再生SBS改性沥青的蠕变与松弛性能研究

2022-07-29李雪连郭甲林崔之靖叶峻宏张显安田江浩

交通科学与工程 2022年2期

李雪连，郭甲林，崔之靖，叶峻宏，张显安，田江浩*

（1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410114；2.湖北交通工程检测中心有限公司，湖北武汉 443000）

通过再生技术回收利用旧沥青混合料中的老化沥青，可以减少废旧沥青对环境的污染[1]。由于旧沥青老化会降低沥青的流变性能和黏结性能，使集料表面的沥青薄膜易剥落，造成沥青混合料的抗拉强度不足，影响路面的使用寿命[2]。

流变性能差限制了再生沥青的推广。许多学者针对该问题展开了研究，沥青是流变性的黏弹性材料，鉴于蠕变与松弛是其固有特性，可采用蠕变与松弛性能来表征其流变特性[3]。GOH等人[4-5]对从再生沥青路面（reclaimed asphalt pavement，简称为RAP）中抽取的回收老化沥青进行多重应力蠕变恢复（multi-stress creep recovery，简称为MSCR）试验，分析再生沥青的高温蠕变性能。张勇等人[6]将再生剂分别按0 %、4 %、6 %、8 %和10 % 5 个掺配比例加入至RAP 旧沥青中，分析了不同再生剂掺量对针入度、延度、软化点和高温稳定性的影响。由于试验条件的限制，对沥青或再生沥青的松弛性能研究少见。ZHOU 等人[7]对比分析RAP 和再生剂对再生沥青高温蠕变性能的影响。薛忠军等人[8]将弯曲梁流变（bending beam rheometer，简称为BBR）试验得到的蠕变柔量进行转换，得到松弛模量，进而分析其松弛性能。韩森等人[9]采用动态剪切流变仪（dynamic shear rheological test，简称为DSR）对再生沥青进行低温频率扫描试验，基于频率与松弛时间的关系分析了低温松弛性能。王维营[10]采用BBR 试验和Burgers 模型，分析了不同温度下不同老化沥青掺量时再生沥青的低温松弛性能。肖庆一等人[11]通过沥青的路用性能指标确定了再生剂的最佳用量，并对再生沥青的低温抗裂性能进行了试验分析。这些研究主要针对再生沥青的高温蠕变或低温松弛的某一性能进行分析，鲜有学者同时对二者进行研究。因此，本研究拟以不同掺量的再生剂和SBS改性沥青同时进行蠕变与松弛试验，分析再生沥青的流变性能，以期为再生沥青的循环利用提供借鉴。

1 试验材料与方法

1.1 原材料

选用英杰维特公司生产的EVOFLEX 8182 型再生剂，其技术指标满足《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T5521—2019）[12]的要求，沥青采用SBS改性沥青（I-D），具体指标见表1。采用TFOT进行老化试验，老化温度、时间分别为173 ℃、10 h，老化后指标见表2，均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）[13]的要求。

表1 SBS改性沥青技术指标Table 1 Technical indexes of SBS modified asphalt

表2 室内老化沥青技术指标Table 2 Technical indexes of indoor aging asphalt

1.2 再生沥青的制备

参考已有的研究成果的SBS 改性沥青、再生剂和老化沥青的掺量[14]，制备9 组再生沥青，具体见表3。制备过程为：先将再生剂加入老化沥青中，搅拌5 min；再将SBS 改性沥青加入混合物中，采用高速剪切仪机械搅拌20 min，得到混合均匀的再生沥青。

表3 再生沥青试件的配比Table 3 Ratio of recycled asphalt specimen

1.3 试验方法

1.3.1 三大指标试验

沥青的软化点、针入度和延度数值按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[15]的方法进行测试。

1.3.2 高温蠕变试验

采用动态剪切流变仪（dynamic shear rheology，简称为DSR）试验系统进行多重应力蠕变恢复试验。60°C 时，先用0.1 kPa应力持续加载10 s，其中前1 s 为应力加载时间，后9 s 为应力卸载时间，该过程循环20 次。然后，在3.2 kPa 应力下，循环10 次。不同应力水平下的恢复率R与不可恢复蠕变柔量Jnr的计算公式为：

式中：ε1为蠕变加载循环1 s 末的应变值，ε1=εc-ε0，其中，εc为蠕变循环完成后的应变值，ε0为蠕变开始时的初始应变值；ε10为恢复结束后的应变值，ε10=εr-ε0，其中，εr为恢复循环完成时的应变值。

