SBS/納米SiO2復(fù)合改性再生瀝青混合料抗裂性能研究

李 鑫，余紅杰

（1.陜西空港市政配套管理有限公司，陜西 咸陽 712034；2.陜西西咸新區(qū)城建投資集團(tuán)有限公司，陜西 咸陽 712034）

0 引言

隨著瀝青價格的不斷增長，以及社會對環(huán)保的重視，廢舊瀝青路面材料（RAP）在新建瀝青路面中的應(yīng)用越來越普遍。盡管RAP 在新路上使用會節(jié)約部分集料和瀝青，但混凝土的力學(xué)性能需要引起重視，可能會引起路面使用性能的降低[1]。

從目前的研究來看，RAP 摻量對瀝青混合料性能影響方面，尤其需要重視路面開裂問題，包括低溫開裂和疲勞開裂現(xiàn)象。近年來，基于能量的試驗(yàn)引起了較為廣泛的關(guān)注，包括半圓拉伸試驗(yàn)（SCB）、Fenix 試驗(yàn)和圓盤緊湊拉伸試驗(yàn)（DCT）等等。DCT試驗(yàn)由Wagoner 教授[2]經(jīng)過改良與不斷試驗(yàn)，已成為測定瀝青混合料抗裂性能的常規(guī)試驗(yàn)方法。瀝青混合料抗疲勞性能測定與表征也是困擾眾多道路科技工作者的難題之一，較為科學(xué)合理的室內(nèi)試驗(yàn)方法在近些年中引起了廣泛的討論，Daniel 和Kim等[3]提出基于粘彈性損傷模型的疲勞試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)方法可以較為準(zhǔn)確地獲得混合料在一定應(yīng)變水平及溫度下的疲勞結(jié)果，得到了道路工作者們的認(rèn)可。

現(xiàn)以納米SiO2和SBS 作為改性劑，研究不同改性條件下，再生瀝青混合料的抗疲勞性能和抗低溫開裂性能，為更好地利用RAP 提供一定借鑒。

1 原材料性質(zhì)

1.1 基質(zhì)瀝青與集料

所采用的道路石油瀝青為殼牌70#，其性能指標(biāo)見表1 所列，集料指標(biāo)見表2 所列，瀝青和粗細(xì)集料的指標(biāo)均滿足要求。

表1 瀝青主要技術(shù)指標(biāo)一覽表

表2 集料與礦粉技術(shù)指標(biāo)一覽表

1.2 RAP

RAP 選用某高速翻修后產(chǎn)生的舊路材料，采用阿布森法確定其舊瀝青試驗(yàn)指標(biāo)，見表3 所列。當(dāng)再生料的摻量超過25%時，可稱為高RAP 摻量再生瀝青混合料，現(xiàn)選擇的RAP 摻量為30%。

表3 RAP 中瀝青性能試驗(yàn)指標(biāo)一覽表

1.3 納米S iO2

納米SiO2在常溫下呈現(xiàn)白色粉末無定型狀固體，粒徑在40～70nm 之間，納米SiO2微粒結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在高溫下仍能保持高強(qiáng)、高韌和穩(wěn)定度等良好特征?，F(xiàn)選用的納米SiO2摻量為瀝青摻量的5%，在摻加納米SiO2時要用硅烷偶聯(lián)劑KH-550 對納米SiO2進(jìn)行有機(jī)化處理，以使納米SiO2改性瀝青的穩(wěn)定性更好。

1.4 混合料級配及最佳瀝青用量

混合料級配的確定采用以下方法進(jìn)行：（1）以0～5 mm 和5～10 mm 兩檔篩分RAP，新集料采用0～3 mm，3～5 mm，5～10 mm 和10～20 mm 進(jìn)行篩分。（2）根據(jù)上述篩分結(jié)果，以30%RAP 的摻量，合成最接近遠(yuǎn)側(cè)級配，見表4 所列。

表4 瀝青混合料級配一覽表

最佳瀝青用量的確定采用馬歇爾法進(jìn)行確定。首先，將不同瀝青在165～170℃進(jìn)行預(yù)熱，RAP 的預(yù)熱溫度為125℃；之后，將再生劑和RAP 放在攪拌鍋中，在溫度為190℃條件下拌合60 s，再加入新的集料后，繼續(xù)攪拌120 s，使新舊集料充分融合；最后，加入新的瀝青和礦粉，再次充分拌合。以馬歇爾力學(xué)性能指標(biāo)和體積指標(biāo)等確定最佳新瀝青的用量，最終確定在30% RAP 摻量下，最佳新瀝青用量為4.21%。

