摘 要：

为研究 Sasobit 温拌剂对再生沥青及再生沥青混合料性能的影响, 分析其作用机理。通过动态剪切流变试验、弯曲梁流变试验测试了不同温拌剂掺量下沥青高、 低温流变性能。采用马歇尔试验分析了温拌剂对再生沥青混合料压实温度的影响沥青网sinoasphalt.com。结合水敏感性试验、 车辙试验及低温弯曲试验分析了温拌剂掺加前后再生沥青混合料路用性能的变化规律。采用傅里叶变换红外光谱分析了温拌剂在再生沥青中的作用机理。结果表明: Sasobit 温拌剂掺量增加可以改善再生沥青抗变形能力以及抗荷载变形程度, 而抗疲劳开裂以及低温抗裂性则反之, 对再生沥青抗永久变形能力影响不明显; 当沥青混合料回收料 (RAP) 掺量为 40%时, 以 4%为目标空隙率添加老化沥青质量 3%的 Sasobit 温拌剂, 可使热拌再生沥青混合料压实温度降低 20 ~ 30 ℃ ; 相同 RAP 掺量下, 使用 Sasobit 温拌剂的再生沥青混合料的水稳定性、 低温抗裂性均低于普通热拌再生沥青混合料, 而高温稳定性则反之; Sasobit 温拌剂的使用不会改变再生沥青中羰基与亚砜基振动幅度, 表明其在再生沥青中不发生化学反应, 对再生沥青混合料降温的效果属于物理降黏作用; Sasobit 温拌剂不能恢复老化沥青中已经降解的 SBS 改性剂性能; Sasobit 温拌剂能够影响再生沥青混合料高、低温性能以及水稳定性, 工程使用中应综合考虑路用性能与压实温度之间的平衡确定合理的温拌剂掺量。

关键词：道路工程; 再生沥青混合料; 流变试验; Sasobit 温拌剂; 路用性能; 机理

０ 引言

沥青路面养护工程会产生大量沥青混合料回收料 (Reclaimed Asphalt Pavement, RAP)[1-4]。沥青路面再生技术可以充分利用 RAP 中老化沥青及集料的剩余价值[5-6], 常用于沥青路面养护工程。然而, 沥青路面再生过程中由于其较高的加热与施工温度,不仅会消耗能源, 导致 RAP 老化程度加剧, 还会释放有害气体, 影响从业人员的健康[7]。温拌技术可以降低拌和与施工温度, 一般为 80~150 ℃[8]。较低的拌和与施工温度使温拌技术具有良好的经济与环境效益[9-10]。近年来, 国内外相继出现了化学添加剂类、 表面活性剂类、 有机降黏类等温拌技术, 且温拌剂的种类逐渐增多, 其降温的效果及对沥青混合料的影响也有差异[11-12]。张争奇等[8] 研究不同温拌剂的适用性, 发现有机温拌剂 Sasobit 能够很好地改善沥青混合料的高温稳定性, 低温抗裂性与水稳定性较温拌前也有小幅提升, 适用于高温重载地区。

何兆益 等[13] 研 究 了 Sasobit 温 拌 沥 青 性 能, 发 现Sasobit 会使沥青在低温环境下变脆变硬, 降低沥青的低温性能。XU 等[14] 研究了蜡基温拌剂对含有50%老化沥青的混合沥青黏结剂流变性能的影响,发现蜡基温拌剂可以抵消老化沥青对混合沥青的硬化作用。Roja 等[15]研究了 3 种 Sasobit 掺量下温拌橡胶改性沥青流变特性, 发现 Sasobit 可以改善橡胶改性沥青的模量和抗车辙性能, 且不会衰减沥青黏结剂的抗裂性能。时敬涛等[16]研究发现 Sasobit 温拌剂可以明显降低高黏沥青黏度, 改善高黏沥青的抗车辙能力, 但会降低高黏沥青的低温性能。朱得斌等[17]采用布氏黏度仪研究了温拌沥青的黏温特性,发现 Sasobit 温拌剂可降低温拌再生沥青拌和与压实温度约 20 ℃ , 并基于黏温特性提出了 Sasobit 温拌剂与最 佳 施 工 温 度 的 关 系 模 型。此 外, 研 究 表 明Sasobit 温拌剂在温拌沥青中应用最广泛[16]。综上,现有研究在分析 Sasobit 温拌剂在温拌沥青及温拌沥青混合料 方 面 已 经 积 累 较 多 的 研 究 成 果。然 而,Sasobit 温拌剂对温拌再生沥青及再生沥青混合料性能影响方面的系统性研究较少。

