再生剂对SBS老化沥青及热再生混合料性能的影响

岳秀梅

(呼伦贝尔市公路勘测规划设计有限公司, 内蒙古 呼伦贝尔　021008)



再生剂对SBS老化沥青及热再生混合料性能的影响

岳秀梅

(呼伦贝尔市公路勘测规划设计有限公司, 内蒙古 呼伦贝尔021008)

[摘要]研究了芳烃油(再生剂A)和橡胶油(再生剂B)两种再生剂对老化沥青针入度体系指标性能和流变特性的影响，分析了不同再生剂掺量下老化沥青四组分变化规律，揭示了再生剂对老化沥青的性能的恢复机理。采用拌合试验研究不同再生剂掺量下热再生混合料老化沥青砂浆的转移规律，并基于车辙试验、低温弯曲试验和控制应变疲劳试验研究了再生剂掺量对热再生混合料综合路用性能的影响。试验结果表明，再生剂与老化沥青之间有一定的配伍性，随着再生剂掺量增大，老化沥青的针入度体系指标感温性增强，低温性能提高；抗车辙因子和劲度模量均与再生剂的掺量呈良好的直线负相关；再生剂对老化沥青的影响机理在于沥青组分重新协调， 再生剂的掺量应结合热再生沥青混合料路用性能试验来确定。

[关键词]再生剂； SBS老化沥青； 热再生混合料

随着废旧沥青路面材料在国内高速公路大中修工程中的利用越来越广泛，许多高校和科研机构均开展了大量关于老化沥青性能恢复方面的研究，在提高热再生混合料综合路用性能方面也取得了长足发展[1-3]。目前，老化沥青再生机理主要是基于化学热力学的相容性机理和调和机理，再生剂掺量根据再生剂将旧沥青的粘度或针入度调节到目标沥青的范围内确定，对于老化较严重的沥青可能导致再生剂掺量过小[4-8]。此外，国内使用的热再生混合料RAP掺量低，大多使用低标号沥青与老化沥青调和再生的方式，低标号沥青恢复老化沥青性能的能力有限，无法将老化后的沥青性能还原到原有的水平，而国内再生剂主要由施工单位自行配制，再生剂的添加剂量完全由工程经验确定，随意性很大，已有研究成果也没有系统研究再生剂掺量对热再生混合料路用性能的影响，在确定热再生混合料适宜的再生剂掺量时大多采用粘度指标和针入度体系指标，评价指标和方法并不完善[9-14]。本文选用2种常用的再生剂开展不同再生剂掺量SBS老化沥青针入度体系指标和流变特性研究，并研究不同再生剂掺量下老化沥青4组分变化规律，揭示了再生剂对老化沥青的性能的恢复机理。采用拌合试验研究不同再生剂掺量下热再生混合料老化沥青砂浆的转移规律，并基于车辙试验、低温弯曲试验和控制应变疲劳试验研究了再生剂掺量对热再生混合料综合路用性能的影响，研究成果对热再生混合料工程实践和推广应用具有重要指导意义。

1试验方法及原材料检测

研究再生剂对老化沥青针入度体系指标性能的影响，揭示再生剂对老化沥青性能的恢复效果和再生剂与老化沥青之间的配伍性；采用SHRP试验指标DSR、BBR、DDT试验研究再生剂掺量对老化SBS改性沥青流变特性的影响，并解释不同再生剂掺量老化沥青4组分变化规律。采用拌合试验研究不同再生剂掺量下热再生混合料老化沥青砂浆的转移规律，确定最大的再生剂掺量。最后基于路用性能试验确定再生剂的最佳掺量。

沥青具有溶解、沉淀等热力学可逆过程性质，决定了采用再生剂还原老化沥青性能的可行性。试验选用芳烃油(再生剂A)和橡胶油(再生剂B)两种工程中常用的再生剂，按照《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)要求[15]，对再生剂的常规技术性能进行了检测，试验结果见表1。RAP来源于西宝高速大中修现场，将RAP带回实验室自然风干后备用，RAP原材料技术性能检测结果见表2。

