老化瀝青摻量對溫拌再生瀝青流變性能的影響研究

作者簡介：吳尚駿（1992—），工程師，研究方向：道路與橋梁施工技術。

摘要：為探究老化瀝青摻量對溫拌再生瀝青流變性能的影響，文章在室內制備不同老化瀝青摻量的普通再生瀝青和溫拌再生瀝青基礎上，對各類再生瀝青的布氏旋轉黏度、車轍因子G^*/sin δ、蠕變勁度S和蠕變速率m等流變學指標變化進行對比分析。結果表明：無論是普通再生瀝青還是溫拌再生瀝青，老化瀝青的摻量增加有助于維持瀝青施工性能的穩定及高溫性能的顯著提升，但對低溫性能會有所削弱；相較于普通再生瀝青，溫拌再生瀝青由于溫拌劑的加入會造成施工性能、高溫性能及低溫性能下降。

關鍵詞：老化瀝青摻量；溫拌再生瀝青；流變性能

中圖分類號：U416.03A220723

0 引言

近年來，雖然高速公路養護行業越來越提倡“預防性養護”的工作理念，但不可否認的是，傳統的銑刨舊瀝青路面后加鋪新瀝青路面層仍是現階段高速公路瀝青路面最主流的養護方式之一。基于現今我國公路建設規模，這種養護方式下會產生規模巨大的廢舊瀝青混合料（RAP），同時也將造成嚴重的能源和環境壓力。廠拌熱再生是當前消納RAP最主流的應用方式，其主要特點是質量穩定、性能可靠及應用規模大。但廠拌熱再生需要較高的施工溫度，而這不僅會造成RAP的老化，同時也將造成巨大的燃料消耗以及有害氣體的排放^［1-2］。溫拌技術可以實現瀝青混合料施工溫度的顯著降低，同時減少施工溫度對RAP老化的影響，并同步減少有害氣體排放以及能源的消耗。在當前國家不斷推進“碳中和、碳達峰”的發展背景下，溫拌再生技術也開始得到更多關注^［3-4］。

目前溫拌再生技術仍處于初期推廣應用階段，研究重點普遍集中在混合料路用性能表現上，而對溫拌再生瀝青的深層作用機理關注較少，特別是對摻入不同老化瀝青摻量下的性能變化更缺乏了解。基于實際應用需要，本文從流變學角度對溫拌再生瀝青在不同老化瀝青摻量下的性能變化進行比較分析，以期為后期溫拌再生技術的高質量推廣應用提供參考。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

（1）瀝青：老化瀝青原材料和新瀝青采用廣東茂名石化產的90^#基質瀝青作為原材料，相關性能指標參數如表1所示。

（2）溫拌劑：采用的是合成蠟類溫拌劑，該溫拌劑以聚乙烯蠟為主，其物理狀態呈現白色粉末狀，主要物理特性如表2所示。

1.2 溫拌再生瀝青的制備

現有RAP往往存在料源不穩定、成分較復雜的情況，考慮到溫拌再生瀝青試驗的穩定性要求，老化瀝青統一在室內制備。將新的基質瀝青與不同摻量的老化瀝青通過普通熱攪拌工藝制備成普通再生瀝青，而溫拌再生瀝青則是通過將溫拌劑加入到普通再生瀝青中利用高速剪切后制備獲得。考慮到現階段RAP較為成熟的應用規模是以50%的摻量比例為主，因此老化瀝青摻入量集中設置在30%～50%，具體制備工序及相應加工條件如表3所示。

1.3 試驗方案

各類再生瀝青的流變性能測試方案如表4所示，所涉及的試驗步驟參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2014）》中相關試驗要求執行。

2 試驗結果分析

2.1 施工性能分析

瀝青的黏度是評價瀝青泵送能力以及混合料施工和易性的關鍵指標。美國SHRP標準中提出可以采用布氏旋轉黏度作為對瀝青施工性能優劣好壞的評價依據。本文通過測定不同老化瀝青摻量下再生瀝青在135 ℃下的布氏旋轉黏度來評價其施工性能變化，具體結果如圖1所示。

如圖1所示，各類再生瀝青均滿足135 ℃布氏旋轉黏度≤3 Pa·s的規范要求。老化瀝青摻量增加會導致再生瀝青的布氏旋轉黏度有所增加，普通再生瀝青黏度的增幅無明顯規律，每增加5%老化瀝青摻量，其黏度分別增加8%、3%、4%和3%，而溫拌再生瀝青黏度的增幅較為穩定，每增加5%的老化瀝青摻量其黏度會增加約2%。在同一老化瀝青摻量條件下，相較于普通再生瀝青，溫拌再生瀝青的黏度出現了明顯下降，下降比率集中在22%～28%，老化瀝青摻量增多會加劇黏度下降比率的增大。這主要是因為選用的溫拌劑具備一定的降黏作用，溫拌劑在熱剪切作用下能夠很好地與老化瀝青融合形成網狀結構進而降低黏度，老化瀝青摻量越多這種降黏效果會越明顯，有助于增加瀝青混合料的施工和易性以及降低施工溫度。