为此, 本研究依托福建省福银高速公路三明二期提升改造工程, 考虑 Sasobit 温拌剂优异的高温流变性能以及抗车辙性能, 结合养护路段高温多雨重载的运行条件, 选择 Sasobit 温拌剂进行温拌再生沥青与沥青混合料性能研究, 探明 Sasobit 温拌剂的作用机理。研究成果有望为路面热再生工程中 Sasobit 温拌技术在南方高温重载区域的科学应用提供参考。

1 试验与方法

1. 1 原材料

原材料包括 RAP, 粗、 细石灰岩集料, 矿粉,SBS 改性沥青, Evoflex8182 再生剂以及 Sasobit 温拌剂。RAP 来源于福银高速将乐段中面层 AK-16 沥青混合料, 并采用铣刨、 破碎、 筛分的方法分为 0 ~ 6,6~10, 10~16 mm 这 3 档, 级配与沥青含量见表 1。采用旋转蒸发法将老化沥青与溶剂分离, 测试老化沥青与 RAP 矿料基本性能指标, 结果见表 2。采用水洗筛分方法对粗、 细石灰岩集料以及矿粉逐级分档, 测试分档后不同规格集料的技术指标, 结果见表 3。SBS 改性沥青、 Evoflex8182 再生剂以及 Sasobit温拌剂基本性能测试结果见表 4。

1. 2 温拌再生沥青样品设计与制备

采用 RAP 中回收的老化沥青, 分别掺加老化沥青质量比 2%, 4%, 6% Evoflex8182 再生剂制备再生沥青, 测试其 25 ℃针入度, 结果如图 1 所示。由图1 可见, 当再生沥青 25 ℃ 针入度指标恢复至 SBS 改性沥青水平时, 最佳再生剂用量为 6%。以最佳再生剂用量为参考, 分别掺加再生沥青质量比 1%, 3%,5% Sasobit 温拌剂制备温拌再生沥青。老化沥青, 6%再生剂用量的再生沥青以及 1%, 3%, 5%温拌剂制备的温拌再生沥青分别采用 OA, REOA, REOA + 1%WM, REOA+3%WM, REOA+5%WM 表示。

根据再生剂、 温拌剂用量设计方案, 制备温拌再生沥青, 流程如下: 采用 155 ℃预热温度将 OA 沥青加热至熔融状态, 将 6%再生剂添加至 OA 沥青,并通过加热搅拌器以 155 ℃加热温度、 1 500 rad / min搅拌速度搅拌 30 min, 制备 REOA 沥青; 之后, 将设计用量温拌剂添加至 REOA 沥青, 并采用加热搅拌器以 155 ℃ 加热温度、 3 000 rad / min 搅拌速度搅拌 20 min, 制备 REOA + 1% WM, REOA + 3% WM,REOA+5%WM 温拌再生沥青。

1. 3 温拌再生沥青混合料样品设计与制备

设计 40% RAP 掺量的 AC-20 再生沥青混合料,级配如图 2 所示。再生沥青混合料中再生剂用量为老化沥青质量比 6%, 4%空隙率控制目标下再生沥青混合料的最佳沥青含量为 4. 3%。再生沥青混合料中 Sasobit 温拌剂用量为沥青总质量比 3%, 采用120, 140, 160 ℃成型马歇尔试件, 并以 4%空隙率确定最佳的温拌再生沥青混合料压实温度。此外,设计普通热拌再生沥青混合料作为对照组用于比较温拌再生沥青混合料的性能之间的差异。

