木焦油基再生沥青及其混合料低温性能研究

2020-09-12刘克非刘崇麟吴超凡

硅酸盐通报 2020年8期

刘克非，刘崇麟，吴超凡，蒋康

(1.中南林业科技大学南方绿色道路研究所，长沙 410004；2.湖南省建筑固废资源化利用工程技术研究中心，长沙 410205； 3.湖南省交通科学研究院有限公司，长沙 410015)

0 引言

近年来我国在沥青路面大修及改扩建的过程中产生了大量废旧沥青混合料(RAP)，相应地，不同类型的再生沥青在高等级公路建设中得到了广泛应用。已有研究表明[1]，再生剂可有效恢复老化沥青的路用性能，但低温抗裂性能因再生剂的种类和掺量不同具有显著差异。

低温抗裂性能是影响再生沥青推广应用(尤其是寒冷地区和高掺量RAP工况下)的核心问题之一。陈华鑫等[2]综合国内外各类沥青低温性能评价方法，分析了各评价方法的适用性。马涛等[3]基于材料复合理论分析了再生剂与老化沥青间的材料复合效应，发现再生剂对老化沥青低温延度具有明显的改善作用。Tan等[4]对弯曲蠕变劲度(BBR)试验方法进行深究，发现采用单一指标评价沥青低温性能存在片面性，强调采用综合指标或多种方式相结合衡量沥青的低温性能。冯新军等[5]采用cryo-SEM技术评价了再生沥青的低温抗裂性，发现再生剂未改变沥青原有的物理化学性质。董文龙等[6]研究表明SBS改性沥青的低温特性与脂肪链长度有关，脂肪长链指数越小，沥青低温特性越好。丁海波等[7-8]研究了废基底油渣再生沥青的低温性能，发现蜡晶粒的低温结晶及其相界造成的应力集中是导致再生沥青长期低温性能降低的原因。Yu等[9]发现再生沥青具有较好的低温抗裂特性，但再生效果依赖于再生剂种类与化学组成，再生剂不一定能使老化沥青恢复至基质沥青的微观形貌。

木焦油作为木质生物质材料高温裂解产物，主要以废家具木屑和生产活动中的废木材为生产原料，具有来源广泛、废物利用、环保可再生的特点[10]。已有研究证明木焦油作为沥青改性剂可有效改善沥青的低温性能和抗疲劳性能[11]。在作为老化沥青再生剂使用时，木焦油可降低老化沥青的黏度并提高其针入度，木焦油基再生沥青的使用性能满足规范要求[12]。然而，木焦油基再生沥青及其混合料的低温性能研究未见报道。

为了更全面地评价再生沥青的性能，促进木焦油基再生沥青的实际应用。本文采用分布和应用广泛的毛竹裂解物——木焦油作为基础原料，将不同比例的木焦油、生物质纤维、增塑剂和固定比例的增容剂、稳定剂混合制备复合再生剂。以基质沥青和商用RA-102再生沥青为对照组，采用延度试验、BBR试验和半圆弯曲(SCB)试验评价木焦油基再生沥青及其混合料的低温抗裂性能，研究结果可为生物质材料基再生剂的推广应用奠定基础。

1 实验

1.1 试验材料

本研究采用的基质沥青为高富70#基质沥青，广东茂名正诚石油化工有限公司生产，其基本性能见表1。采用木焦油、生物质纤维、增塑剂、稳定剂和增容剂为基本组分制备木焦油基沥青再生剂。其中，木焦油产自湖南攸县某环保木炭厂，其原料为毛竹。生物质纤维为实验室内自制的毛竹和木材的茎杆或树皮制成的改性絮状纤维。木焦油和生物质纤维的物理性能见表2。其他辅助剂均由长沙吉瑞化玻仪器设备有限公司提供，分析纯。为进行对比研究，选用江苏苏博特新材料有限公司提供的RA-102再生剂作为对照组，其基本性能见表3。

