再生SBS改性瀝青疲勞特性研究

鄒桂蓮，吳曉強，李英勇，徐曉燕

(1.華南理工大學 土木與交通學院，廣東 廣州 510640；2.山東省交通運輸事業服務中心，山東 濟南 250001；3.民航中南機場設計研究院(廣州)有限公司，廣東 廣州 510403)

0 引言

改性瀝青路面能否再生以及再生對路面性能有何影響，是最近20～30年國內外道路工程領域一直關注的熱點之一[1-4]。中國因為氣候嚴苛、交通繁重的原因，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styreneic block copolymers，SBS)改性瀝青的消費量已經上升到全部道路瀝青消費總量的30%左右，與改性瀝青消費僅占10%左右的歐美國家相比，中國尤其關注改性瀝青路面的再生問題。已有的國內外研究[5-6]以及已鋪筑的改性再生路面工程[7-8]證明：SBS改性瀝青路面是可以再生的，再生后路面高溫抗車轍能力得到提高，但再生路面普遍存在大中修養護提前的現象，這是路面再生后疲勞性能的衰減引起的。文獻[9-10]的試驗表明： SBS改性瀝青再生后的高溫性能良好，低溫性能較差。文獻[15,11]的試驗表明： 復合使用再生劑和新瀝青，能有效改善再生SBS改性瀝青的低溫性能。文獻[12]研究表明： 老化瀝青摻量較高時，再生SBS改性瀝青疲勞破壞率增加，抗疲勞性能降低。文獻[13]研究表明： 疲勞耐久性是制約SBS改性熱再生混合料(reclaimed asphalt pavement, RAP)摻量的主要因素。國外有研究認為舊SBS改性瀝青的加入，有利于再生瀝青混合料高溫下的抗永久變形，但同時也使瀝青混合料在低溫下表現出剛度和脆性的增加，會降低抗開裂和抗疲勞性能[14-16]，也有研究認為在新瀝青混合料中加入RAP可以提高疲勞壽命[17-18]。

現有SBS改性瀝青再生研究主要集中在高低溫性能，對SBS改性瀝青再生后的疲勞壽命影響以及損傷衰減程度鮮有研究。為此，本文基于重復加載試驗，分析老化SBS改性瀝青、新SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青疲勞壽命指標的變化規律，探究新瀝青針入度等級、舊瀝青老化程度及摻量對再生SBS疲勞壽命的影響，可為實體工程應用提供參考。

1 試驗材料

1.1 老化SBS改性瀝青

為批量獲取模擬瀝青路面不同老化程度的SBS改性瀝青，本文采用SBS(Ⅰ-D)改性瀝青，通過控制旋轉薄膜烘箱試驗(rolling thin film oven test, RTFOT)的老化時間，制備了針入度為10～40(0.1 mm)的3種不同老化程度的SBS改性瀝青。根據瀝青針入度等級，原樣瀝青記為P(40～60)，老化瀝青記為R(10～20)、R(20～30)和R(30～40)，其主要性能指標如表1所示。由表1可知：隨著老化程度增加，針入度逐漸降低，黏度逐漸升高，變化較明顯。軟化點總體上呈增大趨勢，但不明顯。改性瀝青的老化分為兩個部分，基質瀝青部分隨著老化加深，軟化點升高，而部分SBS改性劑隨著老化逐漸降解，導致軟化點有所下降，兩者共同作用的結果使得軟化點指標變化不顯著，當后者起主導作用時，甚至表現為軟化點降低，如R(30～40)的軟化點略低于改性瀝青P(40～60)。由于老化導致改性劑SBS的逐漸降解，改性瀝青的彈性恢復能力逐漸降低，延度迅速下降。

表1 原樣及老化SBS改性瀝青主要性能指標

1.2 新SBS改性瀝青

通過在SBS(I-D)新瀝青中添加不同摻量的再生劑，調和制備不同針入度等級的新SBS改性瀝青。再生劑為前期研究[19]基礎上優選的RA-250型再生劑，其主要性能指標如表2所示。根據瀝青針入度等級，新瀝青分別記為P(40～60)、P(60～80)、P(80～100)、P(100～110)、P(110～120)和P(120～130)，其主要性能指標如表3所示。由表3可知：隨著新SBS改性瀝青針入等級升高，延度增加明顯，黏度和軟化點呈下降趨勢，彈性恢復很好，彈性恢復率高達99%，這是由于新瀝青中的SBS改性劑保留了其彈性恢復能力。

表2 再生劑主要性能指標

表3 新SBS改性瀝青主要性能指標

1.3 再生SBS改性瀝青

為了分析新SBS改性瀝青針入度等級、老化SBS改性瀝青摻量對再生SBS改性瀝青疲勞壽命的影響，以再生老化SBS改性瀝青R(20～30)為例，采用固定老化瀝青摻量(15%)添加不同針入度等級新SBS改性瀝青、固定新SBS改性瀝青針入度等級(P(80～100))添加不同摻量老化SBS改性瀝青兩種方式，分別進行再生，獲取再生SBS改性瀝青。