温拌再生沥青混合料制备过程如下: 采用电热鼓风恒温干燥箱预热 RAP、 新集料、 SBS 改性沥青,预热温度分别为 120, 180, 165 ℃ , 预热时间为2 h; 将再生剂与 RAP 添加至沥青混合料拌和机中拌和 60 s, 之后添加新集料、 SBS 改性沥青、 Sasobit 温拌剂拌和 60 s, 最后添加矿粉拌和 60 s 得到温拌再生沥青混合料。

1. 4 试验方法

根据 JTG E20—2011 规程要求进行流变试验、沥青混合料水敏感性试验、 车辙试验以及低温弯曲试验, 探究温拌再生沥青与再生沥青混合料性能的变化趋势。其中, 采用 DHR-1 型动态剪切流变仪测试再生沥青高、 低温流变特性, 并进行 25 ℃ 线性振幅扫描试验。通过不同冲刷温度 (40, 50, 60 ℃ )或冲刷压力 ( 176, 276, 376 kPa) 的水敏感性试验, 测试试验前后试件 25 ℃ 劈裂抗拉强度, 评估温拌再生沥青混合料水稳定性。采用车辙试验以及沥青混合料弯曲试验评价温拌再生沥青混合料高温抗变形能力以及低温抗裂性能。

2 结果分析与讨论

2. 1 Sasobit 对温拌再生沥青流变性能的影响

5 种沥青 OA, REOA, REOA+1%WM, REOA+3%WM, REOA+5%WM 的复数剪切模量 (G∗) 指标、 高温 车 辙 因 子 ( G∗/ sin δ )、 中 温 疲 劳 因 子(G∗sin δ) 测试结果分别如图 3~5 所示。

2. 1. 1 复数剪切模量

G∗用于表征沥青在一定条件下抵抗变形的能力,其值越大说明沥青抗变形能力越强, 反之越弱。由图 3 可见, G∗均随测试温度的升高而逐渐降低, 降低的速率呈显著减小的趋势。相同测试温度情况下,5 种沥青中 OA 沥青的 G∗ 最大, REOA 沥青的 G∗ 最小, 说明 OA 沥青的抗变形能力最强, 而再生剂的使用将会显著降低沥青的抗变形能力。随着温拌剂用量的增加, 温拌再生沥青 G∗ 呈增加的趋势, 说明温拌剂的使用可以改善再生沥青的抗变形能力。然而,不同温拌剂用量的温拌再生沥青 G∗ 增长速率随温拌剂用量增加逐渐降低, 说明温拌剂对改善再生沥青的抗变形能力有限。此外, 当测试温度高于 52 ℃时, 3 种温拌剂掺量的温拌再生沥青 G∗ 与 REOA 基本一致, 说明温拌剂并不能改善高温状况下再生沥青的抗变形能力, 仅在温度较低时有较显著的改善再生沥青抗变形的能力, 但是抗变形能力较 OA 沥青仍较低。因此, 温拌剂可以改善温拌再生沥青中温抗变形能力, 但对沥青高温抗变形能力基本没影响。

2. 1. 2 车辙因子

车辙因子用于评价最高路面设计温度下沥青材料抵抗永久变形能力的参数, 其值越大, 沥青抗永久变形能力越强。由图 4 可见, 5 种沥青的 G∗/ sin δ均随测试温度的增加而减小, 说明沥青的抗永久变形能力随着温度的增加而降低。相同测试温度情况下, OA 沥青的 G∗/ sin δ 高于其他沥青, 说明老化可以改善沥青的高温抗车辙能力。相对于添加温拌剂,再生剂的添加可以显著降低老化沥青的抗永久变形能力。当测试温度高于 64 ℃ 时, 随着温拌剂用量的增加, 温拌再生沥青的 G∗/ sin δ 值较 REOA 沥青低,温拌再生沥青的抗永久变形能力降低, 增加温拌剂用量对再生沥青抵抗永久变形能力不利。然而, 当测试温度低于 64 ℃时, 添加温拌剂可以在一定程度上增加 G∗/ sin δ, 但是效果并不明显。总体来说,温拌剂对温拌再生沥青抗永久变形能力较再生剂效果不明显。此外, 对于每一种沥青, 其 G∗/ sin δ 值对数均与试验温度呈良好的线性关系。