2 再生瀝青混合料的低溫抗裂性

現(xiàn)分別采用基于能量方法評價瀝青混合料低溫試驗(yàn)的圓盤拉伸試驗(yàn)，以及我國規(guī)范要求的低溫小梁試驗(yàn)確定不同種類再生瀝青混合料的低溫抗裂性能。

2.1 圓盤拉伸（DCT）試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)條件及步驟

制作厚50 mm，直徑150 mm 的瀝青混合料圓盤試塊，經(jīng)過鉆孔、人為制造裂縫成標(biāo)準(zhǔn)DCT 試件。DCT 試驗(yàn)在MTS 試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為-12℃。試驗(yàn)時，以1.0 mm/min 的速率控制裂縫的開口位移。在試驗(yàn)過程中，記錄下荷載及位移的相關(guān)數(shù)據(jù)，以計(jì)算斷裂參數(shù)。在試驗(yàn)過程中，每種瀝青混合料至少進(jìn)行3 個平行試驗(yàn)，以排除誤差的影響。

每次瀝青混合料DCT 試驗(yàn)，均可得到一條荷載-位移曲線，以此曲線為基礎(chǔ)，可計(jì)算基于DCT 試驗(yàn)的斷裂能，作為評價不同類型瀝青混合料的低溫性能。斷裂能計(jì)算方法見式（1）所示。

式中：Gf為斷裂能；Wf為破壞混合料試件所做功；t為試件厚度；L 為試件的斷裂區(qū)長度。

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1 為4 種再生瀝青混合料的斷裂能試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖。如圖1 所示，在30% RAP 摻量下的再生瀝青混合料斷裂能試驗(yàn)結(jié)果均大于400 J/m2，這也符合國際上對于再生瀝青混合料低溫性能的評價標(biāo)準(zhǔn)[4]。從不同類型的再生瀝青混合料斷裂能數(shù)值來看，基質(zhì)瀝青再生混合料的斷裂能數(shù)值最低，僅有452 J/m2，納米SiO2改性再生瀝青混合料斷裂能為623 J/m2，比基質(zhì)瀝青再生瀝青混合料的斷裂能高38%，說明納米SiO2可以改善瀝青混合料的低溫性能，且好于SBS 改性劑。SBS/納米SiO2復(fù)合改性再生瀝青混合料的斷裂能值最高，為742 J/m2。此外，所有瀝青混合料均有三個平行試件，計(jì)算了四種不同瀝青混合料的斷裂能變異值，從圖1 中可以看出，SBS/ 納米SiO2復(fù)合改性瀝青的斷裂能變異性最低，而基質(zhì)瀝青的變異性最高，由此可見復(fù)合改性再生瀝青混合料的性能會更穩(wěn)定。

圖1 不同再生瀝青混合料的斷裂能結(jié)果柱狀圖

2.2 低溫小梁試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)條件與步驟

采用低溫小梁試驗(yàn)對幾種再生瀝青混合料的低溫性能作技能型評價。根據(jù)規(guī)范要求成型長×寬×高=250 mm×30 mm×35 mm 的小梁試件，在-10℃條件下以50 mm·min-1的加載速率進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 和圖3 分別為不同瀝青混合料的抗彎拉應(yīng)變值和抗彎拉強(qiáng)度值。從圖2 中可以看出，SBS/納米SiO2復(fù)合改性瀝青混合料的抗彎拉應(yīng)變值最高，為4 625 με；基質(zhì)瀝青瀝青混合料的抗彎拉應(yīng)變值最低，為1 984 με；復(fù)合改性瀝青混合料的抗彎拉應(yīng)變值為基質(zhì)瀝青的2.33 倍。從圖3 中可以看出，復(fù)合改性瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度值仍最大，為12.85 MPa，比基質(zhì)瀝青再生混合料高了3.69 MPa。同時，納米SiO2改性再生瀝青混合料表現(xiàn)出了較好的低溫抗裂性能，其抗彎拉應(yīng)變值為3 850 με，為基質(zhì)瀝青時的1.96 倍，抗彎拉強(qiáng)度值比基質(zhì)瀝青高了2.36 MPa。分析原因?yàn)?，?dāng)納米SiO2均勻地分布在瀝青混合料中時，可使瀝青混合料在較低溫度下保持良好的柔性，且對瀝青混合料能夠起到一定的增韌作用。此外，在進(jìn)行瀝青混合料低溫小梁試驗(yàn)時，由于納米SiO2的模量高，抗拉強(qiáng)度大，納米SiO2也起到了一定的加筋作用，納米SiO2會對裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展起到一定的抑制作用。

