(dòng)態(tài)模量和相位角分別如圖2～圖4所示。可以看出：(1)三種瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量隨溫度、頻率的變化表現(xiàn)出了一致性，即隨著溫度降低、頻率增加，瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量增加；重石油基再生劑和生物油基再生劑的摻入并沒有改變混合料的溫度及頻率依賴性，但在每個(gè)溫度及頻率下的表現(xiàn)有所不同，即在低溫高頻時(shí)，生物油基再生瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量低于石油基再生瀝青混合料，而在高溫低頻時(shí)則相反。(2)三種瀝青混合料在不同溫度及頻率下的相位角發(fā)展趨勢(shì)并不一致。RAP、RAP+A和RAP+B的溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)分別為38 ℃、21 ℃、21 ℃，當(dāng)?shù)陀谠撧D(zhuǎn)折溫度時(shí)，瀝青混合料的相位角隨著頻率的增加而減小，當(dāng)高于該轉(zhuǎn)折溫度時(shí)，瀝青混合料的相位角隨頻率增加而增加。究其原因:在低溫高頻時(shí)，瀝青混合料更接近彈性體而更多表現(xiàn)出彈性性質(zhì)，其彈性性質(zhì)主要由集料貢獻(xiàn)；而在高溫低頻時(shí)，瀝青混合料向粘彈性體轉(zhuǎn)變，此時(shí)混合料彈性比例下降而粘性比例升高，其粘性性質(zhì)則主要受到瀝青膠結(jié)料影響，再生劑的摻入改變了瀝青的溫度敏感性，進(jìn)而影響到瀝青混合料的粘彈性質(zhì)。

圖2 RAP動(dòng)態(tài)模量與相位角Fig.2 RAP dynamic modulus and phase angle

圖4 RAP+B動(dòng)態(tài)模量與相位角Fig.4 RAP+B dynamic modulus and phase angle

3 基于CAM模型的熱再生瀝青混合料動(dòng)態(tài)粘彈特性主曲線分析

3.1 改進(jìn)的CAM模型

瀝青混合料作為一種典型的粘彈性材料，具有顯著的感溫性，根據(jù)時(shí)溫等效原理[17]可以將不同溫度下混合料的力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行平移，以得到更寬廣溫度和頻率下的力學(xué)特性。本文選用改進(jìn)的CAM[18]模型對(duì)再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)粘彈特性進(jìn)行分析，其中動(dòng)態(tài)模量和相位角的表達(dá)式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：δ為瀝青混合料相位角；δm為混合料粘性成分最高時(shí)相位角值；fd為相位角最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率；md、Rd分別為相位角主曲線形狀參數(shù)和流變參數(shù)。

3.2 再生瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量及相位角主曲線分析

3.2.1 動(dòng)態(tài)模量主曲線分析

以21 ℃作為基準(zhǔn)溫度，利用最小二乘法規(guī)劃求解，將其他三個(gè)溫度進(jìn)行平移后，采用改進(jìn)的CAM模型對(duì)三種混合料動(dòng)態(tài)模量進(jìn)行擬合分析，繪制瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線，如圖5所示，擬合結(jié)果列于表4。

當(dāng)汽車行駛速度為60 km/h左右時(shí)，相當(dāng)于加載頻率為10 Hz，從圖5和表4中可以看出：(1)改進(jìn)的CAM模型可以良好地?cái)M合瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量隨頻率的變化，擬合精度在0.950以上；當(dāng)加載頻率大于10 Hz時(shí)，三種瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的大小順序?yàn)镽AP>RAP+A>RAP+B，高頻對(duì)應(yīng)低溫，這表明兩種再生劑的摻入降低了瀝青混合料在低溫時(shí)的動(dòng)態(tài)模量，從而更易產(chǎn)生變形釋放溫度應(yīng)力；CAM模型擬合結(jié)果也證明了這點(diǎn)，其擬合參數(shù)fc反映了瀝青混合料粘性成分和彈性成分相同時(shí)的頻率，fc越高，低溫抗裂性能越好[19]。(2)當(dāng)加載頻率小于0.01 Hz時(shí)，三種瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量的大小順序?yàn)镽AP>RAP+B>RAP+A，低頻對(duì)應(yīng)高溫，由于再生劑的摻入降低了瀝青膠結(jié)料的粘度，使得瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有所降低。(3)擬合參數(shù)中me和R反映了混合料的感溫性，me和R越低表明混合料對(duì)溫度越不敏感[18]，me和R擬合結(jié)果大小順序均為RAP>RAP+A>RAP+B，這顯示生物油基再生瀝青混合料的感溫性優(yōu)于石油基再生瀝青混合料，而RAP的感溫性最差。

表4 動(dòng)態(tài)模量主曲線擬合參數(shù)Table 4 Dynamic modulus master curve fitting parameters

圖5 動(dòng)態(tài)模量主曲線Fig.5 Dynamic modulus master curves

3.2.2 相位角主曲線分析

相位角是反映瀝青混合料粘彈性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，其表征了瀝青混合料的粘彈性比例變化，相位角越高表明粘性成分越大，根據(jù)改進(jìn)的CAM模型擬合三種瀝青混合料相位角主曲線，如圖6所示，擬合結(jié)果列于表5，從中可以看出：(1)改進(jìn)的CAM模型能夠良好地?cái)M合瀝青混合料平移后的相位角主曲線，擬合精度高于0.950，可以通過擬合的方程推測(cè)出瀝青混合料在不同頻率下的相位角。(2)兩種再生劑的摻入均使瀝青混合料相位角峰值延后及峰值提高，擬合參數(shù)fd大小順序?yàn)镽AP+B>RAP+A>RAP，且當(dāng)加載頻率高于10 Hz后，混合料相位角大小順序?yàn)镽AP+B>RAP+A，表明生物油基再生瀝青混合料在低溫時(shí)可以呈現(xiàn)出更多的粘性性質(zhì)，即更容易產(chǎn)生流動(dòng)變形，這對(duì)于抵抗低溫抗裂是極為有利的。(3)當(dāng)加載頻率小于0.01 Hz后，混合料相位角大小順序?yàn)镽AP>RAP+A>RAP+B，這說明在高溫時(shí)生物油基再生瀝青混合料的彈性比例高于重石油基再生瀝青混合料，這對(duì)于提高瀝青混合料的高溫性能是有積極作用的。

圖6 相位角主曲線Fig.6 Phase angle master curves

表5 相位角主曲線擬合參數(shù)Table 5 Phase angle master curve fitting parameters

4 結(jié) 論

(1)隨著再生劑摻量的增加，再生瀝青的針入度、延度升高，軟化點(diǎn)下降，再生劑的摻入顯著提高了瀝青的延展性。重石油基與生物油基兩種再生劑對(duì)老化瀝青性能的改善趨勢(shì)相一致，但改善效果并不完全相同，在相同摻量下，重石油基再生瀝青高溫穩(wěn)定性更好而低溫延展性略差。

(2)兩種再生劑均改變了RAP的感溫性與粘彈特性，使得再生瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量降低而相位角升高；改進(jìn)的CAM模型能夠良好地?cái)M合再生瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量和相位角隨頻率的發(fā)展變化，擬合精度均在0.950以上。

(3)兩種再生瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量與相位角大小關(guān)系受加載頻率影響，當(dāng)加載頻率高于10 Hz后，生物油基再生瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量更低而相位角更高，當(dāng)加載頻率低于0.01 Hz時(shí)則相反，這對(duì)于同時(shí)提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性及低溫抗裂性是有利的。