2. 1. 3 疲劳因子

疲劳破坏是引起沥青路面病害的主要因素之一,而疲劳因子可用于评价沥青在反复荷载作用下抗疲劳开裂的能力, 其值越小, 沥青抗疲劳开裂的能力越强。由图 5 可见, 随着试验温度的增加, 5 种沥青的 G∗sin δ 逐渐减小。相同测试温度下, OA 沥青的G∗sin δ 最大, REOA 最小, 说明老化可以降低沥青抗疲劳开裂的能力, 而再生剂可以显著改善老化沥青抗疲劳开裂性能。相同测试温度下, 随着温拌剂用量的增加, 温拌再生沥青 G∗sin δ 逐渐增加, 说明温拌剂会降低再生沥青的抗疲劳开裂能力, 原因在于温拌剂的主要成分是有机蜡, 其具有明显的脆性,对沥青 的 抗 疲 劳 性 能 没 有 贡 献 且 会 产 生 负 面 影响[19]。总体来说, 温拌剂使用对再生沥青抗疲劳开裂的能力不利, 而再生剂可显著改善老化沥青抗疲劳开裂能力。

2. 1. 4 LAS 疲劳特性

根据 LAS 试验得到 5 种沥青剪切应力与剪切应变变化曲线, 如图 6 所示。一般, 当材料应力达到峰值后, 材料应变持续增加, 而应力不断下降, 材料发生屈服。材料的屈服应力越大时, 表明该材料抗变形能力越强, 而材料的屈服应变越大时, 表明材料抗荷载变形程度越大, 材料的弹性越好。采用剪切应力峰值作为材料的屈服应力, 其对应的应变为材料的屈服应变, 根据图 6 中试验结果, 计算 5种沥青的屈服应力与屈服应变, 结果如图 7 所示。

由图 7 可见, 5 种沥青屈服应力的大小依次为: OA>REOA+ 5% WM > REOA + 3% WM > REOA + 1% WM >REOA; 屈服应变的大小排序为: REOA + 5% WM >REOA+3%WM>REOA+1%WM>REOA≈OA。对比可知, OA 沥青的屈服应力最大, 屈服应变最小, 说明OA 沥青的抗变形能力最强, 而抗荷载变形程度最小, 材料的弹性最差。再生剂的使用可以显著降低老化沥青的屈服应力, 导致老化沥青抗变形能力降低, 但再生剂的使用对老化沥青抗荷载变形程度能力基本无影响。随着温拌剂用量的增加, 再生沥青屈服应力与屈服应变在逐渐增加, 再生沥青的抗变形能力增强, 抗荷载变形程度越大, 材料的弹性能力越好。因此, 温拌剂的使用可以改善再生沥青的中温抗变形能力以及变形程度。

2. 1. 5 低温流变性能

测试 5 种沥青蠕变劲度与蠕变速率评价低温性能, 结果如图 8 所示。由图 8 可见, 测试温度越低,沥青的蠕变劲度模量以及蠕变速率越大。通常, 不同测试温度情况下, 沥青蠕变劲度模量设计要求≤300 MPa, 蠕变速率设计要求≥0. 3[20]。比较 5 种沥青蠕变劲度模量与蠕变速率结果, OA 沥青-12 ℃ 蠕变劲度模量与蠕变速率均不满足设计要求, 老化沥青低温性能较差。随着再生剂添加进老化沥青后,REOA 沥青-12 ℃ , -6 ℃ 蠕变劲度模量与蠕变速率均满足设计要求, 说明再生剂可以显著改善老化沥青低温性能。随着温拌剂添加进再生沥青中, 温拌再生沥青-12 ℃ , -6 ℃ 蠕变劲度模量逐渐增大, 蠕变速率则反之, 温拌剂的添加将劣化再生沥青的低温性能。

