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1.二次老化后的再生沥青性能变化分析

作者：张宇;李波;张垚;康爱红;周航

作者单位：扬州大学;江苏省玄武岩纤维复合建筑材料工程研究中心

关键词： 再生沥青;短期老化和长期老化;二次老化;老化特性;流变性能

　　【摘 要】 本研究对70 # 沥青和SBS改性沥青进行一次老化,并通过抽提试验得到废旧沥青回收 料(RAP)旧沥青作为试验原材料。随后,将再生剂添加进三种老化沥青,制备出相应的三种再生沥青。 对再生沥青的三大指标进行分析研究,结果表明,最佳掺量(6%)情况下,再生剂不仅能够有效恢复旧沥 青的针入度、软化点、黏度,亦能有效恢复其高温和低温流变特性;再生沥青经二次老化后,其针入度下 降、软化点上升、旋转粘度上升、高温性能提升以及低温性能进一步下降。  

　　1 前 言

　　2021 年 我 国 高 速 公 路 总 里 程 已 达 17 万 公 里, 95%以上为沥青路面。早期建成的各等级公路陆续进 入大中修期,在维修养护过程中产生大量废旧沥青回 收料(Reclaimed asphalt pavement,RAP),据统计我 国每年产生超过2亿吨 RAP,对环境造成巨大压力。 在“双碳战略”的背景下,RAP的高效热再生利用是实 施绿色公路建设的关键要素之一,也是推动中国绿色 道路和交通运输强国建设的重要环节。 RAP热再生 过 程 中 会 添 加 再 生 剂 以 修 复 RAP 的老化性 状,改 善 热 再 生 沥 青 混 合 料 的 性 能。国 内 外学者对旧 沥 青 混 合 料 的 回 收 与 性 能 评 价、再 生 剂 的应用及对 再 生 的 影 响、再 生 沥 青 混 合 料 的 配 比 设 计、再生沥青的制备与工艺等方面开展了大量研究, 结果表 明,掺 入 再 生 剂 后,再 生 沥 青 路 面 在 使 用 初 期,其路用性 能 和 力 学 性 能 表 现 良 好[1-2]。然 而,对 于再生沥 青 再 度 老 化 及 其 对 路 用 性 能 的 影 响 等 问 题,尚缺乏深入研究。 因此,本研究拟以旧沥青的再生以及再生沥青二 次老化的特性为研究对象,研究再生沥青二次老化前 后的针入度、软化点、旋转粘度、多级应力重复蠕变恢 复以及低温蠕变等性能的变化规律[5]。

　　2 原材料与试验方法

　　2.1 沥青

　　选用的沥青包括70 # 道路石油沥青、SBS改性沥 青以及路面废料抽提的旧沥青,其技术指标和性能检 测指标 见 表 1。由 表 可 知,抽 提 旧 沥 青 的 黏 度 大 于 3 Pa·s [23],属于旧SBS类沥青路面胶结料。

　　2.2 再生剂

　　本研究采用的再生剂 A 具体技术指标见表2。

　　2.3 试验方法

　　2.3.1 老化试验 为了研究再生沥青二次老化后 的性能,对老化后的各类沥青采用短期老化(RTFO)和 长期老化(PAV)[6]。将旋转薄膜烘箱提前一天预热 17 h,内部设置的风量为4 000 mL/min,使得沥青在 (165±0.5) ℃的情况 下,加 热 时 间 不 少 于 75 min [8]。 长期老 化 试 验 条 件 为 100 ℃ 老 化 48 h、老 化 压 力 为 2.1 MPa [9]。

　　2.3.2 性能检测试验 老化前后沥青样品的实验 内容包括:针入度、软化点及旋转粘度试验;动态剪切 流变试验;多重应力蠕变恢复性能试验和低温弯曲蠕 变性能试验。

　　试验均按照JTGE20-2019规范进行,其中针入 度度实验条件为温度25 ℃;软化点按JTGE20-2019 中 T0606进行,起始温度为(5±0.5) ℃;旋转粘度按 照JTGE20-2019T0625进行,试验温度分别为135、 155、175及 195 ℃;动 态 剪 切 流 变 试 验 温 度 为 52~ 82 ℃;多重应力蠕变恢复性能试验温度为64 ℃;低温 弯曲蠕变性能试验实验温度分别为 -18、-12 以及 -6 ℃ [11]。

