SBS/納米SiO2復合改性再生瀝青混合料抗裂性能研究

李 鑫，余紅杰

（1.陜西空港市政配套管理有限公司，陜西 咸陽 712034；2.陜西西咸新區城建投資集團有限公司，陜西 咸陽 712034）

0 引言

隨著瀝青價格的不斷增長，以及社會對環保的重視，廢舊瀝青路面材料（RAP）在新建瀝青路面中的應用越來越普遍。盡管RAP 在新路上使用會節約部分集料和瀝青，但混凝土的力學性能需要引起重視，可能會引起路面使用性能的降低[1]。

從目前的研究來看，RAP 摻量對瀝青混合料性能影響方面，尤其需要重視路面開裂問題，包括低溫開裂和疲勞開裂現象。近年來，基于能量的試驗引起了較為廣泛的關注，包括半圓拉伸試驗（SCB）、Fenix 試驗和圓盤緊湊拉伸試驗（DCT）等等。DCT試驗由Wagoner 教授[2]經過改良與不斷試驗，已成為測定瀝青混合料抗裂性能的常規試驗方法。瀝青混合料抗疲勞性能測定與表征也是困擾眾多道路科技工作者的難題之一，較為科學合理的室內試驗方法在近些年中引起了廣泛的討論，Daniel 和Kim等[3]提出基于粘彈性損傷模型的疲勞試驗方法。該試驗方法可以較為準確地獲得混合料在一定應變水平及溫度下的疲勞結果，得到了道路工作者們的認可。

現以納米SiO2和SBS 作為改性劑，研究不同改性條件下，再生瀝青混合料的抗疲勞性能和抗低溫開裂性能，為更好地利用RAP 提供一定借鑒。

1 原材料性質

1.1 基質瀝青與集料

所采用的道路石油瀝青為殼牌70#，其性能指標見表1 所列，集料指標見表2 所列，瀝青和粗細集料的指標均滿足要求。

表1 瀝青主要技術指標一覽表

表2 集料與礦粉技術指標一覽表

1.2 RAP

RAP 選用某高速翻修后產生的舊路材料，采用阿布森法確定其舊瀝青試驗指標，見表3 所列。當再生料的摻量超過25%時，可稱為高RAP 摻量再生瀝青混合料，現選擇的RAP 摻量為30%。

表3 RAP 中瀝青性能試驗指標一覽表

1.3 納米S iO2

納米SiO2在常溫下呈現白色粉末無定型狀固體，粒徑在40～70nm 之間，納米SiO2微粒結構穩定，在高溫下仍能保持高強、高韌和穩定度等良好特征。現選用的納米SiO2摻量為瀝青摻量的5%，在摻加納米SiO2時要用硅烷偶聯劑KH-550 對納米SiO2進行有機化處理，以使納米SiO2改性瀝青的穩定性更好。

1.4 混合料級配及最佳瀝青用量

混合料級配的確定采用以下方法進行：（1）以0～5 mm 和5～10 mm 兩檔篩分RAP，新集料采用0～3 mm，3～5 mm，5～10 mm 和10～20 mm 進行篩分。（2）根據上述篩分結果，以30%RAP 的摻量，合成最接近遠側級配，見表4 所列。

表4 瀝青混合料級配一覽表

最佳瀝青用量的確定采用馬歇爾法進行確定。首先，將不同瀝青在165～170℃進行預熱，RAP 的預熱溫度為125℃；之后，將再生劑和RAP 放在攪拌鍋中，在溫度為190℃條件下拌合60 s，再加入新的集料后，繼續攪拌120 s，使新舊集料充分融合；最后，加入新的瀝青和礦粉，再次充分拌合。以馬歇爾力學性能指標和體積指標等確定最佳新瀝青的用量，最終確定在30% RAP 摻量下，最佳新瀝青用量為4.21%。

2 再生瀝青混合料的低溫抗裂性

現分別采用基于能量方法評價瀝青混合料低溫試驗的圓盤拉伸試驗，以及我國規范要求的低溫小梁試驗確定不同種類再生瀝青混合料的低溫抗裂性能。

2.1 圓盤拉伸（DCT）試驗

2.1.1 試驗條件及步驟

制作厚50 mm，直徑150 mm 的瀝青混合料圓盤試塊，經過鉆孔、人為制造裂縫成標準DCT 試件。DCT 試驗在MTS 試驗機中進行，試驗溫度為-12℃。試驗時，以1.0 mm/min 的速率控制裂縫的開口位移。在試驗過程中，記錄下荷載及位移的相關數據，以計算斷裂參數。在試驗過程中，每種瀝青混合料至少進行3 個平行試驗，以排除誤差的影響。

每次瀝青混合料DCT 試驗，均可得到一條荷載-位移曲線，以此曲線為基礎，可計算基于DCT 試驗的斷裂能，作為評價不同類型瀝青混合料的低溫性能。斷裂能計算方法見式（1）所示。

式中：Gf為斷裂能；Wf為破壞混合料試件所做功；t為試件厚度；L 為試件的斷裂區長度。

2.1.2 試驗結果與分析

圖1 為4 種再生瀝青混合料的斷裂能試驗結果柱狀圖。如圖1 所示，在30% RAP 摻量下的再生瀝青混合料斷裂能試驗結果均大于400 J/m2，這也符合國際上對于再生瀝青混合料低溫性能的評價標準[4]。從不同類型的再生瀝青混合料斷裂能數值來看，基質瀝青再生混合料的斷裂能數值最低，僅有452 J/m2，納米SiO2改性再生瀝青混合料斷裂能為623 J/m2，比基質瀝青再生瀝青混合料的斷裂能高38%，說明納米SiO2可以改善瀝青混合料的低溫性能，且好于SBS 改性劑。SBS/納米SiO2復合改性再生瀝青混合料的斷裂能值最高，為742 J/m2。此外，所有瀝青混合料均有三個平行試件，計算了四種不同瀝青混合料的斷裂能變異值，從圖1 中可以看出，SBS/ 納米SiO2復合改性瀝青的斷裂能變異性最低，而基質瀝青的變異性最高，由此可見復合改性再生瀝青混合料的性能會更穩定。