2. 2 Sasobit 对温拌再生沥青混合料路用性能的影响

2. 2. 1 温拌再生沥青混合料成型温度确定

比较 40%RAP 掺量下温拌再生沥青混合料不同压实温度下空隙率变化, 结果如图 9 所示。可见,压实温度与空隙率变化呈负相关, 且基本呈线性关系。以 4%目标空隙率确定温拌再生沥青混合料的压实温度, 得 到 温 拌 再 生 沥 青 混 合 料 压 实 温 度 为131. 7 ℃ , 较普通热拌沥青混合料压实温度 (150 ~160 ℃ ) 低 20~ 30 ℃ 。在设计空隙率以及压实温度条件下, 两种再生沥青混合料马歇尔指标试验结果见表 5, 可知两种再生沥青混合料马歇尔指标基本一致, 说明 Sasobit 温拌剂的使用并不会显著影响再生沥青混合料的马歇尔指标。

2. 2. 2 水稳定性

不同测试温度、 不同冲刷压力情况下温拌再生沥青混合料与普通热拌再生沥青混合料水稳定性试验结果如图 10~11 所示。由图 10 可见, 两种再生沥青混合料劈裂抗拉强度比均随冲刷温度的增加而降低, 说明较高的试验温度可以加剧再生沥青混合料的内部破坏, 降低再生沥青混合料的水稳定性。相同测试温度情况下, 温拌再生沥青混合料劈裂抗拉强度比较普通热拌再生沥青混合料低。由图 11 可见, 两种再生沥青混合料的劈裂抗拉强度比随动水冲刷压力的增加而降低, 说明较高的冲刷压力可以促使更多的水分进入再生沥青混合料中, 加剧再生沥青混合料的内部破坏。相同测试温度情况下, 温拌再生沥青混合料劈裂抗拉强度比较普通热拌再生沥青混合料低。总体来说, 高测试温度与高动水冲刷压力可以显著降低再生沥青混合料劈裂抗拉强度比, 劣化再生沥青混合料水稳定性。与普通热拌再生沥青混合料相比, 添加 Sasobit 温拌剂可以降低再生沥青混合料的水稳定性, 这主要是因为使用的Sasobit 温拌剂主要成分是有机蜡, 有机蜡融入沥青将会降低沥青与集料之间的黏附性, 促使集料与沥青之间更容易被温度、 水压侵蚀[21]。

2. 2. 3 高温稳定性与低温抗裂性

温拌再生沥青混合料与普通热拌再生沥青混合料车辙试验以及低温弯曲试验结果见表 6。由表 6 可知, 温拌再生沥青混合料动稳定度试验结果较普通热拌再生沥青混合料高, 增幅达到 14. 5%, 即温拌再生沥青混合料高温抗变形能力优于普通热拌再生沥青混合料, 原因在于 Sasobit 温拌剂结构与 SBS 改性沥青结构相互交织, 形成共同作用, 导致高温环境下温拌再生沥青的抗变形能力得到显著提高, 从而改善 了 温 拌 再 生 沥 青 混 合 料 的 高 温 抗 变 形 能力[21]。温拌再生沥青混合料最大弯拉应变较普通热拌再生沥青混合料低, 降幅达到 7. 2%, 即温拌再生沥青混合料低温抗裂性能劣于普通热拌再生沥青混合料。研究表明[22], 在低温环境中, 温拌再生沥青中 SBS 结构具有良好的弹性, Sasobit 温拌剂中有机蜡成分结构呈现脆性, 温拌再生沥青中 SBS 结构与Sasobit 温拌剂结构交织, 在外力作用下, 交织中的Sasobit 结构脆性限制了 SBS 结构弹性, 导致温拌再生沥青低温性能下降, 降低温拌再生沥青混合料的低温抗裂性。

