泡沫溫拌再生瀝青抗疲勞性能

張黎紅，羅有權，董則軍，張新民，王 娟

(1.云南省交通規劃設計研究院，云南 昆明 650011；2.揚州大學 水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009)

泡沫溫拌再生瀝青抗疲勞性能

張黎紅1，羅有權1，董則軍1，張新民1，王 娟2

(1.云南省交通規劃設計研究院，云南 昆明 650011；2.揚州大學 水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009)

為了研究回收瀝青摻量對泡沫溫拌再生瀝青抗疲勞性能的影響，采用三大指標試驗、動態剪切流變試驗和掃描電鏡試驗，測試了不同回收瀝青摻量下的泡沫溫拌再生瀝青抗疲勞性能的變化。試驗結果表明：隨著回收瀝青摻量的增加，泡沫溫拌再生瀝青的疲勞因子和極限疲勞溫度值逐漸增大，疲勞壽命值不斷減小，抗疲勞性能不斷變差；當回收瀝青摻量大于等于60%(質量分數)時，泡沫溫拌再生瀝青的抗疲勞能力顯著變差?；厥諡r青使泡沫溫拌再生瀝青的表面由光滑細膩逐漸變為清晰的褶皺，剛性增強。

泡沫溫拌瀝青；溫拌再生；抗疲勞性能

0 引言

近年來，國內外學者對于溫拌再生瀝青技術已進行了一些相關研究。文獻[1]研究發現溫拌再生瀝青技術能夠提高瀝青混合料的疲勞性能和路用性能。文獻[2]利用凝膠滲透色譜(gel permeation chromatography，GPC)和傅里葉轉換紅外線光譜(Fourier transform infrared spectroscopy，FT-IR)研究了回收瀝青的混合狀況，發現兩種瀝青不是完全均勻混合的。原樣瀝青在滲透到再生瀝青混合料(reclaimed asphalt pavement，RAP)的瀝青中時，其大分子的質量分數提高。文獻[3]研究了回收瀝青摻量(質量分數)分別為20%、30%、40%和50%時，RAP中的溫拌再生瀝青在3個老化階段的流變性能，發現回收瀝青會降低溫拌再生瀝青膠結料的疲勞性能。文獻[4]通過對RAP摻量為40%(質量分數)的溫拌再生瀝青混合料路用性能的研究，發現RAP摻量增加會降低混合料的低溫性能和疲勞性能。文獻[5]研究了溫拌再生瀝青混合料(RAP摻量為45%，質量分數)后的疲勞性能，研究結果表明：溫拌再生瀝青混合料的疲勞性能比常規熱拌瀝青的差，但是比熱再生瀝青混合料要好，并且溫拌再生瀝青混合料的疲勞作用次數是熱拌再生瀝青混合料的1.5倍。

目前的研究主要針對添加溫拌劑的溫拌再生技術，而對泡沫溫拌再生瀝青抗疲勞性能的研究卻并不多見，回收瀝青對泡沫溫拌再生瀝青疲勞性能影響如何亦不明確。因此，本文采用動態剪切流變試驗所得的極限疲勞溫度和疲勞壽命，對泡沫溫拌再生瀝青(回收瀝青摻量分別為0%、20%、40%、60%和80%，質量分數，下同)的抗疲勞性能進行了評價，并采用掃描電鏡從微觀角度觀察回收瀝青摻量對泡沫溫拌再生瀝青的影響，從而為泡沫溫拌再生技術的實際應用提供指導。

1 試驗材料與方法

通過離心抽提、礦粉沉淀和旋轉蒸發器法[6-7]回收使用6年左右的舊瀝青路面膠結料，對所回收的瀝青膠結料進行性能測試，基本技術指標如表1所示。

表1 回收瀝青的基本技術指標

泡沫溫拌瀝青的制備選用70#道路石油瀝青作為基質瀝青，其基本性能指標如表2所示。采用德國維特根WLB 10型瀝青發泡試驗機，在145 ℃發泡溫度、1.5%發泡用水量(質量分數)和25 ℃發泡水溫的條件下制得泡沫溫拌瀝青。

表2 基質瀝青的基本性能指標

在高性能瀝青路面規范中，瀝青膠結料抗疲勞性能，采用經過旋轉薄膜烘箱和壓力老化儀老化后的G*·sinδ值作為評價指標，并要求G*·sinδ值不超過5 MPa[8-9]。同時，剪切模量G*也是瀝青老化后性能的評價指標，采用剪切模量衰減到初始值的50%作為疲勞壽命Nf 50，評價泡沫溫拌再生瀝青的抗老化性能[10-11]。