表1 再生剂原材料技术性能检测结果Table1 Recyclingagenttechnicalperformancetestresults再生剂类型试验指标60℃黏度cSt闪点/℃TFOT老化后残留黏度比/%质量变化率/%芳烃油(再生剂A)87.32041.54-4.04橡胶油(再生剂B)110.82161.28-1.34

表2 RAP技术性质试验结果Table2 RAPtechnicalpropertytestresults项目检测项目要求试验方法AC16RAPRAP中的级配含水率(%)实测RAP级配实测沥青含量(%)实测砂当量(%)>5 5理论最大密/(g·cm-3)实测针入度/(0.1mm)>2 0软化点/℃实测10℃延度/cm实测JTGF41—2008附录A抽提,《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》0.36见图14.3832.5683767.77.3

2再生剂对SBS老化沥青常规性能指标的影响

按照沥青及沥青混合料试验规程“抽提法”获取RAP中老化的SBS改性沥青，对比施工时采用的SBS改性沥青I-A(SBS掺量为4.5%)原样沥青性能，不同再生剂掺量老化沥青常规性能指标的再生恢复情况测试结果(见表3)。

表3 SBS改性沥青老化前后性能检测结果Table3 SBSmodifiedasphaltbeforeandafteragingtestre-sults沥青针入度/(0.1mm)软化点/℃5℃延度/cm弹性恢复率/%原样沥青SBS70#656356.495老化SBS70#3674.64.154

将表4不同再生剂掺量再生沥青针入度、软化点、延度、弹性恢复率试验进行拟合，拟合关系见图1。

表4 不同种类再生剂掺量对老化沥青性能针入度指标体系再生规律Table4 Agingasphaltperformanceindexsystempenetrationofrenewablelawwithdifferenttypesandcontentofrecyclingagent再生剂试验指标再生剂掺配比例/%02468101214针入度/(0.1mm)3647546472767987软化点/℃74.669.163.861.257.454.251.149.2再生剂A5℃延度/cm4.16.913.317.921.324.427.929.2弹性恢复率/%5459.367.373.279.283.386.288.4针入度/(0.1mm)3652576067727582软化点/℃74.670.164.562.159.355.853.150.2再生剂B5℃延度/cm4.17.615.219.423.927.633.237.8弹性恢复率/%5462.769.276.484.386.988.289.4

图1　不同再生剂掺量老化沥青性能试验结果Figure 1　different dosage aging asphalt recycling agent performance test results

表4和图1试验结果表明，①随着再生剂掺量增大，再生SBS改性沥青的针入度、延度和弹性恢复率增大，而软化点减小，再生剂掺量与再生沥青针入度体系指标之间的拟合关系良好，针入度和软化点做为沥青的高温性能指标，针入度越小、软化点越高表明沥青的高温性能越好，可见增大再生剂掺量导致再生SBS沥青的高温性能变差，且再生剂掺量越大再生沥青的高温性能越差。②加入再生剂对老化沥青的5 ℃延度和25 ℃弹性恢复率有一定的恢复作用，但并没有对针入度和软化点的改善作用明显，即使再生剂掺量达到14%低温延度仍是再生沥青技术性能的技术瓶颈。③比较两种再生剂对原样SBS改性沥青性能的恢复情况，再生剂B对老化沥青性能的恢复效果明显优于再生剂A，可见再生剂与老化沥青之间有一定的配伍性。

3再生剂对SBS老化沥青流变特性的影响

考虑到改性沥青自身结构的复杂性，以及改性剂对老化沥青改善效果的复杂影响，有必要对再生沥青的流变特性进行分析，采用BBR和DSR试验研究不同再生剂掺量再生沥青的流变特性[16]，试验方法严格参照ASTM相关技术要求，原样沥青DSR试验DSR(G*/sinδ)为7.3MPa，BBR试验蠕变斜率m为0.476，劲度模量58 MPa，不同再生剂掺量再生沥青SHRP性能指标分析试验结果见表5。