2. 3 Sasobit 温拌再生机理

图 12 得到 3 种沥青 OA, REOA, REOA+3%WM的红外光谱图, 可见, 3 种沥青的图谱结构基本一致, 说明再生剂与温拌剂的掺加并没有在沥青中产生新的组分, 属于物理过程。沥青中的 S = O, C = O在长期老化中产生, 且特征峰的高度随着沥青老化程度的增加而增加。SBS 改性沥青中 SBS 改性剂引起-C =C-吸收峰的振动, 可用于表征 SBS 的特征峰。因此, 由图 12 中 3 种沥青特征峰伸缩振动强度可见, 再生剂添加到 OA 沥青中可以降低 S = O, C = O处的伸缩振动, 改善沥青老化程度, 而温拌剂的添加并没有显著改善 REOA+3%WM 中 S = O, C = O 处伸缩振动。此外, 3 种沥青 C = C 伸缩振动没有显著差异。

综上所述, 温拌再生沥青中, Evoflex8182 再生剂可以改善 SBS 老化沥青的老化程度, 恢复老化沥青性能, 但是不会产生新的官能团, 属于沥青组分调和过程。Sasobit 温拌剂对沥青老化程度的变化无影响, 且没有新的物质产生, 表明其与再生沥青不发生化学反应。温拌剂、 再生剂均不会恢复已经老化降解的 SBS 改性剂。此外, 根据 Sasobit 组成可知,Sasobit 主要成分为有机蜡, 熔点约为 100 ℃ , 在沥青较高温度的作用下, Sasobit 中有机蜡与再生沥青相融, 从而降低再生沥青黏度, 达到降低施工温度的效果, 属于物理降黏作用。

3  结论

(1) 再生剂可以显著降低老化沥青复数剪切模量 G∗, 车辙因子 G∗/ sin δ 以及疲劳因子 G∗sin δ,而 Sasobit 温拌剂对再生沥青作用效果则反之。再生剂可以降低老化沥青的屈服应力, 导致老化沥青抗变形能力降低, 而再生剂对老化沥青抗荷载变形程度能力基本无影响。此外, 再生剂可以降低老化沥青蠕变劲度, 提高蠕变速率, 而温拌剂对再生沥青作用效果反之。

(2) 4%目标空隙率下, 掺加 Sasobit 温拌剂的再生沥青混合料压实温度较普通热拌再生沥青混合料低 20~30 ℃ 。相同 RAP 掺量情况下, Sasobit 温拌再生沥青混合料水稳定性与低温抗裂性较普通热拌沥青混合料低, 而高温稳定性则反之。

(3) 老化沥青中羰基与亚砜基吸收峰的振动强度随再生剂的掺加而降低, 说明再生剂会调和老化沥青组分, 恢复老化沥青性能。Sasobit 温拌剂掺加并不改变再生沥青羰基与亚砜基吸收峰的振动强度,说明温拌剂不会改变老化沥青组分, 属于物理作用。再生剂与 Sasobit 温拌剂均不能改善老化沥青中 C = C伸缩振动峰强度, 说明再生剂与 Sasobit 温拌剂均不会恢复降解的 SBS 改性剂。

(4) 由于 Sasobit 温拌剂可以降低再生沥青混合料的碾压温度, 因此, 低温施工条件下, 可通过使用 Sasobit 温拌剂降低再生沥青混合料压实温度, 保障沥青路面施工质量。

原创作者：仰建岗1, 黄锦化2, 高 杰∗1, 姚玉权3, 罗露花4(1. 华东交通大学 土木建筑学院, 江西 南昌 330013; 2. 华东交通大学 交通运输工程学院, 江西 南昌 330013;3. 长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064; 4. 江西省天驰高速科技发展有限公司, 江西 南昌 330103)。