瀝青的短期老化采用旋轉薄膜烘箱進行試驗，試驗按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的T0610-2011試驗方法進行。長期老化采用標準的壓力老化容器(pressurized aging vessel,PAV)進行老化試驗，試驗條件：壓力為2.1 MPa、溫度為90 ℃、時間為20 h。動態剪切流變試驗采用美國TA-AR1500EX型動態剪切流變儀(dynamic shear rheometer，DSR)進行，試驗方法和步驟按照AASHTO T315規范的要求進行。

掃描電子顯微鏡可以對兩種材料融合后的微觀狀態進行定性評價。本次試驗采用KYKY-2000型掃描電子顯微鏡研究回收瀝青摻量對泡沫溫拌再生瀝青狀態的影響，從微觀角度探究泡沫溫拌再生瀝青的抗疲勞性能。

2 試驗結果與分析

2.1 瀝青三大指標

在對泡沫溫拌再生瀝青的疲勞性能進行評價之前，先對不同回收瀝青摻量(質量分數分別為0%、20%、40%、60%和80%，下同)的泡沫溫拌再生瀝青膠結料試樣進行三大指標(軟化點、延度、針入度)測試，試驗結果見表3。

表3 泡沫溫拌再生瀝青的三大指標測試結果

從表3可以看出：隨著回收瀝青摻量的增加，泡沫溫拌再生瀝青的軟化點值越來越高，增幅逐漸增大，且當回收瀝青摻量達到80%時，泡沫溫拌再生瀝青的軟化點值達到68.6 ℃，其高溫性能明顯改善。而泡沫溫拌再生瀝青的低溫延度值和針入度值呈現逐漸減小趨勢，表明其低溫性能和溫度敏感性能逐漸降低。在回收瀝青摻量小于60%時，泡沫溫拌再生瀝青在15 ℃條件下的延度值仍然可以滿足規范(不低于100 cm)的要求。分析其原因，由于回收瀝青已經老化，瀝青質含量較多，導致其彈性減弱。而瀝青質較硬，它的存在可改善瀝青的高溫性能，但瀝青質含量過多，會使瀝青的延度大大減少，易于脆裂。所以當回收瀝青的摻量逐漸增加時，整個泡沫溫拌再生瀝青體系的剛性增強，變的“脆而硬”，其軟化點和針入度值逐漸升高；同時整個泡沫溫拌再生瀝青體系的彈性和韌性降低，在受力時容易斷裂，所以其延度逐漸減小，低溫抗裂性能變差。

2.2 極限疲勞溫度

對不同回收瀝青摻量條件下的泡沫溫拌再生瀝青膠結料試樣，進行了旋轉薄膜烘箱及壓力老化容器老化后的疲勞因子G*·sinδ測試，建立疲勞因子對數值 lg (G*·sinδ)-溫度T關系圖，見圖1。表4為圖1中數據擬合所得的回歸方程。

圖1 泡沫溫拌再生瀝青lg (G*·sin δ)-T關系圖

回收瀝青摻量/%回歸方程相關系數0y=-0.0657x+4.9890R2=0.997520y=-0.0638x+5.2609R2=0.996640y=-0.0608x+5.4106R2=0.997960y=-0.0530x+5.5142R2=0.997280y=-0.0550x+5.6922R2=0.9978

根據表4中擬合的回歸方程，計算疲勞因子G*·sinδ=5.0 MPa時的溫度，即可以得到泡沫溫拌再生瀝青的極限疲勞溫度FTf。FTf計算結果如表5所示。

表5 泡沫溫拌再生瀝青的極限疲勞溫度FTf值

由圖1可看出：隨著回收瀝青摻量的增加，泡沫溫拌再生瀝青的疲勞因子逐漸增大。從表5中數據可以看出：泡沫溫拌再生瀝青的極限疲勞溫度值也隨著回收瀝青摻量的增加而逐漸增大，表明泡沫溫拌再生瀝青的抗疲勞性能不斷變差；當回收瀝青摻量為60%和80%時，泡沫溫拌再生瀝青的極限疲勞溫度值的增加明顯，增幅分別為74.4%和84.5%，表明泡沫溫拌再生瀝青的抗疲勞能力有顯著變差跡象。

