回收瀝青材料的再生及其抗疲勞特性研究

作者簡介：

黃庭華（1975—），高級工程師，主要從事公路建設管理工作。

摘要：文章為探究再生劑和新瀝青對回收瀝青（RAB）再生抗疲勞特性的影響，分別采用不同摻量的再生劑和新瀝青對RAB進行再生，通過SARA試驗溫度掃描試驗、時間掃描試驗和線性振幅掃描（LAS）試驗對再生瀝青膠結料抗疲勞性能進行評價并將其與原樣瀝青進行對比分析。結果表明：添加瀝青再生劑使RAB針入度增大，軟化點降低，當加入新瀝青時，隨RAB摻量增加，瀝青質和膠質的含量增加，膠體指數也相應變大，而芳香分和飽和分含量減少；添加7.5%再生劑可使100% RAB材料抗疲勞性能恢復到原樣瀝青的水平，僅添加90#新瀝青可使摻量為50%的RAB材料的抗疲勞性能恢復到原樣瀝青的水平；疲勞壽命在高溫下對應變水平的依賴性較低，在應變水平相同的情況下，隨著溫度的升高，添加再生劑和新瀝青的RAB疲勞壽命均逐漸增加。

關鍵詞：回收瀝青（RAB）；再生劑；動態剪切流變（DSR）；抗疲勞性能

中圖分類號：U414.1文獻標識碼：A 17 051 4

0 引言

近年來，隨著公路養護里程的增加，翻修和大修過程中產生了大量廢舊瀝青混合料，對其進行再生不僅節約能源、保護環境，還降低了工程造價［1］。舊料回收的主要目的是恢復已老化瀝青的各項性能，加入新瀝青和配伍性好的再生劑是解決該問題的重要手段。

目前市面上再生劑主要是源自石油產品，不僅生產成本高，再生后疲勞性能也較差，無法大規模應用。部分學者研究表明，一些生物質瀝青再生劑具有造價低、再生性能良好且環保等特點，可用來恢復RAB的各項性能［2］。另外有部分學者采用加入新瀝青的方式來改善廢舊瀝青混合料中RAB的性能，達到了降低施工成本及環境保護的作用［3］。RAB對再生瀝青混合料的影響主要集中在疲勞開裂、低溫開裂和水穩定性方面，RAB的抗疲勞特性直接制約著其在再生瀝青混合料中的摻量。

為提升高摻量RAB的抗疲勞性能，本文采用加入再生劑和新瀝青兩種方式，通過四組分（SARA）試驗研究了再生劑和新瀝青對不同摻量RAB的化學性能的影響。利用動態剪切流變（DSR）進行溫度掃描、時間掃描和LAS試驗來評價其疲勞行為，比較再生劑和新瀝青對不同摻量RAB抗疲勞性能的影響，以期為RAB再生后的抗疲勞性能評價提供一定的參考。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1 瀝青

RAB由貴州某高速公路舊瀝青混合料經旋轉蒸發獲得（原使用瀝青為70#道路石油瀝青），新瀝青采用湖北國創提供的90#道路石油瀝青，作為對比樣的原樣70#道路石油瀝青由中遠海運國際貿易有限公司提供。三種瀝青的主要技術性能見表1。

1.1.2 再生劑

生物質再生劑采用廣西大學自主研發的低黏再生劑（RL-3），其組成配方如表2所示。

1.2 試驗方法

1.2.1 再生劑最佳摻量的確定

為確定再生劑的最佳摻量，以2%的RAB質量分數遞增加入再生劑，對試樣進行針入度和軟化點試驗。下頁圖1為不同再生劑摻量下回收瀝青針入度和軟化點的變化情況曲線。從圖1可以看出，隨再生劑摻量的增加，瀝青針入度增加，軟化點降低。以達到原樣瀝青針入度等級為參照，回歸得到RL-3的最佳摻量為7.5%，即針入度為65（0.1 mm）、軟化點為49 ℃。

1.2.2 試樣制備

將RAB放置于室溫，然后在150 ℃的溫度下加熱40 min，并在此溫度下將其與再生劑在剪切機中攪拌10 min，最后將攪拌好的樣品加熱10 min消除氣泡即可。本文采用7種不同配合比的瀝青試樣組合，組合方案見表3。