2 試驗儀器與評價方法

采用英國Malvern公司生產的Kinexus超級旋轉流變儀進行試驗，儀器相關參數：扭矩為3～250 mN·m，溫控為-30～200 ℃，頻率為1 μHz～150 Hz。

美國公路戰略研究計劃(strategic highway research program, SHRP)中，采用疲勞因子G*sinδ作為瀝青的疲勞性能評價指標一直受到諸多質疑，如G*sinδ與瀝青混合料疲勞壽命相關性不足、試驗假定與實際路面情況相差較大等[20]。鑒于此，美國國家合作公路研究計劃(national cooperative highway research program,NCHRP)中Project9-10研究項目[21]提出了基于動態剪切流變儀(dynamic shear rheometer,DSR)的重復加載試驗，基于表象法和耗散能法，采用復數模量、相位角等參數的衰變來表征瀝青的疲勞性能。目前，廣泛采用Nf50(復數模量降低至初始值50%時所對應的剪切次數)作為瀝青的疲勞破壞標準，簡單直觀，易于確定[22-23]。重復加載試驗更加貼合路面疲勞破壞的真實狀態，可以更好地評價改性瀝青的疲勞性能。采用應變控制模式對老化SBS改性瀝青、新SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青進行重復加載試驗，試驗選擇8 mm平行板，試驗溫度為15 ℃，控制應變為3%，頻率采用15 Hz。

為了避免試驗周期過長，16萬次加載后模量仍未降至初始值50%的瀝青，采用衰減百分率D表征疲勞性能，衰減百分率D表達式如式(1)所示。

(1)

3 試驗結果與分析

3.1 舊SBS改性瀝青老化程度對疲勞壽命的影響

原樣及不同老化程度SBS改性瀝青復數模量隨加載次數的變化關系如圖1所示。

由圖1可見： 瀝青的老化會導致初始復數模量增大，且老化程度越深，初始復數模量越大。這是由于隨著老化程度加深，瀝青中的黏性部分減少而彈性部分逐漸增加，瀝青變硬。對于老化瀝青R(30～40)、R(20～30)和R(10～20)，復數模量初期衰減速率逐漸增大，當荷載作用到一定次數時，下降速率減慢，之后逐漸趨于平緩，瀝青的老化程度越深，對應的復數模量曲線衰減速率越大，疲勞性能衰減越快。

以Nf50為疲勞標準計算老化SBS改性瀝青的疲勞壽命，結果如圖2所示。

圖1 老化程度對SBS改性瀝青G*衰變的影響

圖2 老化程度對SBS改性瀝青疲勞壽命Nf 50的影響

由圖2可知： 隨著舊SBS改性瀝青老化程度的增加，瀝青的疲勞壽命Nf50迅速變小，SBS改性劑的降解越來越嚴重，SBS獨特的黏彈特性引起耐疲勞性能衰減，且伴隨著基質瀝青的組分變化，進一步降低了老化SBS改性瀝青的疲勞壽命。

3.2 新SBS改性瀝青疲勞性能

不同針入度等級新SBS改性瀝青復數模量隨加載次數的變化關系如圖3所示。對于新SBS改性瀝青而言，瀝青的針入度等級越高，瀝青越軟，其初始復數模量越小。16×104次的重復加載過程中，軟的新SBS改性瀝青G*衰減速率略小，說明再生劑對新瀝青的疲勞性能有改善，但效果不顯著。

圖3 不同針入度等級新SBS改性瀝青G*隨加載次數變化關系

為了更清晰地量化表達，采用以重復加載過程中的G*衰減百分率D對新SBS改性瀝青的疲勞性能進行評價。不同新SBS改性瀝青16×104次重復加載G*衰減百分率見圖4。由圖4可知： 在16×104次的重復荷載作用下，隨著新SBS改性瀝青針入度等級的升高，其衰減百分率D越小，疲勞壽命越長，說明再生劑的加入不僅使得調和的瀝青變軟，同時改善了新瀝青的抗疲勞性能，P(120～130)瀝青的G*衰減百分率D為P(40～60)瀝青的G*衰減百分率D的71%，說明疲勞性能得到提高。

