就地热再生高温加热对不同深度老化沥青流变性能的影响

单 岗， 袁 媛， 庞露林， 周凌波， 李 宁， 詹 贺

(1.浙江交通资源投资有限公司，杭州 310020；2.浙江省交通规划设计研究院有限公司，杭州 310012；3.浙江顺畅高等级公路养护有限公司，杭州 310051；4.河海大学土木与交通学院，南京 210098)

高速公路养护面临着基础建设原材料紧缺与产生大量的废旧路面材料(RAP)的多重矛盾，RAP的高效再生利用将成必然的发展趋势。就地热再生技术凭借其100%利用RAP，符合建设资源节约环保型的绿色社会需要，在高速公路大中修养护中发挥着重要作用。研究人员对就地热再生技术的加热方式、防止老化沥青二次老化等方面做了大量的研究，以期获得性能良好的再生沥青混合料。

董强柱[1]通过室内模拟加热试验提出了一种沥青路面连续式变功率的加热方法，可以使路表温度保持180 ℃，减轻对原路面沥青的二次老化；叶操[2]通过模拟加热试验得到间歇式加热可以在短时间内提升路面加热温度；马涛[3]在实体工程应用时发现加热后的路表焦糊严重，通过调整就地热再生设备行走速度和往返方式来降低路面温度，但路表温度仍高达200 ℃；顾海荣等[4]对单步法和多步法进行了对比研究，多步法可以有效提升沥青路面加热速度，且节省加热时间和能源。李健[5]、陈静云[6]对老化程度较大的沥青分别选用丁苯橡胶(styrene-butadiene-rubber,SBR)胶乳和高渗透性再生剂来改善沥青性能，试验表明再生沥青混合料的低温性能均得到有效提升。

目前进行就地热再生老化沥青性能评价时，通常采用冷取样的方式抽提回收老化沥青，未考虑高温加热对表面层沥青造成二次老化引起室内外再生效果的差异。现应用红外热像仪测量就地热再生各个加热阶段沥青路面的路表温度；在测试温度最高点取样分层抽提老化沥青，采用常规性能试验、布氏旋转黏度(rotational viscosity, RV)、动态剪切流变(dymamic shear rheology, DSR)、弯曲梁流变(bending beam rheology, BBR)试验研究高温加热对不同深度老化沥青高低温流变性能的影响。

1 试验部分

1.1 原材料

老化沥青均来自于浙江省沪杭甬高速2018年沥青路面就地热再生专项养护工程RAP料，原路面使用年限为8年，为了分析上面层沥青的老化梯度，将上面层4 cm沥青混合料分层(上2 cm、下2 cm)进行沥青回收。

1.1.1 老化沥青抽提方法

结合文献[7-8]中沥青回收的优化方法，采用矿粉自然沉降与高速离心的组合方式去除抽提液中的矿粉，将抽提液自然沉降24 h后取上层1/3进行离心，应用旋转蒸发法回收沥青。

1.1.2 原路面老化沥青

从原路面冷切割沥青混合料板，在每个样品中随机选取块状沥青混合料加热软化，分别对上面层表面2 cm(简称S2，下同)、下2 cm(X2)和整体4 cm(Q4)RAP抽提回收老化沥青。

1.1.3 原路面经高温加热后老化沥青

选取就地热再生施工时原路面表面层温度达240 ℃的沥青混合料，分别取上面层表面2 cm(RS2)、下2 cm(RX2)和整体4 cm(RQ4)的RAP进行抽提回收老化沥青。

1.2 试验

1.2.1 试验方案

为了研究原路面自然老化和经加热机加热对不同老化梯度沥青流变性能的影响，对不同深度沥青混合料抽提回收老化沥青，分别进行三大指标：布氏旋转黏度(rotational viscosity, RV)、动态剪切流变(dymamic shear rheology,DSR)、弯曲梁流变(bending beam rheology, BBR)的试验。

1.2.2 常规性能试验

依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20—2011[9]测试三大指标。由于SBS改性沥青在长期老化下其优良的低温延度变形特性下降较快，5 ℃延度不能有效反映沥青老化延展特性，依照《公路沥青路面再生技术规范》JTG/T 5521—2019[10]采用15 ℃延度评价老化沥青的中温延展性。

1.2.3 布氏旋转黏度(RV)测试

黏度是评价沥青高温性能和和易性的重要指标，就地热再生施工时老化沥青黏度大小必须要适当，以保证良好的路用性能，测试不同温度下(110、135、150、160 ℃)老化沥青的黏度。