2.2 高溫性能分析

瀝青在不同溫度下的車轍因子G^*/sin δ可以通過動態剪切流變試驗獲得，該指標可以從流變學角度評價瀝青材料高溫抗變形能力。本文通過對各類再生瀝青進行動態剪切流變試驗，采用溫度掃描求得不同溫度下的車轍因子G^*/sin δ變化，相關試驗結果匯總如圖2所示。

從圖2可以看出，當溫度從低到高進行掃描，不同類型的再生瀝青車轍因子G^*/sin δ均逐漸減小。這說明瀝青的高溫抗永久變形能力在溫度升高的情況下逐漸減弱，這主要是由瀝青作為粘彈性材料所決定的。在溫度升高的情況下，瀝青的抗變形能力由可恢復的彈性變形逐漸變為不可恢復的塑性變形。對所有再生瀝青而言，老化瀝青摻量的增加會導致車轍因子G^*/sin δ升高，這表示老化瀝青摻量增加有助于促進再生瀝青高溫性能的提升。老化瀝青維持在同一摻量情況下，相較于普通再生瀝青，溫拌再生瀝青的車轍因子G^*/sin δ更小，這說明溫拌劑造成了再生瀝青高溫性能的損失。

規范中規定未老化瀝青的車轍因子G^*/sin δ要滿足≥1 kPa的限定要求，而滿足該條件時相對應的溫度則為該瀝青材料的臨界溫度。本文通過對不同老化瀝青摻量下的再生瀝青臨界溫度變化進行高溫性能變化的定量分析，如圖3所示，隨著老化瀝青摻量增加，再生瀝青的臨界溫度會不斷升高，在同一老化瀝青摻量條件下，溫拌再生瀝青的臨界溫度較普通再生瀝青下降了約5%。

2.3 低溫性能分析

蠕變勁度S和蠕變速率m是材料在低溫條件下進行彎曲梁流變試驗而獲得的流變指標，兩項指標可綜合評價材料的低溫抗裂性能。本文通過對各類再生瀝青進行-12 ℃條件下的低溫彎曲梁流變試驗，結果匯總如圖4所示。

規范對材料蠕變勁度S的上限值和蠕變速率m的下限值分別為300 MPa和0.3。從圖4結果來看，各類再生瀝青均滿足規范的低溫性能使用要求。就指標的變化趨勢而言，各類再生瀝青在老化瀝青摻量增加的情況下，蠕變勁度S整體較為平穩，但蠕變速率m出現較為明顯的下降。材料具備較小的蠕變勁度S和較大的蠕變速率m，可以有效消納材料自身因低溫產生的收縮應力。而再生瀝青蠕變速率m變小說明材料已不具備良好的應力松弛能力，性能表現上即反映為整體的低溫抗裂性能變弱。在同一老化瀝青摻量條件下，相較溫拌再生瀝青，普通再生瀝青具備更小的蠕變勁度S和更大的蠕變速率m，也就是說溫拌劑的加入導致再生瀝青低溫性能出現了衰減。相關研究結果認為，蠕變勁度S與蠕變速率m的比值可用于材料低溫抗裂性能的定量評價，本文引入該指標對低溫抗裂性能的衰減程度進行定量分析^［5］。以30%老化瀝青摻量的再生瀝青為例，普通再生瀝青在摻加溫拌劑后的S/m值下降了29%，其他摻量的普通再生瀝青在摻加溫拌劑后，S/m值普遍下降了27%～29%。這主要是因為采用的是以蠟為主要成分的溫拌劑，溶解在瀝青中的溫拌劑在低溫條件下又會重新結晶析出，材料會因此變脆變硬，進而引起低溫抗裂性能的衰減。

3 結語

（1）無論是普通再生瀝青還是溫拌再生瀝青，老化瀝青摻量增加會導致135 ℃布氏旋轉黏度略微增加，車轍因子G^*/sin δ和臨界溫度明顯提升，蠕變勁度S較為穩定，而蠕變速率m明顯減小。這說明老化瀝青含量增加有利于保證再生瀝青的施工性能，對提高高溫性能有積極促進作用，但對于低溫性能有負面影響。

（2）相較于普通再生瀝青，溫拌再生瀝青在135 ℃布氏旋轉黏度、車轍因子G^*/sin δ、臨界溫度及蠕變速率m等流變指標均出現明顯下降，而蠕變勁度S則會明顯提升，這說明溫拌劑的加入對再生瀝青的施工性能、高溫性能及低溫性能均會產生負面影響。

（3）不同類型的溫拌劑具備不同的作用機理，本文主要是針對有機降黏型溫拌劑進行相關研究，當采用其他類型溫拌劑時，應當針對老化瀝青摻量影響重新進行綜合試驗分析。

參考文獻

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