旧普通沥青改性热再生辨识性指标研究

邹桂莲, 谢辉端, 于华洋*, 冯启军, 吴晓强

(1.华南理工大学 土木与交通学院, 广东 广州 510641;2.菏泽市公路事业发展中心, 山东 菏泽 274000;3.民航中南机场设计研究院(广州)有限公司, 广东 广州 510440)

0 引言

我国国省干线公路以及高速公路沥青路面中面层普遍采用普通沥青混合料,在大中修、改扩建过程中产生大量的普通沥青RAP料,而日益繁重的交通状况要求路面具有更强的高温抗车辙能力、更好的耐久性,因此对普通沥青RAP料进行SBS改性热再生成为最佳解决方案之一。SBS改性沥青独特的黏弹特性可以显著提高路面的高温性能、水稳定性以及疲劳性能[1]。疲劳寿命衰减是再生路面的弱点,因此,疲劳寿命是评价改性热再生效果的重要指标,但疲劳试验方法非常繁琐、对人员与设备要求高,试验周期长。我国2008年颁布、2019年修订的《公路沥青路面再生技术规范》均没有涉及普通RAP料的改性再生的问题,相关的研究也较少。为了反映普通沥青RAP料改性热再生效果,提出一个与再生沥青关键性能相关、体现SBS特性程度的试验方法及辨识性指标是亟待解答的问题。邹桂莲、秦欢等的研究表明,黏韧性、弹性恢复率等是表征SBS改性沥青的特征性指标,其中韧性指标对老化和再生敏感性强,而弹性恢复指标的辨识性不显著[2-3]。Amir[4]用韧性指数对SBS改性沥青混合料性能进行表征。本文中基于黏韧性试验的荷载-变形曲线形态,提出韧性变形速率作为辨识性评价指标,并验证辨识性指标与疲劳性能的相关性。

1 原材料

1.1 旧普通沥青

采用我国最普遍使用的70#沥青,通过控制旋转薄膜烘箱的老化时间批量制备不同针入度等级的老化沥青,标记为R(10-20)、R(20-30)、R(30-40),以R(10-20)为例,代表老化之后的沥青25 ℃针入度在10～20(0.1 mm)区间。老化普通沥青技术指标见表1,除检测三大指标外,还检测了与施工和易性密切相关的135 ℃黏度。

表1 老化普通沥青技术指标Tab.1 Technical indexes aging ordinary asphalt

1.2 新SBS改性沥青

新沥青采用不同针入度等级的SBS改性沥青,标记为P(40-60)、P(60-80)、P(80-100)、P(100-110)、P(110-120),其主要技术指标见表2。

表2 新SBS改性沥青技术指标Tab.2 Technical indexes of new SBS modified asphalt

2 基于黏韧性曲线形态的辨识性指标

已有研究表明,沥青三大指标再生后恢复程度不同步,且无法反映SBS改性沥青的黏弹特性[5]。黏韧性试验是为了评价改性沥青黏弹特性提出的相对简易的试验方法,日本的技术标准中将黏韧性值与韧性值作为评价SBS改性沥青质量的指标,也常被我国工程招投标与质量控制中采用。

2.1 旧普通沥青、新SBS改性沥青黏韧性曲线及形态分析

研究采用的黏韧性试验,试验温度为25 ℃,拉伸速度为500 mm/min。3种老化的普通沥青的黏韧性曲线与5种新SBS改性沥青的新、旧沥青黏韧性曲线如图1所示。

(a) 旧普通沥青黏韧性曲线

(b) 新SBS改性沥青黏韧性曲线

图1(a)结果表明,普通沥青的黏韧性曲线只有黏性部分,没有韧性部分,老化越严重,其黏性部分的曲线峰值越高,变形越小,呈现窄而高的单峰形态。图1(b)结果表明,SBS改性沥青的黏韧性曲线具有明显的韧性部分,呈现双峰形态。随着SBS改性沥青针入度增大,SBS改性沥青黏韧性曲线形态发生规律性改变,针入度等级提高,承受的荷载的第一峰与第二峰的峰值均下降,总变形量增大,曲线上存在一个力学上的屈服阶段。随后荷载第二次增大,此后变形增长迅速而荷载增长缓慢,然后再发生破坏。越软的沥青在第二阶段的变形增长越大,说明新沥青中轻质油分含量提高可增大变形量,但承受荷载的能力下降,韧性部分的曲线形态呈现低而宽的形态,从图形上看,SBS改性沥青P(40-60)与P(60-80)的韧性部分的值比较接近,但形态存在明显差异,2种沥青的性能明显不同,说明仅凭韧性指标不能很好地辨识这2种沥青的特性,需要考虑曲线形态对性能的影响。