1.2.4 动态剪切流变(DSR)测试

采用TA-AR1500ex DSR(采用25 mm的平行板，板间距为1 mm)对老化沥青进行温度扫描和频率扫描，试验温度范围为58～76 ℃，间隔温度为6 ℃，频率扫描范围为0.1～100 rad/s，评价指标为失效温度(fail temperature)[11]。

1.2.5 弯曲梁流变仪(BBR)测试

BBR试验温度为-18 ℃，测试不同深度老化沥青的蠕变劲度(S)和蠕变速率(m)，以评价低温流变性能。

1.2.6 红外热像仪测试

采用FLUKE TiS50红外热像仪，探测器分辨率为220×165(36 300像素)，视场角为35.7°× 26.8°，温度测量范围为-20～450 ℃。

2 结果与讨论

2.1 路表温度检测

采用FLUKE TiS50红外热像仪检测沥青路面表面层各个加热阶段的温度分布情况，见图1。为进一步了解温度在同一横截面的分布情况，分别在路边、侧边与路中、路中选取温度测量点，对比整个加热过程中同一横截面的路表温度分布状况，见图2。

图1 沥青路面各个加热阶段红外热成像图Fig.1 Infrared thermal imaging of asphalt pavement in different heating stages

图2 同一截面温度分布Fig.2 Temperature distribution in the same section

就地热再生红外热辐射加热可以有效提升路面温度，在20～30 min内可以将路表温度提升至200 ℃，部分高达240 ℃，路槽温度高于100 ℃，可以实现再生层与中面层具有良好的热黏接。在加热过程中车道侧边与车道中间温度较低，其中间部分温度高，同一横截面上存在温度离析(图2)，说明表面加热不均匀。

沥青的导热系数较低，仅为玄武岩的1/10[12]，高温加热时使热量集中聚集在表面层，短时间内很难渗透到下面，导致表面层沥青加速老化，文献[13]表明为了保证再生沥青混合料的质量，路面加热温度不应大于180 ℃。本研究中就地热再生施工过程时部分表面层温度达到240 ℃，部分路表出现了泛油、焦糊的现象，可见表面层沥青材料在高温条件下发生了二次老化。

2.2 常规性能测试

采用常规性能试验评价不同深度老化沥青的高低温性能，试验结果见表1。由于不同深度沥青的老化程度不同，引入“老化梯度”来表征不同深度沥青的老化情况，同时便于对比高温加热前后不同深度老化沥青的指标差异，老化梯度结果见图3。根据不同深度沥青进行编号，如“S2-X2”表示表面层2 cm与下2 cm测试指标差值的绝对值，“RX2-RQ4”表示经高温加热后表面层2 cm与上面层整体4 cm测试指标差值的绝对值。

表1 不同状态老化沥青试验结果Table 1 Test results of aged asphalt in different states

图3 不同深度沥青老化梯度Fig.3 Aged gradient of asphalt with different depths

从表1可以看出，在自然老化状态下，S2与X2在15 ℃延度、针入度等低温指标上相差较大，说明上面层在自然老化状态下沥青存在明显的老化梯度，即与环境直接接触的表面层沥青老化最为严重，从上到下沥青老化程度逐步减小。从图3可以看出，高温加热后RS2与RX2、RQ4在15 ℃延度、针入度、软化点的差异大于原路面，RX2与X2的指标变化相差不大，说明高温加热主要影响表面层沥青的性能，对下2 cm沥青性能影响不大，从而导致不同深度沥青的老化梯度增大。

2.3 温度敏感性研究

黏度是表征沥青高温性能及高温流动性的重要指标之一，老化沥青的黏度随温度变化规律可以反映就地热再生路面的路用性能，体现老化沥青的温度敏感性[14]。图4给出了不同深度老化沥青的黏度随温度的变化规律。根据ASTM 2493推荐的Saal公式对不同温度下黏度进行回归，并做lgη与lgT的黏温曲线图(图5)，回归方程的斜率绝对值为黏温指数(VTS)(图6)，黏温指数越高，则老化沥青的温度敏感性就越大[15]。

不同深度老化沥青的黏度随温度的升高而降低，由图4可以看出高温加热对老化沥青的黏度影响较大，RS2的黏度增长幅度最为明显，RX2的黏度增长较小，S2的和易性整体优于RS2。

