表面活性型溫拌再生劑對再生瀝青性能的影響研究
2023-12-29 00:00:00李鵬飛胡茂密
西部交通科技 2023年6期
作者簡介：李鵬飛（1989—），碩士，工程師，主要從事道路工程設計及咨詢工作。
摘要：文章基于自制的表面活性型溫拌再生劑（WL-2H），對不同WL-2H摻量下溫拌再生瀝青的針入度、延度和軟化點進行分析。采用紅外光譜對WL-2H的再生機理進行分析；采用MSCR對溫拌再生瀝青的高溫性能進行研究；采用DSR時間掃描對溫拌再生瀝青的疲勞性能進行分析；采用FDT和BBR對溫拌再生瀝青的低溫性能進行研究。結果表明：當WL-2H摻量達到7%時，溫拌再生瀝青的針入度和軟化點均可恢復到基質瀝青水平，而延度恢復較差；WL-2H在再生過程中僅起著稀釋溶解、調和組分的作用；隨著WL-2H摻量的增加，溫拌再生瀝青的高溫性能逐漸降低，疲勞性能先增加再降低，低溫性能不斷增強。
關鍵詞：表面活性；溫拌再生劑；再生機理；瀝青性能
中圖分類號：U416.03A140454
0 引言
溫拌再生技術既能降低混合料熱處理所需能耗，又可減少瀝青煙等有害氣體排放，具有極高的經濟效益、社會效益與環境效益［1］。在“碳達峰”“碳中和”的雙碳背景下，節能減排型的溫拌再生技術具有良好的應用前景和價值。
有關學者已對溫拌再生技術進行了研究。Rajib B. Mallick等［2］將Sasobit首次加入到含RAP的瀝青混合料中，結果表明，溫拌再生技術可以在保證路用性能與熱拌再生瀝青混合料相似的前提下降低拌和溫度。F.C.G.Martinho等［3］的研究表明，表面活性劑能夠提高溫拌再生瀝青混合料的水穩定性和溫度敏感性。李強等［4］通過DSR和BBR對二次老化后的溫拌再生瀝青結合料進行了研究，結果表明二次老化和添加Sasobit均能增強其高溫性能、降低低溫性能，添加Evotherm能降低高溫性能。
現有對溫拌再生技術的研究多是將一種溫拌劑加入老化瀝青中進行試驗，并未將溫拌劑和再生劑復配形成溫拌再生劑。此外，現有研究多集中于溫拌再生瀝青的高溫性能，關于低溫性能和疲勞性能的研究相對較少。因此，本文采用表面活性劑和輕質油自制表面活性型溫拌再生劑（WL-2H），對老化瀝青進行溫拌再生，利用多種試驗手段對溫拌再生瀝青的常規性能、再生機理、高溫性能、低溫性能和疲勞性能進行全面分析和評價。
1 試驗
1.1 試驗材料及質量檢測
1.1.1 原樣瀝青和老化瀝青
原樣瀝青來自某瀝青拌和站，所取瀝青為70#基質瀝青。采用RTFOT（85 min）與自制的熱光水耦合老化試驗箱（15 d）結合的方法模擬制備老化瀝青。相關技術指標見表1。
1.1.2 溫拌再生劑制備
溫拌再生技術是溫拌技術和熱拌再生技術的融合，溫拌劑的選擇尤為關鍵。根據相關研究，表面活性劑分子的一端為親水的極性基團，另一端為親油的非極性基團，其不對稱的結構使其具有獨特的界面活性作用，能夠改善瀝青-集料體系的潤濕性質，降低瀝青的表面張力，使其能夠潤濕集料表面，從而達到溫拌的目的［5］。因此，本文選擇表面活性劑作為溫拌組分。
本文自制的表面活性型溫拌再生劑（WL-2H）由三種表面活性劑和兩種輕質油復配而成。其中，溫拌組分為三種表面活性劑：單硬脂酸甘油酯、失水山梨醇脂肪酸酯（S80）、油酸二乙醇酰胺（ODEA）;再生組分為兩種輕質油：亞麻油和環氧大豆油（ESO）。采用層次分析法對多因素多水平進行分析，最終確定WL-2H的配方為溫拌組分∶再生組分=7∶3，其中溫拌組分比例為：單硬脂酸甘油酯∶S80∶ODEA=22.2∶12.9∶11.1；再生組分比例為：亞麻油∶ESO=46.6∶7.2。WL-2H的指標見表2。