1.2.3 線性振幅掃描（LAS）試驗

LAS試驗用以表征本文所有瀝青試樣在剪切循環荷載下的疲勞特性。試驗分兩個階段進行：第一階段為頻率掃描試驗，確定損傷分析參數α，在恒溫和恒定應變（0.1%）及不同頻率范圍（0.2～30 Hz）下測定試樣的復數模量（G*）和瀝青的相位角（δ）；第二階段為振幅掃描試驗，在恒定頻率（10 Hz）的水平下，加載振幅由0.1%線性增加到30%。

LAS試驗結果的分析采用粘彈性連續介質損傷理論（VECD模型），該理論基于Schapery的功勢理論［4］：

（1）

式中：W——所做的功；

D——破壞強度；

α——材料常數。

基于矢量D理論，瀝青試樣在任意時間的疲勞破壞可通過式（2）算出：

Dt=∑ni=1πγi2（Ci-1-Ci）α1+α（ti-ti-1）11+α

（2）

式中：Dt——t時的疲勞破壞；

Ci——G*（t）/G*（初始值）；

G*——復數剪切模量；

γi——剪切應變；

α——未破壞時的材料特性參數。

疲勞方程見式（3）：

Nf=A·γ-B

（3）

式中：Nf——破壞循環次數；

γ——最大剪切應變；

A和B——疲勞方程的參數。

在LAS試驗中，以最大剪應力作為破壞準則，比采用G*·sinδ的35%作為破壞準則評價瀝青的抗疲勞性能與現場實測數據具有更好的相關性［5］。因此，本文以最大剪應力作為所有瀝青試樣的破壞準則（對應于峰值剪應力的破壞值），在8 ℃、20 ℃和30 ℃下分別進行LAS試驗。

1.2.4 時間掃描試驗

本文在20 ℃的應變控制模式（2.5%、3.5%和5%的應變水平）及10 Hz加載頻率下進行時間掃描試驗，當G*值達到其初始值50%時的循環次數為瀝青的疲勞壽命。

2 結果和討論

2.1 SARA試驗結果

表4為各瀝青試樣的SARA試驗結果。由表4可知，當加入90#新瀝青時，隨RAB摻量增加，瀝青質和膠質的含量增加，CI值也相應變大，而芳香分和飽和分含量減少。這是因為在瀝青老化過程中，芳香分的含量會轉化為膠質和瀝青質。當摻加再生劑時，隨RAB摻量增加，瀝青質和膠質含量同樣呈上升趨勢，但上升趨勢較僅加入新瀝青時較緩慢。

瀝青要形成穩定的膠體結構，CI值應為0.2～0.5，CI值越大，表明瀝青的硬度越高。由表4可知，RR50N的膠體結構不穩定。此外，由于RB20S、RB30S和RR30N的RAB含量低，所以其CI值較低。比較RAB和RR100的CI值發現，由于再生劑的軟化作用，膠體指數從0.62下降到0.48；比較RB50S、RR100和NB發現，RB50S和RR100的CI值與原樣瀝青相似，其膠體結構比較穩定。

2.2 DSR試驗結果

圖2為不同溫度下各瀝青試樣疲勞因子（G*·sinδ）的變化情況，G*·sinδ值越低，瀝青抗疲勞性能越好。由圖2可知，由于RAB的含量較低，RB20S、RB30S和RR30N的G*·sinδ相應較低，而RB50S和RR50N的G*·sinδ高于NB的G*·sinδ。比較RR100和NB的G*·sinδ曲線，可以看出摻加再生劑提高了RAB材料的抗疲勞性能，并使其達到了原樣瀝青的水平。

表5為20 ℃時各瀝青試樣的G*·sinδ值。由表5可知，除RR50N外所有瀝青試樣在20 ℃時的G*·sinδ值均低于原樣瀝青，這和四組分試驗中的結論一致。因RR50N的膠體結構不穩定導致其20 ℃時的G*·sinδ值較高。比較RB50S和NB在20 ℃時的G*·sinδ值可知，加入90#新瀝青可使RAB摻量最高達50%。通過比較RR100、RAB和NB在20 ℃時的G*·sinδ值可知，加入再生劑可使RAB摻量最高達100%，并使其達到了原樣瀝青的水平。

結合表4和表5可知，RB20S、RB30S和RR30N在20 ℃時具有較低的CI值和G*·sinδ值，而RR50N比其他瀝青試樣的CI和G*·sinδ值更高。結果表明，CI值越大，瀝青越硬，G*·sinδ值越高。因此，在含RAB的瀝青混合料中，瀝青膠結料的膠體結構會影響其路面的抗疲勞性能。

