泡沫温拌再生沥青抗短期老化性能研究*

王 鑫，李 宁，邹晓勇，唐 伟，詹 贺，于 新

（1河海大学 土木与交通学院，江苏南京 210098；2金华市公路管理局，浙江金华 321000）

沥青路面有着行车舒适、减震较好、路用性能优良及维修养护方式较为简单等优点，在我国已建成的公路中占比约90%［1-2］。随着时间推移，废旧沥青混合料（RAP）不断增多，我国对这些旧料的利用率却只在20%~30%左右，与发达国家90%的旧料利用率相去甚远［3］。为节约石料、沥青等资源，避免废料造成污染，发展沥青路面再生技术势在必得。厂拌热再生技术在我国的发展已经较为成熟，这种再生技术比较容易控制再生质量，适用范围较广，但是利用旧料的比例低、加热沥青所需要消耗的能源多，同时会排放大量的温室气体。旧料掺量较低的原因之一就是过高的温度会加深旧料上沥青的老化程度，而温度过低则会导致施工和易性变差。

泡沫温拌技术是将水加到热沥青中，水汽化使沥青膨胀，进而降低沥青的黏度，是一种绿色环保的路面施工技术［4-6］。由于这种技术的降黏功效，使得沥青能在更低的温度下具备较好的施工和易性，从而达到提高旧料掺量，减少能源消耗的目的。而泡沫温拌技术的降黏效果主要体现在拌和、摊铺和碾压的过程中，在此期间沥青性能主要受到短期老化作用的影响。目前已有一些关于泡沫温拌再生沥青性能相关的研究，肖鹏等［7］发现泡沫沥青再生的效果要优于基质沥青，且抗疲劳性能更强；徐波等［8］经研究发现，旧沥青掺量的升高，使泡沫温拌再生沥青的高温性能上升，低温性能下降，建议旧沥青掺量小于60% ；邓金等［9］发现，较普通热拌再生沥青来说，泡沫温拌再生沥青的温度敏感性更低；吴闻秀等［10］发现，旧沥青掺量的提升，会提升泡沫温拌再生沥青的抗疲劳破坏能力，但建议RAP掺量不超过40%。

上述研究并没有关注泡沫温拌再生沥青的抗老化性能，而且通常是在相同的试验条件下进行性能对比，没有考虑到泡沫温拌再生沥青在实际工程中可以降低施工温度的因素。本文对泡沫温拌再生沥青的抗短期老化性能进行研究。为了模拟实际工程情况，将泡沫温拌再生沥青和热拌再生沥青在不同温度下室内模拟短期老化，然后分析其高温、低温及抗疲劳性能，从而为实体工程提供参考。

1 材料与试验方法

1.1 再生沥青的制备

采用江苏某沥青厂的SBS改性沥青，基本性能见表1。参照JTG E20-2011规范中T0727-2011方法将沥青从RAP料中抽提出来，得到老化沥青，其基本指标性能见表2。采用徐工XLP10型沥青发泡机制备泡沫沥青，发泡时改性沥青的温度为175℃，水的温度为25℃，根据已有研究结论，采用3%的发泡用水量［11-12］。

表1 SBS改性沥青基本性能Table 1 Basic properties of SBS modified asphalt

表2 老化沥青基本指标Table 2 Basic properties of aging asphalt

将改性沥青与老化沥青按1：1的质量比进行掺配，然后在175℃下，以1000r/min的转速搅拌1h，制得热拌再生沥青。将泡沫沥青与老化沥青也按上述方法配制，然后制得泡沫温拌再生沥青，两种再生沥青的三大指标性能见表3。试验流程图如图1所示。

表3 再生沥青三大指标Table 3 Three indexes of recycled asphalt

图1 试验流程图Fig. 1 Test flow chart

1.2 试验方法

1.2.1 试验方案

将改性沥青、泡沫沥青、热拌再生沥青及泡沫温拌再生沥青进行布氏黏度试验及RTFOT模拟短期老化试验。

根据黏温曲线图（图2）可知，热拌再生沥青163℃黏度与泡沫温拌再生沥青153℃黏度相当。故将未发泡组沥青的短期老化条件设为163℃，85min，发泡组沥青的短期老化条件设为153℃，85min。分别采用MSCR试验、BBR试验和LAS试验评价上述沥青老化前后的高温、低温、抗疲劳性能。