2.2 再生沥青黏韧性曲线及形态分析

通过改变单一变量,研究新SBS改性沥青性能与旧普通沥青掺量对再生沥青性能影响。首先采用5种不同针入度等级的新SBS改性沥青对15%的旧普通沥青R(30-40)进行再生,然后改变旧沥青掺量,采用15%、35%、50%掺量的旧普通沥青R(30-40)与新SBS改性沥青P(40-60)进行热再生,得到的再生沥青黏韧性曲线如图2所示。

(a) 新SBS沥青对再生沥青黏韧性曲线形态的影响

(b) 旧沥青掺量对改性再生沥青黏韧性曲线形态的影响

由图2(a)可知,采用不同标号的新SBS改性沥青对15%掺量旧的普通沥青进行再生时,再生沥青荷载变形图呈现双峰状态。随着SBS改性沥青标号提高,承受的荷载的第一峰与第二峰的峰值均下降,因旧沥青掺量较少,其再生规律与新的SBS改性沥青荷载变形曲线变化规律基本一致。由图2(b)可知,对普通沥青R(30-40)进行改性热再生时,曲线具有明显的韧性部分,随着旧沥青掺量的增加,第一峰值增大,屈服点位置差别不大,但双峰形态逐渐消失,变形量持续增长。

2.3 基于黏韧性曲线形态辨识性指标

辨识性指标是指能够准确评价再生沥青再生效果,且区分度高的指标。改性热再生沥青的黏韧性曲线的韧性部分反映了SBS嵌段共聚物增强增韧的效果[5-8], 是SBS改性特性的重要体现,但试验结果表明,韧性值的大小不足以区分其改性效果,曲线形态更能反映SBS特性。

基于曲线形态,提出了韧性变形速率指标,该指标是一个基于微分学意义的指标,其物理意义表示在单位力和单位时间作用下的韧性变形。韧性变形速率Vrt计算如式(1),韧性变形速率计算示意图如图3所示。

(1)

由于Δx=vΔt,v是试验拉伸速率,为恒定值500 mm/min,对上式(1)进行进一步处理得

(2)

再生沥青黏韧性技术指标见表3。

表3 再生沥青黏韧性技术指标Tab.3 Technical indexes of viscosity of recycled asphalt

由表3可以看出:旧普通沥青改性热再生后,对于同一掺量的旧普通沥青,随着新SBS改性沥青标号的提高,再生沥青韧性变形速率增加;对于同一新SBS改性沥青,随着旧普通沥青掺量的提高,再生沥青韧性变形速率降低。15%R(30-40)+P(60-80)、15%R(30-40)+P(80-100)、35%R(30-40)+P(40-60)3种再生方案的韧性值分别为18.7、17.8、17.0 N·m,韧性值差别不大的3种再生沥青,其韧性变形速率差别显著。

2.4 指标区分度

为了定量分析黏韧性技术指标的区分度,引入指标变化率P对黏韧性、韧性韧性变形速率进行分析。

(3)

将表3中所有的新旧沥青掺配方案所对应的黏韧性、韧性和韧性变形速率值代入上式(3)中,可以得到黏韧性、韧性和韧性变形速率的变化率由大到小排列分别为17.5%、15.1%、40.9%。

韧性变形速率变化率达到40.9%,明显大于黏韧性、韧性指标,说明相较于黏韧性、韧性,再生沥青的韧性变形速率指标变化幅度大,对辨识SBS改性沥青再生效果的区分度好。