1.1.3 溫拌再生瀝青制備
將占老化瀝青質量0、3%、5%、7%、9%、11%的WL-2H分別加入老化瀝青中制備成溫拌再生瀝青。將原樣瀝青和再生瀝青的常規性能進行對比分析，WL-2H的最佳摻量為7%，具體結果見表3。
1.2 試驗方案
1.2.1 動態剪切流變儀（DSR）
DSR多重應力蠕變試驗（MSCR）的溫度設定為60 ℃，加載時間為1 s，卸載時間為9 s，10 s為一個周期，一共為10個周期，取10個周期的平均值作為測試值。
DSR時間掃描試驗采用應力控制，應力設定為0.1 MPa，溫度設定為30 ℃，平行鋁板直徑為8 mm，間距為2 mm，采用正弦荷載，頻率設定為10 Hz（與實際行車速度60 km/h相對應），當復數剪切模量超過其初始值的1/2以上時停止試驗。
1.2.2 測力延度試驗（FDT）
FDT采用普通“8”字模，溫度設定為10 ℃，拉伸速率為50 mm/min，當試樣斷裂或拉力為0時停止試驗。
1.2.3 彎曲梁流變儀（BBR）
BBR試驗的試樣尺寸為120 mm×12.7 mm×6.5 mm，溫度為-12 ℃和-18 ℃，加載時間為240 s。
1.2.4 紅外光譜
紅外光譜圖測試儀器采用Perkin Elmer公司生產的Spectrum100紅外光譜儀，采用origin的基線校準和尋峰功能進行紅外光譜圖的基線校準以及獲取各吸收峰的橫坐標。
2 試驗結果與討論
2.1 溫拌再生瀝青的再生機理
基質瀝青、老化瀝青、再生瀝青的紅外光譜圖見圖1。
根據圖1可知，老化瀝青、基質瀝青、再生瀝青的吸收峰位置基本相同，但吸收峰的強弱各不相同，說明將WL-2H加入老化瀝青中使其性能得到改善，但WL-2H并未與老化瀝青發生化學反應，僅起到稀釋、溶解和調和組分的物理作用。
2.2 溫拌再生瀝青的高溫性能
相關研究表明，使用車轍因子來評價瀝青的高溫性能存在局限性［6］，故本文采用DSR多重應力蠕變模式（MSCR）對溫拌再生瀝青的高溫性能進行研究。
不同WL-2H摻量下的溫拌再生瀝青10個周期的蠕變恢復曲線見圖2～3。
由圖2～3可知，隨著加載時間和WL-2H摻量的增加，最終累計應變越大。根據ASTM D7405-2計算不可恢復柔量Jnr和恢復率R，將R和Jnr的平均值與WL-2H摻量按式（1）進行擬合，結果見圖4～5。
由圖4～5可知，隨著WL-2H的摻量不斷增加，R呈一次函數減小，Jnr呈一次函數增加。這是因為WL-2H中的輕質油分在大分子結構間起隔斷作用，打斷了瀝青網狀拓撲結構的節點，導致瀝青彈性下降，柔順性增強，高溫性能降低。
進一步分析可知：
Jnr=γuτ=γt-γrτ=γtτ-γrγtτγt=1-RG（2）［7］
式中：G——剪切模量（MPa）。
由式（2）可知，瀝青剛度越大，G就越大，Jnr越小；瀝青彈性比例越大，R就越大，Jnr同樣變小。R僅能用于表征瀝青對變形的恢復能力，具有一定的片面性；而Jnr既能表征瀝青對變形的恢復能力，又能表征瀝青對變形的抵抗能力，能夠更全面地反映瀝青的高溫性能。
2.3 溫拌再生瀝青的疲勞性能
