泡沫溫拌再生瀝青抗短期老化性能研究*

王 鑫，李 寧，鄒曉勇，唐 偉，詹 賀，于 新

（1河海大學 土木與交通學院，江蘇南京 210098；2金華市公路管理局，浙江金華 321000）

瀝青路面有著行車舒適、減震較好、路用性能優良及維修養護方式較為簡單等優點，在我國已建成的公路中占比約90%［1-2］。隨著時間推移，廢舊瀝青混合料（RAP）不斷增多，我國對這些舊料的利用率卻只在20%~30%左右，與發達國家90%的舊料利用率相去甚遠［3］。為節約石料、瀝青等資源，避免廢料造成污染，發展瀝青路面再生技術勢在必得。廠拌熱再生技術在我國的發展已經較為成熟，這種再生技術比較容易控制再生質量，適用范圍較廣，但是利用舊料的比例低、加熱瀝青所需要消耗的能源多，同時會排放大量的溫室氣體。舊料摻量較低的原因之一就是過高的溫度會加深舊料上瀝青的老化程度，而溫度過低則會導致施工和易性變差。

泡沫溫拌技術是將水加到熱瀝青中，水汽化使瀝青膨脹，進而降低瀝青的黏度，是一種綠色環保的路面施工技術［4-6］。由于這種技術的降黏功效，使得瀝青能在更低的溫度下具備較好的施工和易性，從而達到提高舊料摻量，減少能源消耗的目的。而泡沫溫拌技術的降黏效果主要體現在拌和、攤鋪和碾壓的過程中，在此期間瀝青性能主要受到短期老化作用的影響。目前已有一些關于泡沫溫拌再生瀝青性能相關的研究，肖鵬等［7］發現泡沫瀝青再生的效果要優于基質瀝青，且抗疲勞性能更強；徐波等［8］經研究發現，舊瀝青摻量的升高，使泡沫溫拌再生瀝青的高溫性能上升，低溫性能下降，建議舊瀝青摻量小于60% ；鄧金等［9］發現，較普通熱拌再生瀝青來說，泡沫溫拌再生瀝青的溫度敏感性更低；吳聞秀等［10］發現，舊瀝青摻量的提升，會提升泡沫溫拌再生瀝青的抗疲勞破壞能力，但建議RAP摻量不超過40%。

上述研究并沒有關注泡沫溫拌再生瀝青的抗老化性能，而且通常是在相同的試驗條件下進行性能對比，沒有考慮到泡沫溫拌再生瀝青在實際工程中可以降低施工溫度的因素。本文對泡沫溫拌再生瀝青的抗短期老化性能進行研究。為了模擬實際工程情況，將泡沫溫拌再生瀝青和熱拌再生瀝青在不同溫度下室內模擬短期老化，然后分析其高溫、低溫及抗疲勞性能，從而為實體工程提供參考。

1 材料與試驗方法

1.1 再生瀝青的制備

采用江蘇某瀝青廠的SBS改性瀝青，基本性能見表1。參照JTG E20-2011規范中T0727-2011方法將瀝青從RAP料中抽提出來，得到老化瀝青，其基本指標性能見表2。采用徐工XLP10型瀝青發泡機制備泡沫瀝青，發泡時改性瀝青的溫度為175℃，水的溫度為25℃，根據已有研究結論，采用3%的發泡用水量［11-12］。

表1 SBS改性瀝青基本性能Table 1 Basic properties of SBS modified asphalt

表2 老化瀝青基本指標Table 2 Basic properties of aging asphalt

將改性瀝青與老化瀝青按1：1的質量比進行摻配，然后在175℃下，以1000r/min的轉速攪拌1h，制得熱拌再生瀝青。將泡沫瀝青與老化瀝青也按上述方法配制，然后制得泡沫溫拌再生瀝青，兩種再生瀝青的三大指標性能見表3。試驗流程圖如圖1所示。

表3 再生瀝青三大指標Table 3 Three indexes of recycled asphalt

圖1 試驗流程圖Fig. 1 Test flow chart

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗方案

將改性瀝青、泡沫瀝青、熱拌再生瀝青及泡沫溫拌再生瀝青進行布氏黏度試驗及RTFOT模擬短期老化試驗。

根據黏溫曲線圖（圖2）可知，熱拌再生瀝青163℃黏度與泡沫溫拌再生瀝青153℃黏度相當。故將未發泡組瀝青的短期老化條件設為163℃，85min，發泡組瀝青的短期老化條件設為153℃，85min。分別采用MSCR試驗、BBR試驗和LAS試驗評價上述瀝青老化前后的高溫、低溫、抗疲勞性能。