圖4 不同新SBS改性瀝青16×104次重復加載G*衰減百分率

3.3 再生SBS改性瀝青疲勞性能影響因素

疲勞性能以復數模量的衰減表征，以再生老化瀝青R(20～30)為例，不同針入度等級新SBS改性瀝青、老化SBS改性瀝青摻量對再生SBS改性瀝青疲勞性能的影響如圖5和圖6所示。對比圖5和圖6可以明顯看出： 舊瀝青摻量對復數模量變化影響更顯著，而新SBS改性瀝青針入度等級對復數模量衰減影響較小，說明舊SBS改性瀝青摻量是影響路面疲勞性能的決定性因素，而摻量一定時，新SBS改性瀝青針入度等級提高可以更加軟化再生SBS改性瀝青，但對延長疲勞壽命貢獻較小。采用Nf50量化舊SBS改性瀝青對再生瀝青疲勞性能的影響，計算結果如表4所示。

表4 新SBS改性瀝青與舊SBS改性瀝青摻量對再生SBS改性瀝青疲勞壽命Nf50的影響

由表4中可知：在老化SBS改性瀝青摻量一定時，添加的新SBS改性瀝青越軟，再生SBS改性瀝青疲勞壽命恢復呈緩慢升高的趨勢，但與全新SBS改性瀝青16×104次以上的疲勞壽命相比，疲勞性能損傷較明顯，無法完全恢復。新SBS改性瀝青中的輕質油分可以改善再生SBS改性瀝青的疲勞性能，但恢復有效的SBS摻量才是決定再生SBS改性瀝青疲勞性能恢復的關鍵。在新SBS改性瀝青針入度等級一定時，再生SBS改性瀝青的疲勞壽命隨老化SBS改性瀝青摻量的增加而迅速減小，舊SBS改性瀝青摻量達到35%及以上時，再生瀝青的疲勞壽命衰減開始放緩，再次說明舊SBS改性瀝青摻量是影響再生SBS改性瀝青疲勞壽命的顯著性因素，摻量為50%時，再生對疲勞性能的恢復效果已經很差。如果不采取有效的改善策略，從耐久性的角度不建議舊SBS改性瀝青摻量超過35%。

3.4 相關性分析

基于灰色關聯理論，分析新SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青25 ℃針入度、軟化點、5 ℃延度和25 ℃彈性恢復率與再生SBS改性瀝青疲勞壽命Nf50灰色關聯度，計算結果如圖7所示。

圖7 再生SBS改性瀝青疲勞壽命關聯度

由圖7可知： 再生SBS改性瀝青的疲勞壽命與新SBS改性瀝青和再生SBS改性瀝青的25 ℃彈性恢復率、軟化點指標具有很強的關聯性，關聯度均在0.88以上，與25 ℃彈性恢復率關聯性最好，軟化點次之，且新SBS改性瀝青的25 ℃彈性恢復率、軟化點指標與疲勞壽命相關性要略優于再生SBS改性瀝青，說明在固定老化摻量瀝青摻量下，新摻量瀝青的25 ℃彈性恢復率和軟化點是影響再生SBS改性瀝青疲勞壽命的顯著性因素，相關性很好。這是因為舊SBS改性瀝青中SBS降解、分散性降低，疲勞壽命大大降低，而新SBS改性瀝青補充了SBS改性劑，SBS改性劑引起的彈性恢復能力越高說明SBS補充得越充分，因此疲勞性能恢復越好。軟化點指標也與SBS改性劑有關，改性劑補充越充分，軟化點越高，兩者之間具有很強的關聯性，因此軟化點指標與疲勞壽命的相關性也很好。針入度和延度指標與基質瀝青更相關，與SBS改性劑有關，但顯著性下降，因此與再生SBS改性瀝青的疲勞壽命相關性變差。通過灰色關聯度分析，說明篩選新SBS改性瀝青、評價再生SBS改性瀝青疲勞性能可以采用25 ℃彈性恢復率指標作為關鍵指標。另外，從指標的相關性上可以看出： SBS改性劑的有效補充才是疲勞性能恢復的關鍵，因此今后應從此處著手，研究提高再生SBS改性瀝青的疲勞性能，以提高再生SBS改性瀝青路面的耐久性。

4 結論

(1)與新SBS改性瀝青針入度等級、舊SBS改性瀝青老化程度相比，舊SBS改性瀝青摻量是影響再生SBS改性瀝青疲勞壽命的顯著性因素，在摻量達到35%及以上時，再生SBS改性瀝青的疲勞壽命恢復效果較差。若不采取有效的改善策略，從耐久性的角度建議舊SBS改性瀝青摻量不超過35%。

(2)添加再生劑提高新SBS改性瀝青針入度等級，雖然可以軟化舊SBS改性瀝青，降低再生SBS改性瀝青的復數模量，但對疲勞性能改善作用較小。

(3)中國SBS改性瀝青再生以針入度指標恢復為主要目標，但其與疲勞性能關聯性較差，而彈性恢復指標與再生SBS改性瀝青疲勞壽命的關聯性最好，建議將彈性恢復指標作為篩選新SBS改性瀝青以及評價再生SBS改性瀝青疲勞性能的辨識性指標。