基于DSR的再生瀝青最佳愈合溫度與愈合時間研究

向 浩，張文武，劉 鵬，姚啟文，何兆益

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 齊魯交通發(fā)展集團有限公司，山東 濟南 250014)

0 引 言

自1960年Bazin首次提出瀝青混合料具有自愈合特性，道路工作者經過多年的研究也證實了這一現象，瀝青混合料的自愈合性能主要通過瀝青來體現，即瀝青材料在使用期間可以對自身損傷進行自我修復[1-2]，為此瀝青自愈合性能一直是研究熱點，研究者已指出瀝青的自愈合性能受到很多因素的影響，其中愈合溫度與愈合時間是最為直接的外部因素[3-4]；A. GARCA[5]通過CT掃描分析了瀝青愈合的微觀過程，并通過Arrhenius方程對自愈合速率和愈合溫度進行相關性分析；羅蓉等[6]通過動態(tài)剪切流變儀(DSR)對70#基質瀝青和SBS改性瀝青進行無間歇和間歇條件下的時間掃描試驗，得到了SBS改性瀝青自愈合能力更強，且兩種瀝青均隨著間歇時間的增長瀝青愈合情況越來越好；湯文等[7]利用加入間歇時間的DSR試驗，根據耗散能變化率的坪值PV與間歇時間的關系定義愈合速率HR，得到SBS I-C改性瀝青和70#基質瀝青自愈率隨間歇時間增大而提高，自愈率與自愈速率隨應變水平增大而減小；王昊鵬等[8]選用延度試驗，采用完整時間與破壞時間對比3種瀝青的自愈特性影響因素，均得到瀝青自愈能力隨愈合溫度的提升和愈合時間的增長而增強。

國內外在研究瀝青自愈合性能時，多集中于基質瀝青或改性瀝青，對再生瀝青的自愈合性能研究相對空白，但隨著國內再生瀝青的使用量日益增長，再生瀝青自愈合性能研究十分必要。此外，愈合溫度和愈合時間雖已被證明對瀝青自愈性能有較大影響，但已有成果中多限于定性分析，未能指出再生瀝青的最佳愈合條件。為此，針對不同的再生瀝青，通過動態(tài)剪切流變儀進行再生瀝青疲勞-愈合-疲勞試驗，分析不同再生瀝青的最佳愈合溫度和愈合時間，以期為再生瀝青路面的養(yǎng)護提供參考。

1 試驗概況

1.1 原材料

試驗原瀝青采用70#基質瀝青，瀝青各項技術指標均滿足規(guī)范要求，如表1，以70#基質瀝青為原料，按照JTG E20—2011《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》規(guī)定的瀝青旋轉薄膜加熱試驗(RTFOT)模擬瀝青的短期老化，老化85 min試樣后文以70#R85表示，老化170 min試樣以70#R170表示，按照壓力老化容器加速瀝青老化試驗(PAV)模擬瀝青長期老化，試樣以70#P表示；再生劑選用70#基質瀝青、課題組自研RA-2型再生劑、山東H100型再生劑，再生劑技術指標如表2。

表1 基質瀝青和老化瀝青技術指標Table 1 Technical indicator of base asphalt and aged asphalt

1.2 試驗方案

試驗采用動態(tài)剪切流變儀(DSR)，分析不同條件下的再生瀝青自愈合性能，以時間掃描模式(time-sweep)進行再生瀝青“疲勞-愈合-疲勞”間斷式加載，即材料的動態(tài)剪切模量降低到一定程度后停止加載，在指定愈合溫度間歇一段時間后重新加載，加載時溫度始終保持30 ℃。文獻[9]指出材料復數模量為1×105～1×107Pa時應選8 mm平行板，為此平行板尺寸選擇選8 mm，平行板間距為2 mm，為保證瀝青處于線黏彈性范圍，應變控制選擇5%，為對應60～65 km/h的行車作用，加載頻率選擇10 Hz。

