新-旧SBS改性沥青混合再生规律

秦 欢， 吴 欣，邹桂莲，刘新海

(1.保利长大工程有限公司，广州 510620；2.广州市高速公路有限公司，广州 510289；3.华南理工大学土木与交通学院，广州 510640；4.广东华路交通科技有限公司，广州 510420)

0 引言

老化沥青再生利用技术一直是行业内的热点研究方向之一，已有成功的再生沥青路面应用案例证明了该技术的经济价值和环境效益[1-4]。规范JTG/T 5521-2019中的新旧沥青调和再生法则以60℃动力黏度作为目标参数。SBS改性沥青的60℃动力黏度测试困难且误差较大[5]，基于60℃动力黏度建立的调和方程并不适合于指导改性沥青的混合再生，因此选择合适的目标参数成为研究新-旧SBS改性沥青混合再生规律的关键点。邹桂莲、秦欢[6-7]等人发现延度、粘韧性以及G*/sinδ对SBS的老化最为敏感，一次和二次再生后的沥青流变特性恢复效果较好。甘立新、李立寒、张皓等人[8-10]发现添加再生剂或新SBS类改性沥青可使老化沥青的针入度、延度和粘韧性恢复至老化前的水平。Stimilli[11]等人使用三种不同SBS含量的原样改性沥青对老化沥青进行再生，发现混合再生沥青的SBS含量随老化沥青掺量的增加而提高，同时硬度不断增大。

本文在已有研究成果的基础上[6-11]，室内采用延时RTFOT自制R(20-30)、R(10-20)老化沥青，再分别使用I-D、I-C、I-B三类原样SBS改性沥青对R(10-20)沥青进行混合再生，研究新-旧SBS改性沥青混合再生的规律，以期为回收SBS改性沥青混合料的再生利用提供方法参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 原样及老化SBS改性沥青

为模拟沥青路面实际使用过程中的老化，参考已有研究成果[12]在室内采用延时RTFOT试验代替PAV试验对新SBS I-D(40-60)改性沥青进行老化，将旋转薄膜烘箱温度设置为170℃、喷气嘴空气流量设置为5 000ml/min±200ml/min。经多次试验探究，分别老化3h、5h得到R(20-30)、R(10-20)老化沥青。R(20-30)沥青与山东省某公路回收沥青的针入度相当，R(10-20)与广东省SBS(I-D)改性沥青使用8～10年的老化程度相当。I-D(40-60)、R(20-30)、R(10-20)沥青的基本性能指标见表1。

表1 I-D(40-60)、R(20-30)、R(10-20)沥青的性能指标

1.1.2 新SBS改性沥青

选择的I-D、I-C、I-B型SBS改性沥青技术指标见表2。

表2 新SBS改性沥青的技术指标

1.2 试验方法

广东省原样SBS(I-D)改性沥青的针入度范围为40～60(0.1mm)，使用8～10年后衰减至10～20(0.1mm)，因此采用R(10-20)老化沥青作为研究对象。将I-D、I-C、I-B新沥青和R(10-20)老化沥青置于165℃～170℃烘箱内加热融化，再将15%、25%、35%、50%质量比例的R(10-20)沥青分别加入三种新沥青中，搅拌混合均匀后得到12种再生SBS改性沥青。按照规范JTG E20 T 0604、T 0625和AASHTO M320分别测试12种混合再生SBS改性沥青以及I-D、I-C、I-B、R(10-20)沥青的25℃针入度、135℃旋转粘度以及G*/sinδ。

2 试验结果与分析

2.1 针入度

新-旧沥青混合后的分散均匀程度会影响再生沥青的针入度指标[13-14]。为减少干扰变量，假设新-旧沥青完全混合分散均匀，仅分析新沥青种类以及掺量对混合再生后沥青针入度的影响。不同沥青的针入度试验结果见表3，与R(10-20)掺量的关系如图1所示。

表3 沥青25℃针入度试验结果 (单位：0.1mm)

图1 25℃针入度与R(10-20)掺量之间的变化规律

由表3和图1可知，在相同的R(10-20)掺量下，混合再生沥青的针入度随新沥青针入度等级的升高而增大，新沥青针入度越大，对R(10-20)的再生效果就越明显。分别使用I-D、I-C、I-B新沥青作为再生剂，混合再生沥青的针入度均随R(10-20)掺量的增加而减小，说明R(10-20)掺量增加会导致再生沥青变硬。以25℃针入度作为目标参数，新-旧SBS改性沥青的混合再生调和方程可表示为式1。

Lg(Pmix)=X·Lg(Pold)+(1-x)Lg(Pnew)

(1)

式中：Pmix为再生沥青的25℃针入度；Pold为老化改性沥青的25℃针入度；Pnew为新沥青的25℃针入度；x为老化沥青的掺配比例。

欲使R(10-20)针入度恢复至原样沥青的水平范围，根据式(1)反算可知，分别使用I-D、I-C、I-B新沥青再生时，R(10-20)的最大掺量为29%、40%、48%，说明新沥青针入度越大，老化沥青的最大掺量越高。进一步分析可知，当老化沥青掺量不超过30%时，可选择同等级的新沥青作为再生沥青；当掺量超过30%时，建议选择更高等级的新沥青作为再生沥青。