图2 再生沥青黏温曲线Fig. 2 Viscosity-temperature curve of recycled asphalt

1.2.2 多应力蠕变恢复试验

根据AASHTO TP70试验规程，采用DSR仪器进行测试，板直径25mm，间距1mm，温度为60℃。一个周期内的蠕变恢复应变曲线如图3所示。

图3 蠕变恢复应变曲线Fig. 3 Creep recovery strain curve

主要公式如下：

式中：γ0，γp，γnr分别为初始应变、峰值应变、残留应变；τ为剪切应力（0.1kPa或3.2kPa）。

采用不可恢复蠕变柔量（Jnr）表征沥青的不可恢复变形，此值越小，其抗永久变形能力越强；蠕变恢复率（R）反映了沥青恢复变形量的比例，此值越大，其恢复变形的能力越强。

1.2.3 弯曲蠕变劲度试验

本文采用BBR试验，测沥青在-24℃、-18℃、-12℃温度下的S与m。S表征沥青抵抗荷载的能力，m表征加载后沥青劲度的变化速率，S越大、m越小，则低温性能越差。

1.2.4 线性振幅扫描试验

线性振幅扫描试验能够在较短的时间内测得目标应变水平下的疲劳性能［13］。采用DSR仪器进行试验，选用8mm直径的试验板，板间距为2mm，温度为25℃。此试验分为两步，第一步为频率扫描，第二步为线性振幅扫描，通过公式可计算出沥青的疲劳性能指标：疲劳寿命Nf。主要公式如下：

式中：G'(ω)为存储模量；ω为频率；m为拟合参数；ID为1%应变时复数剪切模量的初始值；γ0为应变水平；|G*|为复数剪切模量；δ为相位角；t为测试时间；C0为0.1%应变时的|G*|sinδ；C1、C2为拟合参数；f为加载频率10Hz；k为参数，k=1+(1-C2)α；γmax为一定路面结构下沥青的最大期望应变，此处取2.5%。

计算过程中，参数A35与沥青的储能模量相关，反映沥青在积累损伤的这个过程中保持自身完整性的能力；参数B表征沥青的应变敏感性，|B|越大，疲劳寿命的变化速率就越快。所以当A35的值较大，|B|的值较小时，沥青的疲劳性能就较好［14］。

2 试验结果与分析

2.1 高温性能

为了对比短期老化前后各沥青的蠕变恢复特性，取3.2kPa应力水平下的第一个加载-卸载周期进行分析，如图4所示。

图4 沥青的蠕变恢复应变曲线Fig. 4 Creep recovery strain curve of asphalt

由图4可知，在3.2kPa应力水平下，短期老化前，就峰值应变而言，改性大于泡沫，泡沫温拌再生大于热拌再生，表明泡沫温拌技术会降低改性沥青的流动变形特性，但能使再生沥青的流动变形特性得到提升。短期老化后，各沥青的峰值应变均有不同程度的降低，其中，泡沫温拌再生沥青降低42.8%，说明短期老化会降低沥青的流动变形特性，且泡沫温拌再生沥青流动变形特性的抗老化能力与热拌再生沥青相差不大；泡沫沥青的峰值应变大于改性沥青，泡沫温拌再生沥青的峰值应变大于热拌再生沥青，这说明泡沫温拌技术使沥青在此时能具备更好的流动变形特性；再生组沥青的残余应变大于未再生组沥青，表明掺入老化沥青会降低沥青的蠕变恢复性能。

图5为各沥青短期老化前后的不可恢复蠕变柔量。

图5 不可恢复蠕变柔量Fig. 5 Irrecoverable creep compliance

由图5可知，短期老化前，对于不可恢复蠕变柔量，改性大于泡沫，热拌再生小于泡沫温拌再生，说明泡沫温拌技术能提升改性沥青的抗永久变形能力。短期老化后，泡沫沥青的不可恢复蠕变柔量略微升高，其余三种沥青的不可恢复蠕变柔量降低，说明短期老化作用会降低泡沫沥青的抗永久变形能力，但能使另外三种沥青的抗永久变形能力得到提升；其中，泡沫温拌再生沥青提升最大，为60%。而且短期老化后的改性沥青与泡沫沥青、热拌再生沥青与泡沫温拌再生沥青之间的不可恢复蠕变柔量值非常相近，表明泡沫温拌技术对沥青此时的抗永久变形能力影响不大。

图6为0.1kPa和3.2kPa两个应力水平下四种沥青在短期老化前后的蠕变恢复率。

图6 蠕变恢复率Fig. 6 Creep recovery rate

由图6可知，3.2kPa应力水平下沥青的蠕变恢复率会较0.1kPa应力水平有一定的降低，说明应力水平的升高会降低恢复变形的能力。短期老化前，对于蠕变恢复率，泡沫大于改性，泡沫温拌再生大于热拌再生，表明泡沫温拌技术能提升沥青恢复变形的能力。短期老化后，泡沫沥青的蠕变恢复率降低，另外三种沥青均上升，说明短期老化作用会降低泡沫沥青恢复变形的能力，但能提升另外三种沥青恢复变形的能力；其中，泡沫温拌再生沥青提升约13%。而且短期老化后的改性沥青与泡沫沥青、热拌再生沥青与泡沫温拌再生沥青之间的蠕变恢复率相近，表明泡沫温拌技术对沥青此时恢复变形的能力影响很小。