表1 70#基质沥青基本性能Table 1 Basic properties of 70# matrix asphalt

表2 木焦油和生物质纤维的物理性能Table 2 Physical properties of wood tar and biomass fiber

表3 再生剂基本性能Table 3 Basic properties of rejuvenator

1.2 老化沥青和再生沥青制备

已有研究表明[13]，旋转薄膜烘箱(TFOT)老化和压力老化容器(PAV)老化可有效模拟路面自然老化。再生沥青制备流程图如图1所示。沥青混合料老化按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行。TFOT测试温度163 ℃，老化时长5 h；短期老化后的沥青混合料通过PAV进一步长期老化，PAV测试温度100 ℃，压力2.1 MPa，老化时长20 h。将PAV老化沥青按图1所示流程处理，分别制得木焦油基再生沥青和RA-102再生沥青。

图1 再生沥青制备流程图Fig.1 Preparation process of rejuvenated asphalt

1.3 沥青混合料配合比设计

沥青混合料所用集料为石灰岩，填料为石灰岩矿粉。采用AC-13型密集配沥青混合料，其级配见表4。基于4%的设计空隙率，通过马歇尔试验确定木焦油基再生沥青混合料、基质沥青混合料、RA-102再生沥青混合料的最佳油石比分别为6.0%、5.0%、5.6%。

表4 AC-13型沥青混合料级配组成Table 4 Gradation composition of AC-13 asphalt mixture

1.4 试验方法

1.4.1 延度试验

按照JTG E20—2011中的T0605—2011沥青延度试验方法测试沥青延度，试验温度15 ℃，拉伸速度1 cm/min。

1.4.2 BBR试验

按照JTG E20—2011中T0627—2011沥青弯曲蠕变劲度试验方法测试沥青的60 s弯曲蠕变劲度模量S值和蠕变速率m值。试件尺寸(长×宽×高)为127.00 mm×6.35 mm×12.70 mm, 测试温度分别为-6 ℃、-12 ℃和-18 ℃。

1.4.3 SCB试验

图2 半圆弯曲试验试件Fig.2 Semicircle bending test sample

(1)

2 结果与讨论

2.1 延度试验分析

各沥青延度测试结果见表5。由表5可知，老化作用显著削弱了沥青的低温抗裂性，PAV老化可使基质沥青的延度降低82%。两种再生剂均可将老化沥青延度提升至接近基质沥青水平，进而提高其低温抗裂性能。木焦油基再生剂对老化沥青的低温性能恢复效果略差于RA-102再生剂，但仍可满足规范要求。

表5 各沥青混合料延度测试结果Table 5 Ductility test result of each asphalt mixture

实际上，延度是沥青延展性的表征。老化作用使沥青延度值显著降低，说明其脆性显著增强。再生剂的加入可使老化沥青的延度明显提升的主要原因在于再生剂中的轻质油分可充分软化老化沥青质，进而提高沥青的延展性和塑性。生物质纤维可吸附游离的油分和自由沥青而形成“结构沥青”，在提高沥青层厚度的同时,与沥青中的酸性树脂成分产生吸附[15]。然而，长短不一的纤维在沥青中相互搭接，在受拉状态下会对沥青产生约束，导致再生沥青易断裂。因此，木焦油基再生沥青的低温抗裂性能弱于基质沥青和RA-102再生沥青。

2.2 BBR试验分析

2.2.1 蠕变劲度与蠕变斜率

各沥青混合料蠕变劲度与蠕变斜率测试结果见图3。由图3可知，沥青混合料的蠕变劲度随温度的降低显著升高，蠕变斜率的变化趋势则完全相反。再生剂的加入可有效恢复老化沥青的蠕变劲度及蠕变速率。当测试温度为-12 ℃时，木焦油基再生沥青的S值分别比70#基质沥青和RA-102再生沥青高6.67%和4.67%，m值则分别比二者低0.006和0.003，表明木焦油基再生沥青的低温抗裂性能略差于RA-102再生沥青。

