泡沫温拌再生沥青抗疲劳性能

2017-08-01张黎红罗有权董则军张新民

河南科技大学学报(自然科学版) 2017年2期

关键词：温拌变差抗疲劳

张黎红，罗有权，董则军，张新民，王娟

(1.云南省交通规划设计研究院，云南昆明 650011；2.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225009)

泡沫温拌再生沥青抗疲劳性能

张黎红1，罗有权1，董则军1，张新民1，王娟2

(1.云南省交通规划设计研究院，云南昆明 650011；2.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225009)

为了研究回收沥青掺量对泡沫温拌再生沥青抗疲劳性能的影响，采用三大指标试验、动态剪切流变试验和扫描电镜试验，测试了不同回收沥青掺量下的泡沫温拌再生沥青抗疲劳性能的变化。试验结果表明：随着回收沥青掺量的增加，泡沫温拌再生沥青的疲劳因子和极限疲劳温度值逐渐增大，疲劳寿命值不断减小，抗疲劳性能不断变差；当回收沥青掺量大于等于60%(质量分数)时，泡沫温拌再生沥青的抗疲劳能力显著变差。回收沥青使泡沫温拌再生沥青的表面由光滑细腻逐渐变为清晰的褶皱，刚性增强。

泡沫温拌沥青；温拌再生；抗疲劳性能

0 引言

近年来，国内外学者对于温拌再生沥青技术已进行了一些相关研究。文献[1]研究发现温拌再生沥青技术能够提高沥青混合料的疲劳性能和路用性能。文献[2]利用凝胶渗透色谱(gel permeation chromatography，GPC)和傅里叶转换红外线光谱(Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR)研究了回收沥青的混合状况，发现两种沥青不是完全均匀混合的。原样沥青在渗透到再生沥青混合料(reclaimed asphalt pavement，RAP)的沥青中时，其大分子的质量分数提高。文献[3]研究了回收沥青掺量(质量分数)分别为20%、30%、40%和50%时，RAP中的温拌再生沥青在3个老化阶段的流变性能，发现回收沥青会降低温拌再生沥青胶结料的疲劳性能。文献[4]通过对RAP掺量为40%(质量分数)的温拌再生沥青混合料路用性能的研究，发现RAP掺量增加会降低混合料的低温性能和疲劳性能。文献[5]研究了温拌再生沥青混合料(RAP掺量为45%，质量分数)后的疲劳性能，研究结果表明：温拌再生沥青混合料的疲劳性能比常规热拌沥青的差，但是比热再生沥青混合料要好，并且温拌再生沥青混合料的疲劳作用次数是热拌再生沥青混合料的1.5倍。

目前的研究主要针对添加温拌剂的温拌再生技术，而对泡沫温拌再生沥青抗疲劳性能的研究却并不多见，回收沥青对泡沫温拌再生沥青疲劳性能影响如何亦不明确。因此，本文采用动态剪切流变试验所得的极限疲劳温度和疲劳寿命，对泡沫温拌再生沥青(回收沥青掺量分别为0%、20%、40%、60%和80%，质量分数，下同)的抗疲劳性能进行了评价，并采用扫描电镜从微观角度观察回收沥青掺量对泡沫温拌再生沥青的影响，从而为泡沫温拌再生技术的实际应用提供指导。

1 试验材料与方法

通过离心抽提、矿粉沉淀和旋转蒸发器法[6-7]回收使用6年左右的旧沥青路面胶结料，对所回收的沥青胶结料进行性能测试，基本技术指标如表1所示。

表1 回收沥青的基本技术指标

泡沫温拌沥青的制备选用70#道路石油沥青作为基质沥青，其基本性能指标如表2所示。采用德国维特根WLB 10型沥青发泡试验机，在145 ℃发泡温度、1.5%发泡用水量(质量分数)和25 ℃发泡水温的条件下制得泡沫温拌沥青。