综合不可恢复蠕变柔量及蠕变恢复率两种性能指标可知，短期老化作用会提升泡沫温拌再生沥青的高温性能。

2.2 低温性能

表4为不同温度下四种沥青在短期老化前后的S值和m值。

随着温度的下降，四种沥青的S值增大，m值减小。当温度下降至-24℃时，短期老化前后的m值数据几乎相等，但S值却相差较大，这说明使用S值和m值评价沥青的低温抗裂性能不够准确，会出现区分度较小的情况。相关研究也表明，仅采用S值和m值以评价沥青的低温性能时，会出现结果不够准确，甚至相互矛盾的情况［15］。因此，有关学者在得到S值和m值的基础上，结合了Burgers模型提出采用λ=m/S作为指标评价沥青在低温条件下抵抗开裂的能力，这种方法能够有效避免评价时出现差错［16］。

以λ作为指标评价沥青时，λ值越大，说明沥青的低温抗裂性能越好。图7所示为各沥青的λ值。

图7 沥青的λ值Fig. 7 λ values of asphalt

由图7可知，四种沥青的λ值均随着温度的降低而不断减小，即低温开裂的可能性不断增大，并且在-12℃到-18℃温度区间内λ值下降的幅度大于-18℃到-24℃温度区间内下降的幅度，说明在-12℃到-18℃间，沥青的低温抗裂性能衰减更快。短期老化前，就λ值而言，改性大于泡沫，热拌再生大于泡沫温拌再生，说明泡沫温拌技术会使沥青的低温抗裂性能下降。短期老化后，各沥青的λ值均下降，其中，泡沫温拌再生沥青降低约14%，说明短期老化作用会使沥青的低温抗裂性能下降。这是由于热氧老化作用使沥青中的中分子和小分子组分减少，大分子组分增多，如芳香分占比减小、沥青质占比增大，使得沥青变硬和变脆，导致沥青更易开裂［9］。

2.3 抗疲劳性能

图8所示为各沥青在短期老化前后的疲劳性能参数A35、|B|的值。

图8 沥青的疲劳参数值Fig. 8 Fatigue parameter values of asphalt

由图8可知，短期老化前，泡沫温拌再生沥青的A35值与|B|值均大于热拌再生沥青，说明与热拌再生沥青相比，泡沫温拌再生沥青虽然保持自身完整性的能力更强，但应变敏感性也更高。短期老化后，泡沫温拌再生沥青的A35值增大，|B|值减小，表明短期老化作用能使泡沫温拌再生沥青拥有更好的保持自身完整性的能力及更低的应变敏感性，证明其在疲劳性能方面具备较好的抗老化能力。

图9为2.5%应变水平下四种沥青在短期老化前后的疲劳寿命Nf。

图9 沥青的疲劳寿命Fig. 9 Fatigue life of asphalt

由图9可知，在2.5%的应变水平下，短期老化前，就疲劳寿命值而言，改性小于泡沫，热拌再生小于泡沫温拌再生，说明泡沫温拌技术的应用有利于延长沥青的疲劳寿命。短期老化后，改性沥青与泡沫沥青的疲劳寿命值降低，热拌再生沥青与泡沫温拌再生沥青的疲劳寿命值升高，表明短期老化作用能延长再生沥青的疲劳寿命；其中，泡沫温拌再生沥青延长了约71%。但是，再生沥青的疲劳寿命经过老化作用后反而会延长，这种结论明显不符合实际情况。所以，使用线性振幅扫描试验测试再生沥青的疲劳性能，这种方法的合理性有待验证。

3 结论

（1）当老化沥青掺量为50%时，153℃下泡沫温拌再生沥青的黏度与163℃的热拌再生沥青处于同一水平。

（2）泡沫温拌再生沥青在短期老化后，抗永久变形能力提升约60%，蠕变恢复率提升约13%，低温性能降低约14%，抗疲劳性能提升约71%。总体上，泡沫温拌再生沥青抗短期老化性能较好。

（3）短期老化后，与热拌再生沥青相比，泡沫温拌再生沥青的高温性能与之相当，低温性能低约6%，抗疲劳性能低约9%。整体上二者性能相差不大。