圖2 不同瀝青混合料的抗彎拉應(yīng)變對比柱狀圖

圖3 不同瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度對比柱狀圖

3 再生瀝青混合料的疲勞性能

3.1 基于粘彈性損傷模型的疲勞試驗(yàn)

不同瀝青混合料疲勞試驗(yàn)在瀝青混合料簡單試驗(yàn)機(jī)（AMPT）上進(jìn)行。試驗(yàn)時，保證10 Hz 的加載頻率，每種瀝青混合料共有4 個試件，采用4 個不同的應(yīng)變水平，已確定疲勞損傷與加載次數(shù)之間的關(guān)系。

粘彈性連續(xù)損傷模型基于Schapery 的功勢理論（Work Potential Theory）而建立[5]。瀝青材料損傷速率可用式（2）表示：

式中：S 與瀝青材料的內(nèi)部損傷相關(guān)；t 表示時間；α為瀝青材料的基本參數(shù)；WR為虛應(yīng)變能密度，計(jì)算如式（3）所示：

式中：C（S）為瀝青材料的虛模量，是瀝青材料內(nèi)部損傷S 的函數(shù)。

之后，根據(jù)Underwood 等的推導(dǎo)公式，得出混合料損傷與勁度模量的關(guān)系，見式（4）所示。

最后，根據(jù)每種混合料不同的損傷程度，應(yīng)用數(shù)值分析方法可確定疲勞損傷標(biāo)準(zhǔn)（GR）與疲勞壽命次數(shù)（Nf）的關(guān)系，并將兩個參數(shù)在坐標(biāo)中進(jìn)行描述，可表征瀝青材料的抗疲勞性能。

3.2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖4 為不同類型瀝青混合料疲勞試驗(yàn)損傷特征曲線，其中C 代表材料的完整性，S 代表隨著疲勞加載的增加值。從圖4 中可以看出，隨著疲勞荷載（S）的增多，基質(zhì)瀝青再生混合料的材料完整性最低，而SBS/ 納米SiO2復(fù)合改性再生瀝青混合料的材料完整性最高。從圖4 中還可以看出，當(dāng)材料的完整性達(dá)到0.2 時，復(fù)合改性再生瀝青混合料的疲勞壽命為基質(zhì)瀝青再生混合料的2 倍。

圖4 不同瀝青混合料的疲勞損傷曲線圖

圖5 為基于能量法的疲勞損傷結(jié)果，GR為基于能量失效標(biāo)準(zhǔn)的虛應(yīng)變能釋放率，Nf為疲勞加載次數(shù)，且GR-Nf關(guān)系與試驗(yàn)加載模式等無關(guān)，僅反映材料自身的疲勞行為。從圖5 中可以看出，SBS/ 納米SiO2復(fù)合改性再生瀝青混合料的疲勞壽命最好，而基質(zhì)瀝青再生混合料的疲勞壽命較差。分析原因?yàn)?，SBS 和納米SiO2使得瀝青和集料更好地結(jié)合在一起，形成較好的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，阻礙了裂縫的發(fā)展，且在疲勞荷載作用下，復(fù)合改性瀝青混合料的變形恢復(fù)能力更強(qiáng)，可能會有更好的自修復(fù)能力，從而綜合提升了瀝青混合料的抗疲勞性能。

圖5 不同瀝青混合料的GR-Nf 之間的關(guān)系圖

4 結(jié)論

（1）基于DCT 斷裂試驗(yàn)和低溫小梁試驗(yàn)結(jié)果表明，納米SiO2改性劑對再生瀝青混合料的低溫性能有較為良好的效果，而SBS/ 納米SiO2復(fù)合改性再生瀝青混合料的低溫開裂性更為優(yōu)異。

（2）基于粘彈性連續(xù)損傷疲勞試驗(yàn)表明，隨著疲勞荷載的增多，基質(zhì)瀝青再生混合料的材料完整性最低，SBS/ 納米SiO2復(fù)合改性再生瀝青混合料的材料完整性最高，說明復(fù)合改性再生瀝青混合料的疲勞性能較好，有更高的疲勞壽命。

（3）低溫抗裂試驗(yàn)和疲勞性能試驗(yàn)均表明通過使用改性瀝青的方法會對再生瀝青混合料的抗裂性能產(chǎn)生重要影響。因此，在將來的使用中應(yīng)合理進(jìn)行材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并與當(dāng)?shù)貧夂驐l件相適應(yīng)。