表5 不同再生剂掺量再生沥青SHRP指标再生规律Table5 SHRPindexregenerationlawofrecycledasphaltwithdifferentrecyclingagentcontent再生剂再生剂掺配比例/%DSR(G*/sinδ)/kPaBBRS/kPamDDT断裂应变/%026.71340.3710.043222.81140.4011.104417.91020.4121.657再生剂A614.7840.4212.798810.3670.4344.78107.2430.4696.98026.71340.3710.043220.21070.4111.235416.1940.4241.954再生剂B612.7780.4393.18789.2620.4525.124106.1380.4787.902

将2种再生剂在不同掺量条件下的SHRP指标试验结果进行拟合分析，拟合结果见图2。

图2　不同再生剂掺量再生沥青SHRP试验指标拟合结果Figure 2　different regeneration agent content recycled asphalt SHRP test index fitting results

表5和图2试验结果表明: ①随着再生剂掺量增大，再生沥青DSR试验G*/sinδ呈线性关系减小，线性拟合关系良好，可见增大再生剂会对再生沥青的高温性能有不利影响，再生剂掺量越大影响越显著。②增大再生剂掺量，BBR试验m值增大，进度模量减小，同时间接拉伸试验断裂应变增大，表明随着再生剂掺量增大，再生沥青低温性能提高，这与加入再生剂的初衷是一致的，再生剂可恢复老化沥青的低温柔韧性。③比较再生剂对老化沥青性能的恢复效果，10%再生剂掺量情况下，两种再生剂对老化沥青性能的恢复可以完全与原样沥青相媲美，以SHRP试验指标考虑，再生剂可以将老化沥青的性能恢复来原来水平，B再生剂对老化沥青性能的恢复效果明显优于A再生剂。分析再生剂对老化沥青性能的改善机理，沥青老化后轻质组分挥发或向沥青质转移，彼此之间的不协调，原有平衡的胶体结构被打破，导致沥青质和胶质数量增多，沥青变脆，加入再生剂后沥青组分重新协调，缺失的部分得到补充，同时发生可逆反应，此外再生剂在老化沥青中起到了溶解剂的作用，调节了老化沥青的粘度，降低了老化沥青中沥青质和胶质的溶解度差，分散、融合、溶解了过多的沥青质，是沥青的组分重新调和，生成了新的稳定胶体结构[17]。表6为不同再生剂掺量再生沥青沥青质、胶质、芳香分、饱和分4组分试验结果。

表6 不同再生剂再生沥青4组分分析结果Table6 Recycledasphaltfour-componentanalysiswithdif-ferentrecyclingagents再生剂试验指标/%再生剂掺配比例/%024681012沥青质15.314.914.013.312.911.310.9胶质32.231.429.928.527.827.126.3再生剂A芳香分34.234.435.536.136.737.138.1饱和分18.319.420.621.922.624.524.7沥青质15.314.714.313.912.411.710.3胶质34.231.730.429.228.427.326.1再生剂B芳香分34.233.534.735.936.937.338.6饱和分18.320.120.62122.323.725

4再生剂对RAP老化沥青砂浆转移规律的影响

厂拌热再生混合料生产时旧沥青经过加热、机械搅拌、再生剂和新沥青的软化作用等将会向新集料和新沥青转移厂，实际操作时再生剂首先与RAP表面的老化沥青砂浆接触，再生剂对老化沥青砂浆的溶解程度越高，旧沥青在热再生混合料内部的分散越均匀，再生剂不仅影响到了老化沥青砂浆自身的性质，同时影响到了新旧沥青的交互程度。为了研究再生剂掺量对老化沥青砂浆转移规律的影响，试验时为了最易于区分新旧集料，RAP材料在试验之前过4.75 mm筛，控制新集料的加热温度为190 ℃，RAP预热温度为120 ℃，先将预热的RAP与110 ℃再生剂一起分别拌合45、60、90 s后，添加预热好的新集料在拌合2 min，待混合料冷却至70 ℃后分离新旧集料，得出转移的沥青量之后通过美国沥青协会提出的矿料表面系数，借鉴维姆模型将沥青量转化成转移的沥青膜厚度，试验结果见图3。