图5可以看出不同深度老化沥青的黏温曲线关系较符合Saal公式，均有较好的线性相关性，结果比较可靠。表面层老化沥青经高温加热后黏温指数增大，说明高温加热导致老化沥青发生了二次老化，导致RS2在高温条件下(>100 ℃)的温度敏感性不利，同时可以看出沥青过度老化对温度敏感性影响较大。

2.4 高温流变性能研究

DSR测试得到G*和δ表征沥青高温流变性能

图4 不同深度老化沥青黏度-温度规律Fig.4 Viscosity-temperature law of aged asphalt with different depths

图5 不同深度老化沥青黏温曲线Fig.5 Viscosity-temperature curve of aged asphalt with different depths

的基本参数，采用G*/sinδ、失效温度评价不同深度老化沥青的高温流变性能[16]，以车辙因子对数值和测试温度的关系进行线性拟合，得出对应的拟合曲线公式，根据该线性拟合公式，计算G*/sinδ=1.0 kPa，即lg(G*/sinδ)=0时的温度，即失效温度，结果见表2。不同深度老化沥青车辙因子见图7，不同深度老化沥青lg(G*/sinδ)-T图见图8。

图6 不同深度老化沥青VTS值Fig.6 VTS values of aged asphalt with different depths

图7 不同深度老化沥青车辙因子Fig.7 G*/sinδ of aged asphalt with different depths

图8 不同深度老化沥青lg(G*/sinδ)-T图Fig.8 lg(G*/sinδ)-T diaram of aged asphalt with different depths

表2 不同深度老化沥青的失效温度Table 2 Fail temperature of aging asphalt with different depths

由图7可以看出，经过高温加热后老化沥青的G*增大，相位角δ减小，导致G*/sinδ增大，老化沥青抵抗高温流变变形能力增强，即沥青中黏性成分减少，弹性成分增大。经过高温加热后不同深度老化沥青的失效温度呈现整体上升的趋势，即高温性能逐渐升高。相比于原路面老化沥青，RS2、RX2、RQ4的失效温度分别增长了3.37%、2.27%、1.36%，说明加热后的表面层沥青高温流变性能增长较为显著。

2.5 低温流变性能研究

采用-18 ℃时的蠕变劲度S(低温劲度模量)和m(蠕变劲度模量)来评价不同深度老化沥青的低温流变性能，S越大则老化沥青的低温弯曲流变性能越差，m越大则老化沥青的松弛能力越强[17]。BBR试验结果见图9、图10。

图9 劲度模量SFig.9 Stiffness modulus S

图10 劲度模量mFig.10 Stiffness modulus m

原路面老化沥青经过高温加热后，S增大，m减小，由于高温加热导致老化沥青发生了严重的二次老化，导致沥青中的大分子含量增加，沥青变硬变脆，低温抗裂性能显著下降，RX2和X2由于受到表面层的保护作用，经高温加热后低温抗裂性能下降较小。综合车辙因子、失效温度来看，表面层沥青在就地热再生施工过程时由于表面温度加热过高原路面老化沥青发生了二次老化，沥青变硬变脆，导致老化沥青的低温性能下降明显。

3 结论

通过红外热成像仪观察路面表面层温度的分布情况，研究了高温加热对不同深度老化沥青高、低温流变性能的影响，得到以下结论。

(1)红外热像仪温度分布图显示，原路面经高温加热后路表部分区域温度高达240 ℃，路表沥青发生了二次老化；路槽温度高于100 ℃，可以实现再生层与中面层具有良好的热黏接；同一横截面上不同区域存在温度离析。

(2)从常规指标来看，上面层沥青在自然老化状态下存在明显的老化梯度，从上到下沥青老化程度逐步降低，高温加热后老化梯度增大。

(3)根据黏温曲线可以看出，表面层老化沥青经高温加热后表面层VTS增大，高温加热导致老化沥青发生了二次老化，导致RS2在高温条件下(大于100 ℃)的温度敏感性不利。

(4)原路面老化沥青经高温加热后，黏度、软化点、车辙因子及失效温度增加，低温劲度模量S增加的同时蠕变劲度模量m显著下降，高温加热后老化沥青发生了二次老化，具体表现为老化沥青高温能力提升，低温性能下降明显，因此需要重点关注由于加热温度过高对表面层沥青流变性能的影响。