2.2 粘度

在单对数坐标系下，12种混合再生沥青以及I-D、I-C、I-B、R(10-20)沥青的135℃旋转粘度试验结果如图2所示。

图2 135℃旋转粘度与R(10-20)掺量之间的变化规律

由图2可知，相同的R(10-20)掺量下，新沥青的针入度越大，混合再生沥青的135℃旋转粘度越小，对R(10-20)的软化效果越明显。分别使用I-D、I-C、I-B新沥青作为再生剂，混合再生沥青的135℃旋转粘度值均随R(10-20)掺量的增加而升高。135℃旋转粘度对数值与R(10-20)掺量呈单调递减关系，可表示为式(2)。

Lg(ηmix)=X·Lg(ηold)+(1-x)Lg(ηnew)

(2)

式中：ηmix为再生沥青的135℃旋转粘度；ηold为老化改性沥青的135℃旋转粘度；ηnew为添加新沥青的135℃旋转粘度；x为老化沥青的掺配比例。

规范JTG/T 5521-2019采用60℃动力粘度作为目标参数构建新旧沥青调和方程，这一指标对于普通沥青是适用的，但SBS改性沥青60℃动力粘度测试困难且误差较大，导致其不适用改性沥青的再生。美国SHRP计划推荐使用Brookfield旋转粘度计测试改性沥青的135℃旋转粘度，该测试方法简单，数值稳定可靠，能较好地反映改性沥青的高温性能。使用I-D、I-C、I-B新沥青作为再生剂，混合再生沥青的135℃旋转粘度对数值与老化沥青掺量的线性回归相关系数均可达到95%以上，两者的相关程度较高，表明135℃旋转粘度同样适合作为目标参数构建新-旧SBS改性沥青混合再生调和方程。

2.3 车辙因子

SHRP计划提出采用G*/sinδ表征沥青结合料抗永久变形能力的大小，其数值越大说明高温抗车辙能力越强[17]。国内沥青路面夏季的高温一般为40℃～70℃，试验设置40℃、50℃、60℃、70℃四个温度，采用I-B(80-100)新沥青对R(10-20)老化沥青进行再生，G*/sinδ的试验结果如图3所示。

图3 G*/sinδ与R(10-20)掺量之间的变化规律

由图3可知，在设置的试验温度下，G*/sinδ均随R(10-20)掺量的增加而增大，表明高温状态下增加老化沥青掺量有利于提高沥青混凝土路面的抗车辙能力。同种试验温度下，以G*/sinδ为目标参数构建的再生调和方程可表示为式(3)。

Lg(G*/sinδmix)=x·Lg(G*/sinδold)+
(1-x)Lg(G*/sinδnew)

(3)

式中：G*/sinδmix为再生沥青的车辙因子，G*/sinδold为老化沥青的车辙因子，G*/sinδnew为新沥青的车辙因子，x为旧沥青掺量。

温度是《公路自然区划标准》一级区划考虑的重要指标之一。目前我国的沥青技术指标体系采用固定的试验温度，不能代表当地沥青路面的真实服役温度，而DSR温度扫描试验可获得系列温度下的G*/sinδ，各地可根据路面高温状态下的统计温度平均值，建立基于该温度下的G*/sinδ再生调和方程，保证再生沥青试验温度与当地路面服役温度的一致性。建议采用再生调和方程确定新沥青的针入度等级以及老化沥青的最大掺量时，推荐优先选用当地平均7d最高路面设计温度下的G*/sinδ作为目标参数。

3 再生调和方程的验证

为验证SBS改性沥青混合再生调和方程的普适性，选择山东省某实体工程应用的R(20-30)老化沥青，固定其掺量为25%，分别添加质量分数为75%的I-D(40-60)、I-C(60-80)新沥青进行混合再生并进行检测试验。再生沥青性能指标的实测值与计算值见表4。

表4 再生沥青性能指标测试结果

由表4可知，采用再生调和方程拟合得到的25℃针入度、135℃旋转粘度、G*/sinδ计算值与再生沥青样品的实测值基本一致，相对误差均小于10%，在实际工程使用可接受的误差范围内，表明建立的再生调和方程对于不同老化程度的SBS改性沥青均适用，具有一定的普适性。

4 结论

(1)添加不同针入度等级的新SBS改性沥青均能有效恢复老化SBS改性沥青的常规性能与流变性能指标，且新SBS沥青的针入度等级越高，掺量越大，恢复效果越明显。当老化沥青掺量不超过30%时，可选择同等级的新沥青作为再生沥青；当掺量超过30%时，建议选择更高等级的新沥青作为再生沥青。

(2)新-旧SBS混合再生沥青的25℃针入度对数值、135℃旋转粘度对数值、G*/sinδ对数值均与R(10-20)掺量呈线性相关关系。可采用25℃针入度、135℃旋转粘度或G*/sinδ作为目标参数建立新-旧SBS改性沥青的再生调和方程，推荐选用当地平均7d最高路面设计温度下的G*/sinδ作为目标参数。

(3)采用再生调和方程拟合得到的25℃针入度、135℃旋转粘度、G*/sinδ计算值与再生沥青样品的实测值基本一致，表明建立的再生调和方程对于不同老化程度的SBS改性沥青均适用，具有一定的普适性。