1.3 自愈效果評價方法

瀝青自愈合評價指標尚未統(tǒng)一，常見的評價指標多以瀝青動態(tài)剪切模量的變化情況為基礎，將5種瀝青自愈合指標的物理意義進行總結歸納，并分析各指標的優(yōu)缺點，如表3。

表3 常見瀝青自愈合指標Table 3 Self-healing indexes of common asphalt

根據表3對指標的歸納分析，以上5種瀝青自愈合性能評價指標均存在不能有效反映瀝青真實自愈合能力的缺陷。為此，采用文中參考文獻[6]中自愈合評價指標，該指標既考慮了間歇前后動態(tài)剪切模量的恢復程度，又考慮了加載時間的影響，可綜合反映間歇前后模量恢復程度及抵抗剪切破壞能力的恢復程度，其表征瀝青自愈合性能的合理性與有效性已被證明，表達式如式(1)，式中各參數物理意義如圖1。

(1)

圖1 自愈合前后動態(tài)剪切模量下降示意Fig. 1 Decrease of dynamic shear modulus before and afterself-healing

2 試驗結果與數據分析

2.1 不同老化程度

試驗選取70#R85、70#R170、70#P 3種不同老化程度瀝青，以添加7%的RA-2型再生劑再生，并選擇70#基質瀝青進行對比。利用動態(tài)剪切流變儀在不同溫度下對再生瀝青在愈合時間為20 min的情況下進行時間掃描，考慮到瀝青路面在夏季最高溫度為70 ℃左右，為此試驗中愈合溫度選擇20、30、40、50、60、70 ℃，以HI6為愈合程度評價指標，得到3種再生瀝青及原瀝青愈合溫度與愈合程度的關系，如圖2。

圖2 愈合溫度與愈合程度關系Fig. 2 The relationship between healing temperature andhealing degree

根據圖2可以得到，整體上瀝青自愈合程度隨著愈合溫度的升高而增大，原因在于高溫有助于再生瀝青分子之間的擴散，及時填補微裂縫；原瀝青老化程度越高，再生后瀝青的軟化點越高、流動性越差，因此在愈合溫度相同時，原瀝青老化程度越高的再生瀝青表現出越差的自愈合性能。

當溫度由20 ℃升到70 ℃時，70#R85、70#R170、70#P 3種老化瀝青的再生瀝青愈合度分別提升了175%、476%、834%，平均愈合程度分別為70#基質瀝青的96%、81%、69%，可以看出70#R85經過再生后的愈合能力與原瀝青最接近，且原瀝青老化程度越高，自愈合程度提高幅度越大，主要原因在于老化程度越高的原瀝青再生后在低溫愈合的情況下，自愈恢復程度較低，因此提升幅度計算時基數非常小，表現出提升幅度較大。但隨著愈合溫度的升高，再生瀝青自愈合程度提升速率逐漸降低，愈合程度趨于平緩，過度提升愈合溫度追求100%的自愈合恢復并不可取，一方面溫度太高會對再生瀝青造成二次老化，另一方面溫度達到某種程度后對效率逐漸降低，因此選擇90%自愈恢復程度所對應的溫度作為最佳愈合溫度，得到70#R85、70#R170、70#P 3種老化瀝青的再生瀝青在20 min愈合時間的情況下，最佳愈合溫度分別為47.7、54.6、60.8 ℃，70#基質瀝青最佳愈合溫度為45.8 ℃。

依據上述分析，分別以47.7、54.6、60.8 ℃作為3種再生瀝青最佳愈合溫度，以5、10、20、40、80 min作為愈合時間，得到3種再生瀝青愈合時間與愈合程度的關系，如圖3。