1.3.3 低温松弛试验

沥青弯曲蠕变试验比松弛试验更易实现，因此，基于蠕变柔量和松弛模量之间的卷积关系，先通过沥青弯曲蠕变试验获得沥青劲度模量，再换算成沥青蠕变模量，最后转换为沥青松弛模量。参考文献[15]，在－10°C 和－20°C 下，分别对沥青小梁试件的中间加载应力，持续240 s，由计算机软件自动记录，并计算8、15、30、60、120 和240s 的沥青劲度模量S和蠕变速率m。再根据时温等效原理，以－10°C为基准温度、－20°C为转换温度，利用Origin软件对劲度模量主曲线建立CAS模型方程，见式（3）。最后，通过式（4）和式（3），采用MATLAB软件进行迭代计算，得到沥青的松弛模量。

式中：Tref为荷载作用温度；τh为荷载作用时间；Sglassy、λ、β分别为参数。

2 试验结果与分析

2.1 再生沥青的三大指标

分别对9组不同再生剂掺量的再生沥青进行软化点、针入度和延度三大指标试验，结果如图1所示。

图1 再生沥青的三大指标Fig.1 Three indexes of recycled asphalt

软化点和针入度反映了沥青对温度的敏感性，针入度越大，软化点越小，沥青的高温抗变形能力就越差[16]。从图1 中可以看出，再生沥青的针入度和延度随再生剂和SBS 改性沥青掺量的增加而增大，但其软化点却随之减小。表明：再生剂和SBS改性沥青的掺入会降低再生沥青的高温抗变形能力。而延度反映了沥青的塑性，延度越大，沥青的塑性越好。其原因是再生剂中的芳香分能够溶解和分散沥青质，并能补充沥青老化损失的胶质和轻质组分，在一定程度上与老化沥青中的亚砜、酮类和羧酸等氧化产物取得了化学平衡。其次，原样SBS 改性沥青的加入后，再生SBS 改性沥青的SBS 改性剂得到了补充，使SBS 与基质沥青间的交联作用得以恢复，韧性得到了改善。当再生剂和SBS 改性沥青的掺量分别为4 %和70 %时，再生沥青的常规指标与SBS改性沥青的接近。

2.2 高温蠕变性能

分别在0.1、3.2 kPa 应力下对再生沥青进行多重应力蠕变恢复试验，得到不同应力水平下不可恢复蠕变柔量和恢复率如图2～3所示。

从图2～3 中可以看出，再生沥青在0.1 kPa 应力下的Jnr值小于0.32 kPa 应力下的，而0.1 kPa 应力下的R值大于0.32 kPa 应力下的。表明：应力大小对再生沥青的高温蠕变性能影响显著。随着再生剂和SBS 改性沥青掺量的增加，再生沥青的Jnr值逐渐增加，但R值逐渐减小，表明降低了再生沥青的高温抗变形能力。虽然SBS 改性沥青在一定程度上改善了老化沥青中破坏的结构，但由于再生剂的加入，补充了沥青老化过程中损失的轻质组分，使硬质的老化沥青变软。因此，再生沥青的高温抗变形能力比老化沥青的略差。随着再生剂掺量的增加，再生沥青的Jnr0.1值增幅变大。相较于4%+70%的再生沥青，4.5%+70%的再生沥青和5 %+70 %的再生沥青Jnr0.1值分别增加了25%和30%。

图2 再生沥青的Jnr值Fig.2 The Jnr value of recycled asphalt

图3 再生沥青的R值Fig.3 The R value of recycled asphalt

2.3 低温松弛性能

再生沥青在－10°C 和－20°C 时的劲度模量S和蠕变速率m试验结果如图4～5 所示。经式（4）～（5）转换后，得到相应的松弛模量，结果如图6所示。

图4 再生沥青的劲度模量Fig.4 Stiffness modulus of recycled asphalt

图5 再生沥青的蠕变速率Fig.5 Creep rate of recycled asphalt

图6 再生沥青松弛模量主曲线Fig.6 Principal curve of relaxation modulus of recycled asphalt

从图4～5中可以看出，再生沥青的劲度模量S随再生剂和SBS 改性沥青掺量的增加而降低，但蠕变速率m增大。表明：再生沥青的低温性能得到了改善。从图6中可以看出，再生沥青的松弛模量在初始时间内差异较小，随着时间的延长松弛模量差异变大。随着再生剂和SBS 改性沥青掺量的增加，再生沥青的松弛模量逐渐减小，整体松弛作用时间也相应缩短。

由于松弛模量主曲线的斜率（即松弛速率）可用来评价沥青的松弛性能[17]。从图6 中还可以看出，随着再生剂和SBS 改性沥青掺量增加，得到了再生沥青的松弛速率逐渐变大，即提高了低温松弛性能。表明：再生剂和SBS 改性沥青可以改善再生沥青的低温性能。其主要原因是随着SBS改性沥青的加入，原本因老化而破坏的SBS 与沥青之间的网状结构逐渐恢复了，增强了其交联作用，改善了其低温抗裂性能。