2.3 LAS試驗結果

表6為所有瀝青試樣的LAS參數A和B的平均值。由表6可知，隨著溫度的升高，LAS試驗的B參數減小，說明在LAS試驗中，疲勞壽命在高溫下對應變水平的依賴性較低。

圖3為20 ℃下瀝青在2.5%和5%剪切應變下的平均疲勞壽命情況。由圖3可知，隨RAB含量的增加，RR30N、RR50N和RR100瀝青的疲勞壽命呈增加趨勢，后兩種組合方案瀝青試樣的疲勞壽命甚至超過了NB。這是由于配方的變化使再生劑、70#瀝青和RAB之間的相容性逐漸變好。此外，經最佳摻量下再生劑軟化的RAB疲勞壽命也優于原樣70#瀝青。

比較RR100與RAB發現，添加再生劑后的RAB瀝青材料的疲勞壽命是原RAB疲勞壽命的幾倍，這表明再生劑可以恢復RAB的抗疲勞性能。在RAB中僅摻加90#新瀝青，隨RAB含量增加，疲勞壽命先增加（RB30S）后降低（RB50S）。這是因為與NB相比，RB50S的膠體指數較高，瀝青較硬導致其抗疲勞特性降低?？傮w來說，與原樣瀝青相比，摻再生劑和新瀝青均能使再生瀝青的抗疲勞性能提升。

下頁圖4為5%應變水平和不同試驗溫度下各瀝青試樣的疲勞壽命情況。由圖4可知，隨著溫度的升高，瀝青的疲勞壽命逐漸增加。比較RR100和NB的疲勞壽命發現，在20 ℃時，RR100的疲勞壽命是NB疲勞壽命的1.2倍，而在8 ℃和30 ℃溫度下，RR100的疲勞壽命是NB疲勞壽命的0.9倍。結果表明，在不同溫度下，使用再生劑均可以提高RR100瀝青試樣的疲勞壽命，且基本可達到原樣瀝青的水平。

各瀝青試樣在不同溫度下的疲勞壽命曲線如圖5所示。由圖5可知，剪切速率較低時，任何溫度下疲勞壽命之間的差異都不明顯，這表明在低應變水平下，試驗溫度對瀝青疲勞壽命的影響小于在高應變水平下的影響。

圖6為20 ℃時各瀝青試樣的應力-應變曲線。LAS試驗中剪切應力的降低是由于剪切應變導致瀝青試樣出現了破壞而引起的。從圖6可以看出，RB30S對應變的依賴性較低，其起始破壞發生在比其他試樣更高的應變水平。RR100的應力-應變曲線與NB的應力-應變曲線發生部分重疊，說明再生劑可再生高達100%的RAB。結合前文瀝青的疲勞壽命來看，疲勞壽命越長的瀝青材料在峰值剪應力下的應變值越高，7種瀝青試樣的峰值剪應變分別為8%、10%、7.75%、7.86%、7.8%、8%和7.64%。

2.4 時間掃描試驗結果

圖7為20 ℃時不同剪切應變水平下瀝青的疲勞壽命情況。如圖7所示，所有瀝青試樣（除應變水平為2.5%的RB20S）的疲勞壽命均高于NB，這表明在時間掃描試驗中，與原樣瀝青相比，摻加再生劑和新瀝青都會改善瀝青材料的抗疲勞性能。

3 結語

（1）采用再生劑和新瀝青均可以提高回收瀝青的抗疲勞性能。與原樣瀝青相比，加入7.5%再生劑的回收瀝青膠體結構穩定，膠體指數與原樣瀝青相比無明顯變化。

（2）在達到和原樣瀝青疲勞壽命大致相當的情況下，加入90#新瀝青可使RAB摻量最高達50%，加入再生劑可使RAB摻量最高達100%。

（3）在低應變水平下，試驗溫度對瀝青膠結料疲勞壽命的影響比在高應變水平下小。應力-應變曲線中峰值應力處的應變與疲勞壽命的相關性較好，疲勞壽命越長的瀝青材料在峰值剪應力下的應變值越高。

（4）時間掃描試驗與LAS試驗的結果相關性較高，均證明了摻加再生劑和新瀝青對RAB抗疲勞性能的改善情況，研究中可采用LAS試驗的結果作為表示瀝青疲勞壽命的指標。

參考文獻

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