相關研究表明，G*·sin δ難以反映重復加載后瀝青疲勞性能的變化情況，與瀝青膠結料的實際疲勞壽命相關性較低［8］，因此，本文采用DSR時間掃描模式對溫拌再生瀝青的疲勞性能進行研究。
將復數剪切模量G*與加載次數n的曲線按式（3）進行擬合，將溫拌再生瀝青初始G*的1/2代入所擬合的公式中求得N50，結果見圖6～7。
y=A+B×x1+C×x2+D×x3（3）
由圖6可知，在同一n值下，隨著WL-2H摻量的增加，G*逐漸降低，這是因為WL-2H中的輕質油分能夠軟化老化瀝青，進而改善其疲勞性能。由圖7可知，隨著WL-2H摻量的增加，N50先上升再下降，對應著溫拌再生瀝青的疲勞壽命先上升再下降。當WL-2H摻量為5%時，N50達到峰值且略低于基質瀝青，故應對WL-2H摻量予以一定的限制，以保證抗疲勞性能達到較高水平。
2.4 溫拌再生瀝青的低溫性能
2.4.1 FDT
通過FDT試驗，可以得到拉力與延度曲線，利用origin的尋峰功能獲取拉力與延度曲線的峰值力Fmax及其對應的峰值延度Dmax，按式（4）求得拉伸柔度f。
相關研究表明，f考慮了拉力和變形兩個因素對低溫性能的影響，能夠更好地評價瀝青的低溫性能。由圖8可知，隨著WL-2H摻量的增加，f不斷上升，且當WL-2H摻量達到9%時的f與基質瀝青相當，說明WL-2H能夠有效地恢復老化瀝青的低溫抗裂性能。
2.4.2 BBR
BBR采用低溫勁度模量S和勁度模量變化率m等指標評價溫拌再生瀝青的低溫性能。
由圖9可知，隨著WL-2H摻量的增加，S不斷減小，低溫變形能力增強。由圖10可知，隨著WL-2H摻量的增加，m逐漸升高，應力松弛能力變強。由此說明，WL-2H恢復了老化瀝青的低溫開裂性能。
相關研究表明，單獨采用S或m作為瀝青低溫性能的評價指標不夠準確，建議將S除以m得到K指標；K指標既能反映瀝青的低溫變形能力，又能反映應力松弛能力，能夠更加全面地反映瀝青的低溫抗裂能力［9］。根據AASHTO MP1規范，S應lt;300 MPa，m應gt;0.3，故K應lt;1 000 MPa。
由圖11可知，隨著WL-2H摻量的增加，K不斷減小。只有當WL-2H摻量為0%時，-12 ℃的Kgt;1 000 MPa；當WL-2H摻量為0%、3%、5%時，-18 ℃的Kgt;1 000 MPa。這說明WL-2H能夠恢復老化瀝青的低溫性能，且WL-2H摻量越大恢復效果越好，與測力延度的分析結果相吻合。
3 結語
本文基于自制的表面活性型溫拌再生劑（WL-2H）對溫拌再生瀝青的常規性能、再生機理、高溫性能、疲勞性能和低溫抗裂性能進行了研究，得出以下結論：
（1）隨著WL-2H摻量的增加，溫拌再生瀝青的針入度和延度增加，軟化點降低。當WL-2H摻量達到7%時，溫拌再生瀝青的針入度和軟化點均恢復到了基質瀝青水平，而延度恢復較差。
（2）WL-2H在再生過程中起到了稀釋溶解、調和組分的作用，并未與老化瀝青發生化學反應。
（3）Jnr均隨WL-2H摻量的增加而降低，說明WL-2H對老化瀝青的高溫性能有一定的降低作用。
（4）隨著WL-2H摻量的增加，N50先上升后下降，說明在一定的WL-2H摻量下，WL-2H能提高溫拌再生瀝青的抗疲勞性能，但過量則會降低。
（5）隨著WL-2H摻量的增加，f不斷增加，K逐漸降低，低溫抗裂性能增強，這說明WL-2H能夠有效地恢復老化瀝青的低溫抗裂性。
參考文獻
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