基于Burgers模型的再生沥青流变特性分析

2020-08-27牛彦峰

山西交通科技 2020年3期

牛彦峰

（山西交通控股集团有限公司，山西太原 030006）

0 引言

沥青路面热再生技术是近年来道路领域的热门研究方向，而再生剂则是该技术的核心添加物[1-2]。通过向废旧沥青及混合料中添加再生剂，补充了沥青在阳光、空气、水等老化作用下缺失的成分，恢复沥青适宜的流动与变形特性，进而可以再次应用到实际工程，具有显著的经济社会效益[3]。

目前，国内外诸多学者对再生剂进行了相关研究，取得了较为丰富的研究成果。周志刚[4]等采用傅立叶红外光谱试验及化学组分试验提出再生沥青组分含量随再生剂掺量的非线性关系模型；张永兴[5]等采用分子动力学模拟方法研究了再生剂与沥青间的相互作用；聂忆华[6]等基于四组分试验探讨了沥青再生时组分调和理论的适应性；冉龙飞等[7-8]通过DSC等试验研究了SBS改性沥青再生剂的高、低温及流变性能。

不同类型与组分的再生剂对老化沥青的还原效果也不尽相同，合理而准确地评价再生剂对沥青性能的影响关系到再生剂的推广使用。基于此，本文利用阿布森法从废旧混合料中抽提原老化沥青（记作O），掺入某再生剂后制备了再生沥青（记作A），并对A沥青进行旋转薄膜烘箱老化试验获得了再生短期老化沥青（记作RA）。在此基础上，对O、A、RA三种沥青进行了三大指标试验及小梁弯曲流变试验（BBR），并基于Burgers模型对再生沥青的流变特性进行了分析。

1 试验方案设计

1.1 原材料

再生剂的技术指标如表1所示，根据其60℃黏度检测结果显示其为RA-1型。

表1 再生剂技术指标

1.2 试验方法

采用阿布森法抽提原老化沥青（记作O），掺入再生剂后使用剪切机高速搅拌获得再生沥青（记作A），对再生沥青进行旋转薄膜烘箱试验，得到再生短期老化沥青（记作RA）。在获得3种沥青试样后，分别进行沥青三大指标试验及低温小梁弯曲流变试验（BBR）。

BBR试验的具体步骤，将预制好的沥青小梁脱模后放入-18℃恒温浴中保持1 h，通过调试使得沥青小梁跨中荷载在980 mN左右，沥青小梁加载时间240 s，卸载时间10 s，每隔0.5 s记录沥青小梁跨中位移。

2 试验结果分析

2.1 三大指标试验结果

老化沥青、再生沥青及再生老化沥青的技术指标如表2与图1所示。可以看到，再生剂的掺入显著提高了25℃针入度、10℃延度，降低了软化点，老化沥青由“硬”变“软”，沥青的低温抗裂性能有明显提高。而在短期老化后，再生沥青的针入度、延度小幅降低，软化点略有升高，这与沥青老化的规律相符合，即轻质油分被氧化部分转化为沥青质。3种沥青试样可以反映沥青在不同老化程度下的性能表现，沥青的老化程度越高，高温性能越好而低温性能越差。

表2 沥青技术指标

图1 沥青技术指标示意图

2.2 BBR试验结果

3种沥青BBR试验结果如图2～图4所示，可以看出：a）沥青小梁的蠕变变形过程包括：加载瞬时弹性变形、蠕变过程黏弹性变形以及卸载阶段永久塑性变形；b）在荷载水平基本相同的条件下，每种沥青的3种变形量并不相同，这反映了每种沥青的劲度模量随时间的变化存在差异；c）在稳态蠕变阶段，相同的加载时间范围内，沥青小梁位移变化量不同，具体表现为：ΔO＜ΔRA＜ΔA，表明蠕变速率 kO＜kRA＜kA。

图2 原样沥青BBR试验结果

图3 再生沥青BBR试验结果

图4 再生短期老化沥青BBR试验结果

SHRP规范中，采用长期老化沥青在60 s时小梁的劲度模量S和蠕变劲度变化率m来评价沥青的低温抗裂性[9]，并要求S≤300 MPa且m≥0.3，经计算可得到3种沥青的S和m见于图5和图6。O、A、RA沥青在60 s时的劲度模量分别为398.7 MPa、249.7 MPa、280.0 MPa，而 m 值分别为 0.246、0.321、0.311，说明再生剂的掺入提升了原沥青的低温抗裂性能，这与延度的表现相一致。根据标准，RA与A沥青处于同一等级，表明该再生剂具有良好的抗老化能力。

图5 沥青小梁S(t)

图6 沥青小梁m值

3 再生沥青流变特性分析

3.1 Burgers模型

沥青具有蠕变和应力松弛的特性，Burgers模型[10]既可描述材料的蠕变和松弛行为，也可反映材料的弹性后效，能很好表征沥青的黏弹特性。鉴于此，本文即采用该模型表征沥青的黏弹性本构特性，其在加载、卸载阶段的表达式见式（1）、式（2）。

加载阶段：

卸载后：

在本文采用的BBR试验中，经过变换可以得到小梁在加载阶段任意时刻劲度模量的表达式（3）。

3.2 再生沥青流变特性分析

采用Burgers模型拟合沥青小梁蠕变劲度模量如图7所示，拟合结果列于表3。

图7 Burgers模型拟合曲线

从拟合曲线及参数可以看出：a）Burgers模型能够准确地拟合沥青小梁蠕变的整个过程，拟合的参数能够表征再生沥青的黏弹特性；b）E1称为瞬时弹性模量，反映了沥青路面抗弹性变形的能力，E1越大，沥青抗弹性变形的能力越强；η1是产生永久变形的黏性系数，η1越大，在相同时间内沥青产生的永久变形越小。E1A＜E1TA＜E1O，η1A＜η1TA＜η1O均表明掺入再生剂后，再生沥青更容易产生变形，通过变形来降低沥青路面在冬季产生的温度应力，这对于提高沥青路面的低温抗裂能力是极为有利的。