图3　不同再生剂掺量RAP沥青膜厚转移规律Figure 3　Different thickness of asphalt recycling agent dosage RAP transfer rule

表6和图3试验结果表明: ①不掺加再生剂时RAP表面的沥青膜厚转移比例只有16%左右，也就造成了新旧料表面沥青膜厚不均匀及材料性能的不同，加入再生剂后旧沥青胶浆转移百分比增大，添加10%再生剂后RAP沥青胶浆转移百分比接近30%，胶浆转移百分比为原来的近2倍，此时新集料和RAP表面沥青膜厚基本相等。②随着再生剂掺量增大，旧沥青胶浆转移百分比和新集料膜厚增大，RAP表面残留沥青膜厚减小，表明再生剂对老化沥青砂浆有一定的软化作用，在加热和机械搅拌作用下，RAP表面的沥青砂浆转移到新集料表面，再生剂掺量越大，转移到新集料表明的沥青数量越多。但是随着再生剂掺量进一步增大，RAP表面旧沥青胶浆转移百分比趋于稳定，以此确定再生剂A和再生剂最大掺量为8%。

5高RAP掺量厂拌热再生混合料配合比设计

按照《公路沥青路面再生技术规范》(JTG F41-2008)的要求，采用马歇尔法进行热再生混合料的配合比设计，根据RAP筛分试验结果和AC-16C工程级配范围要求，确定RAP掺量为40%，混合料合成级配见表7。试验时结合施工工艺和拌合碾压温度，以热再生混合料拌合温度160 ℃为基准，确定RAP预热温度为125 ℃，新集料预热温度为200 ℃。试验时先将RAP与再生剂(掺量为6%)一起拌合1 min，加入新集料拌合2 min使新旧集料充分交融，最后加入新沥青和矿粉。以马歇尔体积指标和力学指标确定热再生混合料的最佳沥青用量。试验结果见表8。

表7 AC—16热再生混合料的合成级配Table7 AC—16hotrecycledmixturesofsyntheticgradation筛孔尺寸/mm40%RAP规范级配上限/%规范级配下限/%191001001001696.29010013.284.576929.569.560804.7550.634622.3632.420481.1826.313360.616.49260.311.37180.159.15140.0757.248

表8 AC—16热再生混合料马歇尔试验结果Table8油石比/%毛体积相对密度空隙率/%矿料间隙率VMA/%沥青饱和度VFA/%稳定度MS/kN流值FL/mm4.22.4454.1 13.765.4 9.93.9规范要求—3～6≥13.565～75≥7.51.5～4

6再生剂对热再生混合料路用性能的影响

针入度体系评价指标和SHRP再生沥青流变特性试验结果表明，随着再生剂掺量增大再生沥青高温性能降低而低温性能提高，沥青的性能并不能完全反映沥青混合料的路用性能，本文研究了不同再生剂掺量情况下热再生混合料的高低温、水稳定性和抗疲劳耐久性。

6.1高温稳定性

采用车辙试验评价不同再生剂掺量条件下热再生混合料的高温稳定性，车辙试验是沥青混合料试件在高温和荷载下，测定试验轮往返行走所45 min和60 min时间短内形成车辙变形的速率，以每产生1 mm变形的行走次数即动稳定度来表示。按照《公路沥青路面施工技术规范》的要求，车辙试验温度为60 ℃，试验轮行走速度为42±1次/min，车辙板尺寸为300 mm(长)+300 mm(宽)+50 mm(高)，每个再生剂掺量下进行3组平行试验，结果见图4。

图4　不同再生剂掺量热再生混合料车辙试验结果Figure 4　Rutting test results of hot recycled mixture with different recycling agent