圖2 再生瀝青黏溫曲線Fig. 2 Viscosity-temperature curve of recycled asphalt

1.2.2 多應力蠕變恢復試驗

根據AASHTO TP70試驗規程，采用DSR儀器進行測試，板直徑25mm，間距1mm，溫度為60℃。一個周期內的蠕變恢復應變曲線如圖3所示。

圖3 蠕變恢復應變曲線Fig. 3 Creep recovery strain curve

主要公式如下：

式中：γ0，γp，γnr分別為初始應變、峰值應變、殘留應變；τ為剪切應力（0.1kPa或3.2kPa）。

采用不可恢復蠕變柔量（Jnr）表征瀝青的不可恢復變形，此值越小，其抗永久變形能力越強；蠕變恢復率（R）反映了瀝青恢復變形量的比例，此值越大，其恢復變形的能力越強。

1.2.3 彎曲蠕變勁度試驗

本文采用BBR試驗，測瀝青在-24℃、-18℃、-12℃溫度下的S與m。S表征瀝青抵抗荷載的能力，m表征加載后瀝青勁度的變化速率，S越大、m越小，則低溫性能越差。

1.2.4 線性振幅掃描試驗

線性振幅掃描試驗能夠在較短的時間內測得目標應變水平下的疲勞性能［13］。采用DSR儀器進行試驗，選用8mm直徑的試驗板，板間距為2mm，溫度為25℃。此試驗分為兩步，第一步為頻率掃描，第二步為線性振幅掃描，通過公式可計算出瀝青的疲勞性能指標：疲勞壽命Nf。主要公式如下：

式中：G'(ω)為存儲模量；ω為頻率；m為擬合參數；ID為1%應變時復數剪切模量的初始值；γ0為應變水平；|G*|為復數剪切模量；δ為相位角；t為測試時間；C0為0.1%應變時的|G*|sinδ；C1、C2為擬合參數；f為加載頻率10Hz；k為參數，k=1+(1-C2)α；γmax為一定路面結構下瀝青的最大期望應變，此處取2.5%。

計算過程中，參數A35與瀝青的儲能模量相關，反映瀝青在積累損傷的這個過程中保持自身完整性的能力；參數B表征瀝青的應變敏感性，|B|越大，疲勞壽命的變化速率就越快。所以當A35的值較大，|B|的值較小時，瀝青的疲勞性能就較好［14］。

2 試驗結果與分析

2.1 高溫性能

為了對比短期老化前后各瀝青的蠕變恢復特性，取3.2kPa應力水平下的第一個加載-卸載周期進行分析，如圖4所示。

圖4 瀝青的蠕變恢復應變曲線Fig. 4 Creep recovery strain curve of asphalt

由圖4可知，在3.2kPa應力水平下，短期老化前，就峰值應變而言，改性大于泡沫，泡沫溫拌再生大于熱拌再生，表明泡沫溫拌技術會降低改性瀝青的流動變形特性，但能使再生瀝青的流動變形特性得到提升。短期老化后，各瀝青的峰值應變均有不同程度的降低，其中，泡沫溫拌再生瀝青降低42.8%，說明短期老化會降低瀝青的流動變形特性，且泡沫溫拌再生瀝青流動變形特性的抗老化能力與熱拌再生瀝青相差不大；泡沫瀝青的峰值應變大于改性瀝青，泡沫溫拌再生瀝青的峰值應變大于熱拌再生瀝青，這說明泡沫溫拌技術使瀝青在此時能具備更好的流動變形特性；再生組瀝青的殘余應變大于未再生組瀝青，表明摻入老化瀝青會降低瀝青的蠕變恢復性能。

圖5為各瀝青短期老化前后的不可恢復蠕變柔量。

圖5 不可恢復蠕變柔量Fig. 5 Irrecoverable creep compliance

由圖5可知，短期老化前，對于不可恢復蠕變柔量，改性大于泡沫，熱拌再生小于泡沫溫拌再生，說明泡沫溫拌技術能提升改性瀝青的抗永久變形能力。短期老化后，泡沫瀝青的不可恢復蠕變柔量略微升高，其余三種瀝青的不可恢復蠕變柔量降低，說明短期老化作用會降低泡沫瀝青的抗永久變形能力，但能使另外三種瀝青的抗永久變形能力得到提升；其中，泡沫溫拌再生瀝青提升最大，為60%。而且短期老化后的改性瀝青與泡沫瀝青、熱拌再生瀝青與泡沫溫拌再生瀝青之間的不可恢復蠕變柔量值非常相近，表明泡沫溫拌技術對瀝青此時的抗永久變形能力影響不大。

圖6為0.1kPa和3.2kPa兩個應力水平下四種瀝青在短期老化前后的蠕變恢復率。

圖6 蠕變恢復率Fig. 6 Creep recovery rate

由圖6可知，3.2kPa應力水平下瀝青的蠕變恢復率會較0.1kPa應力水平有一定的降低，說明應力水平的升高會降低恢復變形的能力。短期老化前，對于蠕變恢復率，泡沫大于改性，泡沫溫拌再生大于熱拌再生，表明泡沫溫拌技術能提升瀝青恢復變形的能力。短期老化后，泡沫瀝青的蠕變恢復率降低，另外三種瀝青均上升，說明短期老化作用會降低泡沫瀝青恢復變形的能力，但能提升另外三種瀝青恢復變形的能力；其中，泡沫溫拌再生瀝青提升約13%。而且短期老化后的改性瀝青與泡沫瀝青、熱拌再生瀝青與泡沫溫拌再生瀝青之間的蠕變恢復率相近，表明泡沫溫拌技術對瀝青此時恢復變形的能力影響很小。