图3 各沥青混合料蠕变劲度与蠕变斜率测试结果Fig.3 Test results of creep stiffness and creep slope of each asphalt mixture

从本质上来看，较低的蠕变劲度意味着温度降低时，沥青路面内的温度应力较小，路面产生开裂的风险较低，较高的蠕变速率则代表沥青路面拥有较好的松弛能力[16]。与基质沥青相比，木焦油基再生沥青的蠕变劲度更小、蠕变斜率更大。因此，当温度降低、路面产生相同的收缩应变时，再生沥青内的温度应力较基质沥青大，应力松弛能力较低，故再生沥青可以改善老化沥青的低温抗裂性能，但不能完全恢复至基质沥青水平。

2.2.2 连续低温分级温度

图4 各沥青混合料连续低温分级温度计算结果Fig.4 Calculation results of continuous low-temperature grading temperature of each asphalt mixture

以S=300 MPa、m=0.300为低温分级标准，分别计算各沥青混合料的连续低温分级温度[17]，结果见图4。由图可知，由蠕变速率计算得到的连续分级温度低于由蠕变劲度计算所得。当采用蠕变劲度作为计算指标时，木焦油基再生沥青的低温分级温度分别比70#基质沥青和RA-102再生沥青高1.03 ℃和0.63 ℃；当采用蠕变斜率作为计算指标时，木焦油基再生沥青的低温分级温度分别比70#基质沥青和RA-102再生沥青高0.77 ℃和0.45 ℃。因此，木焦油基再生沥青的低温分级基本与基质沥青和RA-102再生沥青处于同一等级。

2.3 SCB试验分析

不同沥青混合料SCB测试结果见表6。由表6可知，基质沥青混合料的低温抗弯拉应力和弯拉应变明显优于再生沥青。木焦油基再生沥青混合料的σB值比70#基质沥青低6.24%，比RA-102再生沥青高12.93%；其εB值比70#基质沥青低5.85%，比RA-102再生沥青高14.11%。说明木焦油基再生沥青混合料的低温抗裂性明显优于RA-102再生沥青混合料，但略差于基质沥青混合料。此外，各沥青混合料的断裂能密度与其抗弯拉应力和弯拉应变具有相同的规律，即各沥青混合料低温抗裂性能的排序为基质沥青混合料>木焦油基再生沥青混合料>RA-102再生沥青混合料。

表6 各沥青混合料SCB测试结果Table 6 SCB test results of each asphalt mixture

究其原因，基质沥青混合料本身具有良好的流动性，在相同荷载作用下变形量更大，因而具有较大的弯拉应变和断裂能密度。木焦油基再生沥青混合料良好的低温抗裂性来源于木焦油与生物质纤维的协同作用，二者可与新沥青充分浸润，在有效缓解沥青与集料间黏结失效的同时提高了混合料的劲度，使再生沥青混合料低温下的韧性和抵御开裂能力明显提高[18]。此外，RA-102再生沥青偏稠偏硬，低温下的韧性和流动性较差，因而其弯拉应变和断裂能密度均较小。

综上可知，木焦油基再生沥青的低温抗裂性能略差于基质沥青和RA-102再生沥青，而其混合料的低温抗裂性能弱于基质沥青混合料，优于RA-102再生沥青混合料。这与木焦油基再生剂中含有生物质纤维有关。图5为不同沥青混合料SCB破坏界面，微观试验结果表明，纤维表面吸附有大量的结构沥青，其较强的裹覆力可有效改善沥青与混合料间的界面连接状态，从而在低温下延缓裂缝的开展。此外，生物质纤维呈细长的丝状，犹如钢筋混凝土内的钢筋一样，将整个混合料通过纤维网串通起来，在低温下可起到一定的拉伸作用以维持整个结构的完整[19]，进而实现对沥青混合料的阻裂作用。