车辙试验结果表明，随着再生剂掺量增大，车辙试验动稳定度呈先增大后减小的变化趋势，而车辙试验60 min变形量呈先减小后增大的变化趋势，方差分析结果表明再生剂对热再生混合料高温稳定性有显著影响，以车辙试验动稳定度峰值确定再生剂A、再生剂B的最佳掺量分别为6%和8%，最佳掺量条件下热再生混合料的车辙试验动稳定度大于3000次/mm，表明其具有较好的高温稳定性。分析再生剂掺量对热再生混合料高温稳定性的影响机理，再生剂对老化沥青砂浆的转移有较大的帮助，随着再生剂掺量增大，热再生混合料内部新旧沥青交融程度提高，老化沥青被还原后新旧沥青之间的材料特性差异减小，新旧沥青结合界面强度提高，混合料整体性提高，进一步增大再生剂掺量，反而对沥青起到稀释作用，具体表现在再生沥青的针入度增大，软化点降低，沥青的感温性增强导致热再生混合料的高温稳定性降低。

6.2低温抗裂性

大量研究成果表明，低温抗裂性不足是制约厂拌热再生混合料增大RAP掺量的技术瓶颈，这一点也被大量工程实践所证明。本文采用现行施工规范要求的-10 ℃小梁弯曲试验评价不同再生剂掺量热再生混合料低温抗裂性，试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm，试验温度为-10 ℃，试验在MTS810万能试验机上进行，加载速率为50 mm/min，试验结果见图5。

图5　不同再生剂掺量-10 ℃小梁弯曲试验结果Figure 5　Different recycling agent content -10 ℃ beam bending test results

试验结果表明，随着再生剂掺量增大，热再生混合料抗弯拉强度和弯拉应变呈先增大后减小的变化趋势， 以最大弯拉应变峰值确定A再生剂适宜的再生剂掺量为6%，B再生剂最佳掺量为7%。7%B再生剂掺量下，热再生混合料的弯拉应变可达到3000 με，相比普通热再生混合料弯拉应变提高了55.8%，可见适宜的再生剂掺量可显著改善热再生混合料的低温抗裂性，提高热再生混合料的适用区域。比较两种再生剂对热再生混合料的低温性能的改善效果，不论是抗弯拉强度还是最大弯拉应变，相同掺量下再生剂B对热再生混合料低温抗裂性的改善效果均优于再生剂A，说明再生剂与热再生混合料之间有一定的配伍性关系。

6.3抗疲劳耐久性

热再生混合料通常用于路面结构的中下面层，处于复杂的拉压结合受力环境中，这对热再生混合料抗疲劳性能提出了更高要求，结合Shell 和法国沥青路面结构计算采用拉应变控制，本文采用应力控制模式的小梁弯曲试验研究不同再生剂掺量热再生混合料的抗疲劳耐久性。小梁疲劳试验尺寸为250 mm×40 mm×40 mm，采用的应变水平为200 με，加载频率为10 Hz，试验温度为15 ℃，试验结果见图6。

图6　不同再生剂掺量热再生混合料疲劳试验结果Figure 6　Fatigue test results of hot recycled mixture with different recycling agent

疲劳试验结果表明，相同应变水平，随着再生剂掺量增大，热再生混合料疲劳寿命次数呈先增大后减小的变化趋势，相比普通热再生混合料，掺加再生剂后热再生混合料疲劳寿命增大，6%A再生剂可使热再生混合料的疲劳寿命提高22.8%，8%B再生剂可使热再生混合料疲劳寿命提高33.1%，选用掺加再生剂并控制合理的掺量可显著改善热再生混合料的抗疲劳性能。

7结论

① 再生剂与老化沥青之间有一定的配伍性，随着再生剂掺量增大，再生SBS改性沥青的针入度、延度和弹性恢复率增大，而软化点减小，再生剂掺量与再生沥青针入度体系指标之间的拟合关系良好。

② 再生剂掺量对老化沥青流变特性影响显著，随着再生剂掺量增大，再生沥青DSR试验G*/sinδ呈线性关系减小，增大再生剂掺量，BBR试验m值增大，进度模量减小，同时间接拉伸试验断裂应变增大，表明随着再生剂掺量增大，再生沥青低温性能提高，再生剂对老化沥青性能恢复机理在于其组分重新调和和改变了老化沥青的相容性。

③ 掺加再生剂可以改善老化沥青砂浆在热再生混合料中的分均匀性，添加10%再生剂后RAP沥青胶浆转移百分比接近30%，胶浆转移百分比为原来的近2倍。

④ 随着再生剂掺量增大热再生混合料高温稳定性呈先增大后减小的变化趋势，适宜的再生剂掺量可显著改善热再生混合料的低温抗裂性和抗疲劳耐久性，推荐芳烃油(再生剂A)和橡胶油(再生剂B)适宜的掺量分别为6%和7%。

[参考文献]

[1]董晓进. 橡胶粉对热再生混合料路用性能的影响[J].公路工程.2014，39(6)：271-276+288.