表2 基质沥青的基本性能指标

在高性能沥青路面规范中，沥青胶结料抗疲劳性能，采用经过旋转薄膜烘箱和压力老化仪老化后的G*·sinδ值作为评价指标，并要求G*·sinδ值不超过5 MPa[8-9]。同时，剪切模量G*也是沥青老化后性能的评价指标，采用剪切模量衰减到初始值的50%作为疲劳寿命Nf 50，评价泡沫温拌再生沥青的抗老化性能[10-11]。

沥青的短期老化采用旋转薄膜烘箱进行试验，试验按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的T0610-2011试验方法进行。长期老化采用标准的压力老化容器(pressurized aging vessel,PAV)进行老化试验，试验条件：压力为2.1 MPa、温度为90 ℃、时间为20 h。动态剪切流变试验采用美国TA-AR1500EX型动态剪切流变仪(dynamic shear rheometer，DSR)进行，试验方法和步骤按照AASHTO T315规范的要求进行。

扫描电子显微镜可以对两种材料融合后的微观状态进行定性评价。本次试验采用KYKY-2000型扫描电子显微镜研究回收沥青掺量对泡沫温拌再生沥青状态的影响，从微观角度探究泡沫温拌再生沥青的抗疲劳性能。

2 试验结果与分析

2.1 沥青三大指标

在对泡沫温拌再生沥青的疲劳性能进行评价之前，先对不同回收沥青掺量(质量分数分别为0%、20%、40%、60%和80%，下同)的泡沫温拌再生沥青胶结料试样进行三大指标(软化点、延度、针入度)测试，试验结果见表3。

表3 泡沫温拌再生沥青的三大指标测试结果

从表3可以看出：随着回收沥青掺量的增加，泡沫温拌再生沥青的软化点值越来越高，增幅逐渐增大，且当回收沥青掺量达到80%时，泡沫温拌再生沥青的软化点值达到68.6 ℃，其高温性能明显改善。而泡沫温拌再生沥青的低温延度值和针入度值呈现逐渐减小趋势，表明其低温性能和温度敏感性能逐渐降低。在回收沥青掺量小于60%时，泡沫温拌再生沥青在15 ℃条件下的延度值仍然可以满足规范(不低于100 cm)的要求。分析其原因，由于回收沥青已经老化，沥青质含量较多，导致其弹性减弱。而沥青质较硬，它的存在可改善沥青的高温性能，但沥青质含量过多，会使沥青的延度大大减少，易于脆裂。所以当回收沥青的掺量逐渐增加时，整个泡沫温拌再生沥青体系的刚性增强，变的“脆而硬”，其软化点和针入度值逐渐升高；同时整个泡沫温拌再生沥青体系的弹性和韧性降低，在受力时容易断裂，所以其延度逐渐减小，低温抗裂性能变差。

2.2 极限疲劳温度

对不同回收沥青掺量条件下的泡沫温拌再生沥青胶结料试样，进行了旋转薄膜烘箱及压力老化容器老化后的疲劳因子G*·sinδ测试，建立疲劳因子对数值 lg (G*·sinδ)-温度T关系图，见图1。表4为图1中数据拟合所得的回归方程。

图1 泡沫温拌再生沥青lg (G*·sin δ)-T关系图

回收沥青掺量/%回归方程相关系数0y=-0.0657x+4.9890R2=0.997520y=-0.0638x+5.2609R2=0.996640y=-0.0608x+5.4106R2=0.997960y=-0.0530x+5.5142R2=0.997280y=-0.0550x+5.6922R2=0.9978

根据表4中拟合的回归方程，计算疲劳因子G*·sinδ=5.0 MPa时的温度，即可以得到泡沫温拌再生沥青的极限疲劳温度FTf。FTf计算结果如表5所示。

表5 泡沫温拌再生沥青的极限疲劳温度FTf值

由图1可看出：随着回收沥青掺量的增加，泡沫温拌再生沥青的疲劳因子逐渐增大。从表5中数据可以看出：泡沫温拌再生沥青的极限疲劳温度值也随着回收沥青掺量的增加而逐渐增大，表明泡沫温拌再生沥青的抗疲劳性能不断变差；当回收沥青掺量为60%和80%时，泡沫温拌再生沥青的极限疲劳温度值的增加明显，增幅分别为74.4%和84.5%，表明泡沫温拌再生沥青的抗疲劳能力有显著变差迹象。

