热再生沥青混合料低温蠕变行为及黏弹性分析

2022-05-13张强高学凯梁春雨

中外公路 2022年2期

张强, 高学凯, 梁春雨

(1.山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030032； 2.黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西太原 030032；3.吉林大学交通学院，吉林长春 130022)

热再生是沥青路面固废回收利用的重要手段，可以治愈道路病害的同时实现路面材料的循环利用，具有显著的经济、社会和环境效益。然而，沥青混合料回收料经受长期的光热老化，低温抗裂性变差，这是制约热再生技术推广的重要因素，也是专家学者们研究的重点问题[1-3]。

顾兴宇[4]等基于BBR与DSR试验，采用差别变量及主曲线法评价了再生沥青的低温抗裂性能；冯新军[5]等采用Cryo-SEM从微观角度分析了再生沥青的低温断裂指数；曹青霞[6]等以G-R常数为指标，分析了3种不同再生剂对沥青低温抗裂性能的影响；耿九光、何兆益等[7-9]采用低温弯曲破坏试验分析了不同掺量RAP、级配类型对再生沥青混合料低温性能的影响；陈静云、侯睿等[10-11]对比分析了不同再生工艺，包括再生手段、拌和时间等对再生沥青混合料低温抗裂性的影响差异。

目前对再生沥青混合料的低温抗裂性的研究也多采用一般破坏性指标，而沥青混合料低温开裂是一个缓慢发展的过程，仅采用破坏性试验来评价其低温性能具有一定的局限性，无法反映其在整个开裂过程中内部的力学行为规律。基于此，该文选用石油基再生剂、生物油基再生剂分别以9%、12%、15%的掺量进行沥青三大指标试验确定其最佳掺量，然后以最优掺量制备沥青混合料小梁试件并分别在0.8、1.6、2.4 MPa应力水平下进行弯曲蠕变试验，试验结果采用Burgers模型分析其黏弹特性及低温蠕变行为，对准确认识并客观评价再生沥青混合料低温抗裂性具有重要意义和应用价值。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

目前，再生剂按基础油分来源可分为石油基再生剂与生物油基再生剂，该文对两种不同类型再生剂的技术指标进行试验检测，结果如表1所示。其中A为重石油基再生剂、B为生物油基再生剂。沥青混合料回收料(RAP)来自山西某高速公路维修养护路段，其基础性能测试结果列于表2。新掺沥青采用SBS改性沥青，其技术指标列于表3。

表1 再生剂技术指标

表2 RAP性能检验结果

表3 SBS(I-C 型)改性沥青技术指标

1.2 试验方案

研究试验方案如图1所示。首先，采用阿布森法从沥青混合料回收料(RAP)中抽提沥青，并分析RAP级配、沥青基本参数；然后，将两种再生剂分别以9%、12%、15%的掺量制备再生沥青，并以25 ℃沥青针入度、10 ℃延度以及软化点作为控制指标确定再生剂最佳掺量。

对RAP筛分后进行级配分析，掺入15%新料以形成平滑的S形曲线，级配设计如图2所示。再生沥青混合料中沥青部分包含再生剂、RAP中的沥青以及新掺入SBS改性沥青，以总油石比4.5%～5.5%(间隔0.5%)进行马歇尔试验确定混合料最佳油石比，并以最佳油石比成型车辙板，经24 h冷却后切割为

图1 试验设计方案

250 mm×30 mm×35 mm小梁试件。采用UTM-130设备，对沥青混合料回收料(RAP)、石油基再生沥青混合料(记作RAP+A)以及生物油基再生沥青混合料(记作RAP+B)分别进行小梁弯曲蠕变试验，试验温度为-5 ℃，荷载水平分别为0.8、1.6、2.4 MPa，试验加载时间为1 800 s，由配套计算机记录小梁挠度变化。

1.3 计算方法

由于设备记录的为小梁跨中挠度变化，因此需要对其梁底应变进行相应计算，小梁弯曲蠕变的加载示意图及应变计算方法如图3及式(1)～(3)所示[12]。

(1)

(2)

(3)

图2 再生混合料设计级配

图3 小梁弯曲蠕变载荷示意图

式中：σ0为试件的蠕变弯拉应力(MPa)；ε(t)为试件梁底的弯拉应变；d(t)为试件在加载过程中随时间t变化的跨中挠度(m)；εs为时间t1-t2阶段试件弯曲蠕变速率[(s·MPa)-1]。