3 改性热再生疲劳性能研究

SBS改性沥青具有独特的黏弹性能,从而赋予其独特的高温性能和疲劳性能[9-10]。对于老化的沥青,其高温性能显著提升,但疲劳性能有所下降[11]。旧路再生后可提高高温抗车辙性能是行业共识,但近几年工程实践中发现再生沥青路面的大中修养护时间提前,因此,旧路再生后的疲劳性能开始备受关注,能够反映疲劳性能的指标在评价再生效果时更具有辨识性。

采用线性振幅试验(linear amplitude sweep,LAS)[12-16]对旧普通沥青改性再生后疲劳性能进行评价,试验温度为25 ℃。试验分为频率扫描和振幅扫描,其中频率扫描采用加载应变为0.1%,频率扫描范围0.1～30.0 Hz;振幅扫描采用控制频率为10.0 Hz,应变范围为0.1%～30.0%。基于AASHTO TP 101-14标准[17]的VECD模型计算疲劳寿命,同时根据文献[18]的研究结论,推荐厚度较大的路面(大于12 cm)采用2.5%应变,较薄的路面采用5.0%应变对沥青疲劳寿命进行分析,因此采用疲劳参数Nf2.5%、Nf5,0%对再生沥青疲劳性能进行评价。

旧的普通沥青改性热再生后的再生沥青剪切应力-应变曲线如图4所示,线性振幅试验参数2.5%与 5.0%应变水平条件下,得到的再生沥青LAS试验结果见表4。

图4 再生沥青剪切应力-应变曲线Fig 4 Shear stress-strain curves of reclaimed asphalt

表4 再生沥青LAS试验结果Tab.4 Reclaimed asphalt LAS test results

由图4和表4可知,新SBS改性沥青越软,再生沥青的屈服应力越小,相对应的疲劳性能越好,表明在重复荷载作用下所能承受的应力-应变能力越强;另外,再生沥青切应力峰值所对应的切应变随着老化沥青掺量的增加而变小,相应的疲劳性能下降。相比于普通沥青,由于SBS的加入,改性再生沥青到达应力峰值后,随着应变增加,其还能维持一定的应力水平,疲劳性能显著改善。应变水平显著影响沥青疲劳寿命,5.0%应变水平的疲劳寿命只有2.5%应变水平疲劳寿命的15%～20%,因此,增加道路结构层厚度,减小应变,可显著提高道路结构寿命。

SBS改性沥青可显著提高旧普通沥青的疲劳寿命,旧普通沥青经改性再生后,疲劳寿命可提高2～6倍。旧普通沥青掺量不变时,选用的新SBS改性沥青越软,再生沥青疲劳寿命越长;新SBS改性沥青相同时,旧普通沥青掺量增大,再生沥青的疲劳寿命逐渐缩短。

4 辨识性指标与疲劳寿命的相关性

通过分析疲劳指标与韧性变形速率、韧性指标的相关性,得到的韧性指标与疲劳寿命的关系如图5所示。由图可见,韧性变形速率与再生沥青疲劳寿命呈线性相关,相关系数R2达到0.9以上,2.5%应变控制的疲劳寿命与韧性变形速率的相关系数R2高达0.985,该指标可准确辨识旧普通沥青改性热再生沥青的再生效果,反映了韧性和韧性变形速率指标对再生效果评价的准确性。韧性值与疲劳寿命的数据非常离散,相关系数R2仅为0.002,表明二者之间不相关。

图5 韧性指标与疲劳寿命的关系Fig.5 Relationship of ductile index and fatigue life

5 结语

通过对旧普通沥青改性热再生后黏韧性试验指标和性能相关性研究,可以得到如下结论:

① 基于黏韧性曲线形态提出了韧性变形速率指标,该指标表示在单位力和单位时间作用下的韧性变形,其值越大,代表SBS对再生沥青的增强增韧效果越好,相较于韧性和黏韧性,韧性变形速率区分度高。

② 普通沥青改性热再生后的韧性变形速率与疲劳寿命与相关系数R2达到0.9以上,可有效而准确地辨识再生沥青性能与再生效果,而韧性值与疲劳寿命不相关。

③ 经SBS改性热再生后可提高旧普通沥青疲劳寿命2～6倍。应变水平显著影响沥青疲劳寿命,5.0%应变水平的疲劳寿命只有2.5%应变水平疲劳寿命的15%～20%。