綜合不可恢復蠕變柔量及蠕變恢復率兩種性能指標可知，短期老化作用會提升泡沫溫拌再生瀝青的高溫性能。

2.2 低溫性能

表4為不同溫度下四種瀝青在短期老化前后的S值和m值。

隨著溫度的下降，四種瀝青的S值增大，m值減小。當溫度下降至-24℃時，短期老化前后的m值數據幾乎相等，但S值卻相差較大，這說明使用S值和m值評價瀝青的低溫抗裂性能不夠準確，會出現區分度較小的情況。相關研究也表明，僅采用S值和m值以評價瀝青的低溫性能時，會出現結果不夠準確，甚至相互矛盾的情況［15］。因此，有關學者在得到S值和m值的基礎上，結合了Burgers模型提出采用λ=m/S作為指標評價瀝青在低溫條件下抵抗開裂的能力，這種方法能夠有效避免評價時出現差錯［16］。

以λ作為指標評價瀝青時，λ值越大，說明瀝青的低溫抗裂性能越好。圖7所示為各瀝青的λ值。

圖7 瀝青的λ值Fig. 7 λ values of asphalt

由圖7可知，四種瀝青的λ值均隨著溫度的降低而不斷減小，即低溫開裂的可能性不斷增大，并且在-12℃到-18℃溫度區間內λ值下降的幅度大于-18℃到-24℃溫度區間內下降的幅度，說明在-12℃到-18℃間，瀝青的低溫抗裂性能衰減更快。短期老化前，就λ值而言，改性大于泡沫，熱拌再生大于泡沫溫拌再生，說明泡沫溫拌技術會使瀝青的低溫抗裂性能下降。短期老化后，各瀝青的λ值均下降，其中，泡沫溫拌再生瀝青降低約14%，說明短期老化作用會使瀝青的低溫抗裂性能下降。這是由于熱氧老化作用使瀝青中的中分子和小分子組分減少，大分子組分增多，如芳香分占比減小、瀝青質占比增大，使得瀝青變硬和變脆，導致瀝青更易開裂［9］。

2.3 抗疲勞性能

圖8所示為各瀝青在短期老化前后的疲勞性能參數A35、|B|的值。

圖8 瀝青的疲勞參數值Fig. 8 Fatigue parameter values of asphalt

由圖8可知，短期老化前，泡沫溫拌再生瀝青的A35值與|B|值均大于熱拌再生瀝青，說明與熱拌再生瀝青相比，泡沫溫拌再生瀝青雖然保持自身完整性的能力更強，但應變敏感性也更高。短期老化后，泡沫溫拌再生瀝青的A35值增大，|B|值減小，表明短期老化作用能使泡沫溫拌再生瀝青擁有更好的保持自身完整性的能力及更低的應變敏感性，證明其在疲勞性能方面具備較好的抗老化能力。

圖9為2.5%應變水平下四種瀝青在短期老化前后的疲勞壽命Nf。

圖9 瀝青的疲勞壽命Fig. 9 Fatigue life of asphalt

由圖9可知，在2.5%的應變水平下，短期老化前，就疲勞壽命值而言，改性小于泡沫，熱拌再生小于泡沫溫拌再生，說明泡沫溫拌技術的應用有利于延長瀝青的疲勞壽命。短期老化后，改性瀝青與泡沫瀝青的疲勞壽命值降低，熱拌再生瀝青與泡沫溫拌再生瀝青的疲勞壽命值升高，表明短期老化作用能延長再生瀝青的疲勞壽命；其中，泡沫溫拌再生瀝青延長了約71%。但是，再生瀝青的疲勞壽命經過老化作用后反而會延長，這種結論明顯不符合實際情況。所以，使用線性振幅掃描試驗測試再生瀝青的疲勞性能，這種方法的合理性有待驗證。

3 結論

（1）當老化瀝青摻量為50%時，153℃下泡沫溫拌再生瀝青的黏度與163℃的熱拌再生瀝青處于同一水平。

（2）泡沫溫拌再生瀝青在短期老化后，抗永久變形能力提升約60%，蠕變恢復率提升約13%，低溫性能降低約14%，抗疲勞性能提升約71%。總體上，泡沫溫拌再生瀝青抗短期老化性能較好。

（3）短期老化后，與熱拌再生瀝青相比，泡沫溫拌再生瀝青的高溫性能與之相當，低溫性能低約6%，抗疲勞性能低約9%。整體上二者性能相差不大。