2 试验结果分析

2.1 基础性能试验

两种类型再生剂在不同掺量下沥青的技术指标如表4所示。

表4 不同掺量再生剂沥青技术指标

从表4可以看出：随着再生剂掺量的增加，再生沥青的针入度、延度升高，软化点下降，再生剂的掺入显著提高了沥青的延展性。两种再生剂对沥青性能的改善趋势一致，但改善的效果不同，相同掺量下，重石油基再生沥青软化点高而针入度、延度偏低，生物油基再生沥青则相反。随着掺量的增加，再生剂对沥青性能的改善效果减弱，综合考虑经济与使用性能，以12%作为再生剂最佳掺量并制备沥青混合料进行小梁弯曲蠕变试验研究。

2.2 蠕变试验

3种沥青混合料在不同荷载下的蠕变曲线如图4～6所示。根据蠕变速率随时间的变化关系，沥青混合料的蠕变一般包含3阶段：第一阶段为减速阶段，即蠕变速率随时间而呈下降趋势；第二阶段为稳定阶段，即蠕变速率基本保持不变；第三阶段为蠕变加速阶段，即蠕变速率随时间而上升[13]。其中第二阶段蠕变速率保持恒定，并可以反映出沥青混合料永久变形特征，相同应力水平下其值越大，表明其在相同时间内产生的应变越大，低温性能越好[14]，结合式(3)，RAP、RAR+A和RAP+B这3种沥青混合料在不同荷载水平下的稳定蠕变速率εs列于表5。

从图4～6及表5可以看出：① 3种沥青混合料的蠕变变形均随荷载的增加而显著增加，沥青混合料回收料及石油基再生沥青混合料在加载时间内均只出现蠕变迁移期和稳定期，生物油基再生沥青混合料在2.4 MPa应力条件下出现了蠕变破坏期；② 在相同应力水平下，3种沥青混合料的稳态蠕变速率和应变大小均为：RAP+B>RAP+A≫RAP，说明再生剂的掺入提升了沥青混合料的低温变形能力，且生物油基再生剂低温抗裂效果优于石油基再生剂；③ 随着应力水平的提高，RAP、RAP+A的稳态蠕变速率近似呈线性降低，而在第二阶段RAP+B稳态蠕变速率先降低后升高，这主要是由于RAP+B过早进入蠕变破坏期导致。

图4 RAP蠕变曲线

图5 RAP+A蠕变曲线

图6 RAP+B蠕变曲线

表5 沥青混合料稳态蠕变速率εs计算结果

3 结果与讨论

3.1 Burgers模型

沥青混合料的变形特征是其内在黏弹性的外在表现，研究再生沥青混合料在低温蠕变过程中黏弹性变化有助于从本质上了解和解释其低温变形行为。基于Burgers模型可以得到沥青混合料的黏弹特性，也反映沥青混合料的蠕变及应力松弛行为，具体公式如式(4)、(5)所示[15]。

(4)

(5)

式中：J(t)为蠕变柔量；E1、E2、η1、η2分别为弹性模量和黏性系数。

3.2 再生沥青混合料低温抗裂性分析

3.2.1 松弛时间

采用1stOpt软件对沥青混合料蠕变行为进行非线性拟合，可以得到Burgers模型参数E1、E2、η1、η2，根据模型参数可以得到沥青混合料在不同应力水平下的松弛时间τ=η1/E1，Burgers模型拟合参数及松弛时间计算结果列于表6。

松弛时间是表征材料内部应力随时间变化的一个重要参数，松弛时间越短，表明材料消散内部应力的速度越快，低温抗裂性越好[16]。从表6可以看到：再生剂的掺入显著降低了沥青混合料松弛时间，在0.8、1.6、2.4 MPa的应力水平下，石油基再生沥青混合料的松弛时间分别减少45%、12%、8%，生物油基再生沥青混合料松弛时间分别减少51%、14%、61%。同时，随着应力水平的增加，3种沥青混合料的松弛时间均逐渐下降，已有研究表明：应力与温度具有等效效应，即温度越高、应力越大，混合料的蠕变应变越大[17]，相应的松弛时间则越短。