　　3 试验结果及分析

　　3.1 沥青的三大指标试验结果

　　从图1可见,70 # 沥青和 SBS改性沥青一次老化 后,针入度指数降低,沥青稠度增大,其中 SBS改性沥 青下降了20.1 (mm),老化最为明显。三种沥青加入 再生剂后,针入度指数上升,基本恢复到原样沥青的水 准,再生剂的复原效果良好。

　　再生剂的掺入有效提高了沥青的针入度指数,但 各类沥青的针入度在经过二次老化进一步下降。70 # 沥青下降了13.8%,SBS改性沥青下降11.9%,RAP 旧沥青下降了21.9%,说明再生剂在再生沥青二次老 化过程中的抗老化效果[14]不佳,尤其是 RAP旧沥青。

　　软化点过高,会导致路面的塑性变差,降低路面的 耐久性[5]。从图2可以看出,沥青老化后,软化点升高。随着再生剂的掺入,软化点降低,70 # 沥青和 SBS 改性沥青恢复到与原样沥青的相同水平。

　　与针入度相同的是,再生沥青二次老化后,三种沥 青的软化点上升幅度更大,说明沥青老化更严重,再生 剂出现失效现象。

　　沥青粘度过大,会使得沥青无法与石料充分混合, 易出现剥落现象[12]。从图3可见,三种沥青的粘度由 于老化作用而大幅增加;加入再生剂后,旋转粘度降 低,施工和易性改善。而二次老化沥青的旋转粘度上升幅度明显大于一次老化沥青,一次老化的三种沥青 相 较 于 新 沥 青,粘 度 上 升 幅 度 分 别 为 453.6%、 156.2%、89.8%,二次老化沥青相较再生沥青而言,上 升幅度分别为477.6%、389.1%、395.6%,差异明显, 表明再生剂在二次老化过程中失效。

　　综上所述,再生剂对于沥青的再生效果明显,但是 在经过第二次长、短期老化试验后,测得的沥青针入度 变小,软化点升高以及旋转粘度变大,且变化幅度更 大。从常规 技 术 指 标 和 粘 度 测 试 上 来 讲,再 生 剂 在二次老化中的表现都较差。

　　3.2 二次老化对再生沥青流变性能影响

　　3.2.1 动态剪切流变性能

　　试验采用车辙因子作 为评价指标,研究不同再生剂掺量下再生沥青的高温 流变特性,其值越大,表示在剪切荷载作用下,发生高 温形变越小,抵抗永久变形能力越强[13]。相位角则反 映施加应力与材料产生应变的滞后关系,当相位角为 0°时,材料呈现完全弹性,当相位角为90°时,材料呈现 完全粘性,当其值增大时,表示材料中弹性成分减少, 粘性成分增多。

　　从图4可见,70 # 基质沥青在一次老化后的相位 角呈下降趋势,沥青的粘性组分增加,随着再生剂的掺 入后相位角回升,表明再生剂的加入对沥青的粘弹性 组成产生了影响,弹性组分的比重提高。再生沥青在 进过二次老化后,相位角变小,与一次老化的沥青相 比,粘性组分比重更大;一次老化后的70 # 基质沥青车 辙因子增大,沥青的抗变形能力增强,处于相对脆硬状 态,加入再生剂后,再生沥青的车辙因子与原样基质沥 青接近,再生剂对于老化沥青的恢复效果明显。再生 沥青二次老化后的车辙因子大幅上升,沥青质的比重 增大。这两种变化都说明再生剂在沥青二次老化过程 中失效。

　　SBS改性沥青以及抽提旧沥青经过老化再生后, 所测得相位角和车辙因子的变化规律与70 # 基质沥青 相同,说明再生剂在不同种类沥青老化过程中都会失 效。三种沥青中,70 # 基质沥青的相位角和车辙因子 的变化幅度最明显,再生剂在70 # 基质沥青二次老化 过程中的表现最差。