圖3 愈合時間與愈合程度關系Fig. 3 The relationship between healing time and healingdegree

根據圖3可以得到，瀝青自愈合程度隨著愈合時間的增加而增大，原因在于較長的愈合時間增加了瀝青相互擴散的程度，但愈合程度增長趨勢為先快后慢，其規(guī)律相似于愈合溫度對愈合程度的影響，因此過度延長愈合時間去追求100%的自愈恢復也不可取，選擇90%的自愈恢復程度所對應的時間作為最佳愈合時間，得到70#R85、70#R170、70#P 3種老化瀝青的再生瀝青的最佳愈合溫度分別為25.3、27.5、26.6 min。

2.2 不同再生劑種類

針對不同再生劑種類對最佳愈合溫度與愈合時間的影響，選取70#基質瀝青、RA-2型再生劑、H100型再生劑對70#R170老化瀝青進行再生，用量為老化瀝青的7%，以20 min為愈合時間，得到3種再生瀝青愈合溫度與愈合程度的關系，如圖4。

根據圖4可以得到，3種再生劑均未影響再生瀝青愈合程度隨愈合溫度的升高而增加，且溫度達到一定程度后愈合程度增加效果逐漸降低。當溫度相同時，添加H100型再生劑的愈合效果最好，RA-2型再生劑次之，添加70#基質瀝青作為再生劑時愈合效果最差，相同愈合條件下，添加RA-2型再生劑和70#基質瀝青時愈合程度分別為添加H100型再生劑時的93%、87%；同樣以90%的自愈恢復所對應的溫度作為最佳愈合溫度，得到添加70#基質瀝青、RA-2型再生劑、H100型再生劑的再生瀝青最佳愈合溫度分別為：55.6、54.6、49.6 ℃。

圖4 愈合溫度與愈合程度關系Fig. 4 The relationship between healing temperature andhealing degree

依據上述分析，分別以55.6、54.6、49.6 ℃作為3種再生瀝青最佳愈合溫度，以5、10、20、40、80 min作為愈合時間，得到3種再生瀝青愈合時間與愈合程度的關系，如圖5。

圖5 愈合時間與愈合程度關系Fig. 5 The relationship between healing time and healing degree

根據圖5可以得到，再生劑種類并不影響再生瀝青自愈合程度隨愈合時間的增加而增大，當愈合時間由5 min延長至80 min時，添加70#基質瀝青、RA-2型再生劑、H100型再生劑的再生瀝青愈合程度分別提高了121%、66%、63%；但再生瀝青愈合程度增長速率各不相同，原因在于再生劑組成成分不同，輕質組分含量較多的再生劑使再生瀝青擁有更好的流動性。隨著愈合時間的持續(xù)增加，再生瀝青愈合程度的增長速度逐漸降低，選擇90%的自愈恢復程度所對應的時間作為最佳愈合時間，得到添加70#基質瀝青、RA-2型再生劑、H100型再生劑的再生瀝青最佳愈合時間分別為：32.2、26.6、21.2 min。

3 結 論

1)瀝青自愈合性能評價指標眾多，文中歸納了5種常見指標的物理意義及優(yōu)缺點，最終選取最能表征瀝青自愈合能力的HI6，并在后續(xù)試驗中驗證了其可行性。

2)愈合溫度的升高、愈合時間的延長均有利于再生瀝青愈合，但隨著愈合溫度、愈合時間提升到一定程度后，再生瀝青自愈合程度提升效率越來越低。

3)原瀝青老化程度越高，再生瀝青的自愈合能力越低，最佳愈合溫度越高；70#R85、70#R170、70#P3種老化瀝青再生后的最佳愈合溫度分別為47.7、54.6、60.8 ℃，對應的最佳愈合時間分別為25.3、27.5、26.6 min。

4)再生劑的種類對再生瀝青自愈合性能影響很大，不同再生瀝青的最佳愈合條件不同，輕質組分含量更多的再生劑更能促進再生瀝青愈合；70#R170瀝青經70#基質瀝青、RA-2型再生劑、H100型再生劑瀝青再生后的最佳愈合溫度分別為：55.6、54.6、49.6 ℃，對應的最佳愈合時間分別為：32.2、26.6、21.2 min。