图2 泡沫温拌再生沥青G*与荷载作用次数的关系

2.3 疲劳寿命

对不同回收沥青掺量条件下的泡沫温拌再生沥青胶结料试样在应力(0.4 MPa)控制模式下，采用动态剪切流变仪进行15 ℃的时间扫描[12-13]，得到复数剪切模量G*与荷载作用次数的关系,如图2所示。并采用复数剪切模量衰减到初始值50%的Nf 50作为其疲劳性能的评价指标。

根据表4和图2可以得出不同回收沥青掺量下泡沫温拌再生沥青的疲劳性能评价指标Nf 50，具体结果如表6所示。

表6 泡沫温拌再生沥青的Nf 50值

从表6中数据可以看出：随着回收沥青掺量的增加，泡沫温拌再生沥青的疲劳性能评价指标Nf 50值在不断减小，且其减幅在不断增大，表明泡沫温拌再生沥青的疲劳性能在逐渐变差。当回收沥青的掺量为60%和80%时，Nf 50值的减幅分别为68.74%和80.57%，泡沫温拌再生沥青的疲劳寿命显著减小，抗疲劳性能明显变差。因此，从疲劳性能角度考虑，回收沥青的掺量宜小于60%。

2.4 微观组织

对不同回收沥青掺量条件下的泡沫温拌再生沥青胶结料试样进行了电镜扫描，扫描结果如图3所示。

图3 泡沫温拌再生沥青电镜扫描结果(100 μm)

由图3可知：泡沫温拌再生沥青表面既有未破坏的残留水泡，也有泡沫破灭后形成的坑洼或小洞痕迹。当未掺加回收沥青或掺量较少时(掺量0%和20%)，泡沫温拌沥青表面较为光滑细腻。随着回收沥青掺量的增加，可以发现泡沫温拌再生沥青表面出现褶皱，且回收沥青掺量越多褶皱越清晰，当回收沥青掺量过多时(掺量60%和80%)，泡沫温拌再生沥青表面的褶皱明显增多，已经形成不规则的凹凸起伏状。分析其原因，泡沫温拌再生沥青表面的褶皱及不规则的坑洞起伏是由沥青组分失调导致的，泡沫温拌再生沥青作为一个胶体分散体系，由于其中的回收沥青老化较为严重，在长期的氧化过程中，回收沥青可溶质中的饱和分、芳香分和胶质逐渐缩合形成沥青质，使体系中沥青质的含量增多。而饱和分和芳香分作为沥青中的软组分，起塑化剂的作用；沥青质是硬组分，在沥青中起稠化剂的作用。沥青质的增多使泡沫温拌再生沥青整个体系硬化，所以，随着回收沥青掺量的增加，泡沫温拌再生沥青由“软而柔”逐渐变得“刚而脆”，其抗疲劳性能不断变差。

3 结论

(1)随着回收沥青掺量的增加，泡沫温拌再生沥青的抗疲劳性能不断变差；当回收沥青掺量为60%和80%时，泡沫温拌再生沥青的抗疲劳能力有显著变差迹象。

(2)随着回收沥青掺量的增加，疲劳性能评价指标Nf 50不断减小，表明泡沫温拌再生沥青的抗疲劳性能在逐渐变差。当回收沥青的掺量为60%和80%时，泡沫温拌再生沥青的疲劳寿命显著减小，抗疲劳性能明显变差。

(3)由于回收沥青老化，沥青质含量较多，回收沥青的掺加使得泡沫温拌再生沥青表面由光滑细腻逐渐变为有清晰的褶皱，当回收沥青掺量为60%和80%时，泡沫温拌再生沥青表面已经形成不规则的凹凸起伏状。泡沫温拌再生沥青由“软而柔”逐渐变得“刚而脆”。

(4)综合考虑各项试验结果，建议回收沥青在泡沫温拌再生沥青中的掺量小于60%。

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江苏省自然科学青年基金项目(BK20160471)

张黎红(1972-),男,云南昆明人,高级工程师,主要研究方向为公路勘察设计.