　　3.2.2 多重应力蠕变恢复性能 MSCR 试 验 由 变 形恢复率 R、不 可 恢 复 蠕 变 柔 量 Jnr以 及 相 对 应 的 应力敏感 性 指 标 R.diff、Jnr.diff进 行 评 价[15]。 变 形恢复率 R 越大,表明沥青在应力作用下恢复程度 越高,抗高温变形能力越强;应力敏感性Jnr.diff则 反映沥青的力学响应对不 同 应 力 水 平 的 敏 感 性,其 值越大,沥青 对 应 力 的 变 化 越 敏 感,越 容 易 发 生 高 温变形[16]。

　　由图5分析可得:70 # 沥青和 SBS改性沥青老化 后变形恢复率 R3.2升高,表明沥青在应力作用下恢 复程度升高,抗高温变形能变强。应力敏感指数Jnr. diff降低,沥青对应力变化的敏感程度降低。加入再 生剂后,变形恢复率 R3.2 降低,应力敏感指数 Jnr. diff升高,再生效果明显。

　　再生沥青进过二次老化后,变形恢复率 R3.2比 一次老化沥青更低,热氧老化使得沥青严重交联,并 失去再生沥青原有的弹性和韧性[17]。三种再生沥青 老化后 的 应 力 敏 感 性 指 标 Jnr.diff较 于 一 次 老 化 沥青整体变小,反 应 二 次 老 化 的 再 生 沥 青 对 应 力 变 化的敏 感 性 下 降,高 温 稳 定 性 增 强,沥 青 老 化 更 加 严重。

　　3.2.3 低温弯曲蠕变性能 在温度确定的情况 下,劲度模量(S)越低,低温柔性越好,蠕变速率(m) 越高,反应沥青应力松弛能力越好,都是对沥青低温抗 裂性能更有利。

　　70 # 沥青、SBS改性沥青及抽提的旧沥青,在加入 再生剂后,再将这六种沥青进行二次老化处理,并对这 六种沥青样品进行弯曲梁流变试验,得到各类沥青的 S 和m。根据美国 Superpave规范,沥青结合料在参 考物温度下的蠕变劲度应不大于300 MPa,蠕变速率 应不小于0.3 [18]。

　　由图6可知:70 # 沥青老化后,S 值增大、m 值下 降,更容易低温开裂;再生剂的加入使得老化沥青 S 值降低、m 值上升,有效改善了沥青的柔韧性,使其基 本恢复到原有沥青的性能;将沥青经过二次老化后的, S 值增大、m 值下降,且与一次老化沥青相比变化幅 度更大,再生剂没有能够维持住再生沥青的低温性能, 说明其抗老化效果不佳。

　　根据图6分析,发现SBS改性沥青以及抽提的旧 沥青的S 值及m 值变化规律相似。通过比较不同沥青二次老化和一次老化在低温-18 ℃的S,发现70 # 沥青上升了57.1%、SBS改性沥青上升了21.3%、旧 沥青上升了13.9%,70 # 沥青的上升幅度最大,说明再 生剂在70 # 沥青二次老化过程中失效最明显。

　　4 结 论

　　70 # 基质沥青、SBS改性沥青和 RAP旧沥青等三 种不同沥青对比70 # 基质沥青、SBS改性沥青和 RAP 旧沥青等三种二次老化沥青的流变性能可得,再生剂 在70 # 基质沥青二次老化过程中的表现最差。

　　再生沥青相对于一次老化沥青再生剂使得老化沥 青的性能得到较好的恢复。

　　再生沥青在二次老化过程中发生了更为严重的 老化。

　　再生沥青二次老化与一次老化沥青相比,从常规 技术指标、动态剪切流变性能、多重应力重复蠕变恢复 性能以及低温弯曲蠕变性能变化的数值上讲,再生剂 在二次老化过程中会出现失效现象,二次老化更加严 重,再生剂的性能有待提高。