[2]游金梅. RAP掺量对热再生混合料路用性能影响[J].公路工程，2015，40(1):92-96.

[3]周志刚.再生剂对旧沥青的再生行为[J].交通运输工程学报，2011，11(6)：10-16.

[4]王子敬.再生剂及温拌剂对再生沥青混合料性能影响研究[J].2014,39(5): 315-318+355.

[5]李秋实. 添加再生剂后老化沥青的粘度变化模式研究[J].公路工程，2015，40(3)：116-120.

[6]黄晓明，赵永利.沥青路面再生利用与理论实践[M].北京:科学出版社，2014.

[7]侯睿.新旧沥青调和再生规律研究[J].石油沥青，2006，20(4)：26-29.

[8]刘文俊.连续级配橡胶颗粒沥青混合料抗剥落性能研究[J].森林工程2014，30(4)：127-130.

[9]张昌波.沥青混凝土厂拌热再生技术研究[D].西安:长安大学，2006.

[10]杨平.沥青路面厂拌热再生利用研究[D].长沙:长沙理工大学，2005.

[11]张文会.沥青路面厂拌热再生技术研究[D].西安：长安大学，2004.

[12]任拴哲.沥青路面厂拌热再生及其设备关键技术研究[D].西安：长安大学，2013.

[13]范勇军.沥青混合料厂拌热再生技术研究[D].长沙:长沙理工大学，2007.

[14]袁航，李洪峰，陈振超.橡胶沥青制作工艺的研究[J].森林工程，2014，30(5)：128-131.

[15]JTGF41-2008,公路沥青路面再生技术规范[S].

[16]马翔.旧料对沥青混合料力学特性的影响[J].公路交通科技.2015，37(10)：6-13.

[17]郑南翔. 老化沥青再生性能的预估分析[J].长安大学学报:自然科学版,2009，29(3)：6-10.

The Effects of Recycling Agent on Aged SBS Modified Asphalt and Behavior of Hot Recycled Mixture

YUE Xiumei

(Hulunbeir City Highway Survey Planning & Design Co., LTD,Hulunbeir, Inner Mongolia 021008, China)

[Abstract]Aromatic oils (recycling agents A) and rubber oil (recycling agent B) to the effects of aging asphalt penetration index and rheological properties were studied，Analysis of Variation asphalt four-component of aged asphalt under different recycling agent content and recovery mechanism of the recycling agent on aged asphalt performance were revealed. Aged asphalt mortar transfer rule of hot recycled mixture were studied by using marshall mixing test，And based on the ruting test ，cold bending test and Control strain fatigue test to study the comprehensive road performance of hot recycled mixture. and based on the test track， cold bending test and control studies content on hot regenerated catalyst regeneration mixture comprehensive road performance strain fatigue test Impact. The results show that there is a certain compatibility between aging asphalt recycling agent，With the recycling agent content increases，aged asphalt penetration index system temperature increased， low temperature performance improvement； dosage of anti-rutting factor and stiffness modulus and regenerated catalyst was a good negative correlation，regenerating agent the influencing mechanism of aging asphalt bitumen component is re-coordination，reasonable recycling agent content should be determined by recycling asphalt mixture performance test.

[Key words]recycling agent； aged SBS asphalt； hot recysled mixture

[收稿日期]2015-10-29

[基金项目]国家自然基金项目(51178063);国家科技计划和重大专项基金项目:(201DFR90012)；陕西省交通科技项目(11-04K)

[作者简介]岳秀梅(1969-)，女，河北沧州人，高级工程师，主要从事公路设计及管理工作。

[中图分类号]U414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0078-07