圖2 泡沫溫拌再生瀝青G*與荷載作用次數的關系

2.3 疲勞壽命

對不同回收瀝青摻量條件下的泡沫溫拌再生瀝青膠結料試樣在應力(0.4 MPa)控制模式下，采用動態剪切流變儀進行15 ℃的時間掃描[12-13]，得到復數剪切模量G*與荷載作用次數的關系,如圖2所示。并采用復數剪切模量衰減到初始值50%的Nf 50作為其疲勞性能的評價指標。

根據表4和圖2可以得出不同回收瀝青摻量下泡沫溫拌再生瀝青的疲勞性能評價指標Nf 50，具體結果如表6所示。

表6 泡沫溫拌再生瀝青的Nf 50值

從表6中數據可以看出：隨著回收瀝青摻量的增加，泡沫溫拌再生瀝青的疲勞性能評價指標Nf 50值在不斷減小，且其減幅在不斷增大，表明泡沫溫拌再生瀝青的疲勞性能在逐漸變差。當回收瀝青的摻量為60%和80%時，Nf 50值的減幅分別為68.74%和80.57%，泡沫溫拌再生瀝青的疲勞壽命顯著減小，抗疲勞性能明顯變差。因此，從疲勞性能角度考慮，回收瀝青的摻量宜小于60%。

2.4 微觀組織

對不同回收瀝青摻量條件下的泡沫溫拌再生瀝青膠結料試樣進行了電鏡掃描，掃描結果如圖3所示。

圖3 泡沫溫拌再生瀝青電鏡掃描結果(100 μm)

由圖3可知：泡沫溫拌再生瀝青表面既有未破壞的殘留水泡，也有泡沫破滅后形成的坑洼或小洞痕跡。當未摻加回收瀝青或摻量較少時(摻量0%和20%)，泡沫溫拌瀝青表面較為光滑細膩。隨著回收瀝青摻量的增加，可以發現泡沫溫拌再生瀝青表面出現褶皺，且回收瀝青摻量越多褶皺越清晰，當回收瀝青摻量過多時(摻量60%和80%)，泡沫溫拌再生瀝青表面的褶皺明顯增多，已經形成不規則的凹凸起伏狀。分析其原因，泡沫溫拌再生瀝青表面的褶皺及不規則的坑洞起伏是由瀝青組分失調導致的，泡沫溫拌再生瀝青作為一個膠體分散體系，由于其中的回收瀝青老化較為嚴重，在長期的氧化過程中，回收瀝青可溶質中的飽和分、芳香分和膠質逐漸縮合形成瀝青質，使體系中瀝青質的含量增多。而飽和分和芳香分作為瀝青中的軟組分，起塑化劑的作用；瀝青質是硬組分，在瀝青中起稠化劑的作用。瀝青質的增多使泡沫溫拌再生瀝青整個體系硬化，所以，隨著回收瀝青摻量的增加，泡沫溫拌再生瀝青由“軟而柔”逐漸變得“剛而脆”，其抗疲勞性能不斷變差。

3 結論

(1)隨著回收瀝青摻量的增加，泡沫溫拌再生瀝青的抗疲勞性能不斷變差；當回收瀝青摻量為60%和80%時，泡沫溫拌再生瀝青的抗疲勞能力有顯著變差跡象。

(2)隨著回收瀝青摻量的增加，疲勞性能評價指標Nf 50不斷減小，表明泡沫溫拌再生瀝青的抗疲勞性能在逐漸變差。當回收瀝青的摻量為60%和80%時，泡沫溫拌再生瀝青的疲勞壽命顯著減小，抗疲勞性能明顯變差。

(3)由于回收瀝青老化，瀝青質含量較多，回收瀝青的摻加使得泡沫溫拌再生瀝青表面由光滑細膩逐漸變為有清晰的褶皺，當回收瀝青摻量為60%和80%時，泡沫溫拌再生瀝青表面已經形成不規則的凹凸起伏狀。泡沫溫拌再生瀝青由“軟而柔”逐漸變得“剛而脆”。

(4)綜合考慮各項試驗結果，建議回收瀝青在泡沫溫拌再生瀝青中的摻量小于60%。

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江蘇省自然科學青年基金項目(BK20160471)

張黎紅(1972-),男,云南昆明人,高級工程師,主要研究方向為公路勘察設計.

2016-09-05

1672-6871(2017)02-0059-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2017.02.011

U414.1

A