圖1 不同再生瀝青混合料的斷裂能結果柱狀圖

2.2 低溫小梁試驗

2.2.1 試驗條件與步驟

采用低溫小梁試驗對幾種再生瀝青混合料的低溫性能作技能型評價。根據規范要求成型長×寬×高=250 mm×30 mm×35 mm 的小梁試件，在-10℃條件下以50 mm·min-1的加載速率進行低溫彎曲試驗。

2.2.2 試驗結果與分析

圖2 和圖3 分別為不同瀝青混合料的抗彎拉應變值和抗彎拉強度值。從圖2 中可以看出，SBS/納米SiO2復合改性瀝青混合料的抗彎拉應變值最高，為4 625 με；基質瀝青瀝青混合料的抗彎拉應變值最低，為1 984 με；復合改性瀝青混合料的抗彎拉應變值為基質瀝青的2.33 倍。從圖3 中可以看出，復合改性瀝青混合料的抗彎拉強度值仍最大，為12.85 MPa，比基質瀝青再生混合料高了3.69 MPa。同時，納米SiO2改性再生瀝青混合料表現出了較好的低溫抗裂性能，其抗彎拉應變值為3 850 με，為基質瀝青時的1.96 倍，抗彎拉強度值比基質瀝青高了2.36 MPa。分析原因為，當納米SiO2均勻地分布在瀝青混合料中時，可使瀝青混合料在較低溫度下保持良好的柔性，且對瀝青混合料能夠起到一定的增韌作用。此外，在進行瀝青混合料低溫小梁試驗時，由于納米SiO2的模量高，抗拉強度大，納米SiO2也起到了一定的加筋作用，納米SiO2會對裂縫的產生、擴展起到一定的抑制作用。

圖2 不同瀝青混合料的抗彎拉應變對比柱狀圖

圖3 不同瀝青混合料的抗彎拉強度對比柱狀圖

3 再生瀝青混合料的疲勞性能

3.1 基于粘彈性損傷模型的疲勞試驗

不同瀝青混合料疲勞試驗在瀝青混合料簡單試驗機（AMPT）上進行。試驗時，保證10 Hz 的加載頻率，每種瀝青混合料共有4 個試件，采用4 個不同的應變水平，已確定疲勞損傷與加載次數之間的關系。

粘彈性連續損傷模型基于Schapery 的功勢理論（Work Potential Theory）而建立[5]。瀝青材料損傷速率可用式（2）表示：

式中：S 與瀝青材料的內部損傷相關；t 表示時間；α為瀝青材料的基本參數；WR為虛應變能密度，計算如式（3）所示：

式中：C（S）為瀝青材料的虛模量，是瀝青材料內部損傷S 的函數。

之后，根據Underwood 等的推導公式，得出混合料損傷與勁度模量的關系，見式（4）所示。

最后，根據每種混合料不同的損傷程度，應用數值分析方法可確定疲勞損傷標準（GR）與疲勞壽命次數（Nf）的關系，并將兩個參數在坐標中進行描述，可表征瀝青材料的抗疲勞性能。

3.2 疲勞試驗結果

圖4 為不同類型瀝青混合料疲勞試驗損傷特征曲線，其中C 代表材料的完整性，S 代表隨著疲勞加載的增加值。從圖4 中可以看出，隨著疲勞荷載（S）的增多，基質瀝青再生混合料的材料完整性最低，而SBS/ 納米SiO2復合改性再生瀝青混合料的材料完整性最高。從圖4 中還可以看出，當材料的完整性達到0.2 時，復合改性再生瀝青混合料的疲勞壽命為基質瀝青再生混合料的2 倍。

圖4 不同瀝青混合料的疲勞損傷曲線圖

圖5 為基于能量法的疲勞損傷結果，GR為基于能量失效標準的虛應變能釋放率，Nf為疲勞加載次數，且GR-Nf關系與試驗加載模式等無關，僅反映材料自身的疲勞行為。從圖5 中可以看出，SBS/ 納米SiO2復合改性再生瀝青混合料的疲勞壽命最好，而基質瀝青再生混合料的疲勞壽命較差。分析原因為，SBS 和納米SiO2使得瀝青和集料更好地結合在一起，形成較好的三維網狀結構，阻礙了裂縫的發展，且在疲勞荷載作用下，復合改性瀝青混合料的變形恢復能力更強，可能會有更好的自修復能力，從而綜合提升了瀝青混合料的抗疲勞性能。

圖5 不同瀝青混合料的GR-Nf 之間的關系圖

4 結論

（1）基于DCT 斷裂試驗和低溫小梁試驗結果表明，納米SiO2改性劑對再生瀝青混合料的低溫性能有較為良好的效果，而SBS/ 納米SiO2復合改性再生瀝青混合料的低溫開裂性更為優異。

（2）基于粘彈性連續損傷疲勞試驗表明，隨著疲勞荷載的增多，基質瀝青再生混合料的材料完整性最低，SBS/ 納米SiO2復合改性再生瀝青混合料的材料完整性最高，說明復合改性再生瀝青混合料的疲勞性能較好，有更高的疲勞壽命。

（3）低溫抗裂試驗和疲勞性能試驗均表明通過使用改性瀝青的方法會對再生瀝青混合料的抗裂性能產生重要影響。因此，在將來的使用中應合理進行材料的優化設計，并與當地氣候條件相適應。