基于SBS改性瀝青特征指標(biāo)的多次再生評(píng)價(jià)

鄒桂蓮，鄢 然，張 陳

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510641)

基于SBS改性瀝青特征指標(biāo)的多次再生評(píng)價(jià)

鄒桂蓮，鄢 然，張 陳

(華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510641)

為更好地對(duì)回收的SBS改性瀝青路面材料進(jìn)行循環(huán)利用，采用延度、彈性恢復(fù)率、黏度、黏韌性等特征性指標(biāo)對(duì)改性瀝青多次老化再生效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:隨著老化與再生次數(shù)增多，各指標(biāo)對(duì)老化與再生的敏感性不同，延度、韌性指標(biāo)最敏感;多次老化再生的效果逐漸變差，典型的流變特性逐漸喪失，建議對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行3次以上再生時(shí)，可考慮將之作為老化的普通瀝青使用。

SBS改性瀝青;多次再生;效果評(píng)價(jià);特征指標(biāo)

1 試驗(yàn)材料與研究方法

1．1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用某國(guó)產(chǎn)品牌SBS(I-D)改性瀝青，主要性能指標(biāo)如表1所示。再生劑技術(shù)指標(biāo)如表2所示，其滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG F41—2008)的相關(guān)要求。

表1 SBS改性瀝青主要技術(shù)指標(biāo)

表2 再生劑主要技術(shù)指標(biāo)

1．2 老化方法與再生劑摻量

研究采用室內(nèi)模擬老化試驗(yàn)對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行老化，這種方式獲得的老化瀝青性能穩(wěn)定、易于操作、可重復(fù)性好。大量研究表明，旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱能夠很好地模擬施工過程的老化，再經(jīng)過壓力老化容器(PAV)老化后，瀝青的老化程度相當(dāng)于路面使用5～8年。

研究表明，再生劑對(duì)瀝青各技術(shù)指標(biāo)的恢復(fù)不是同步的，因此以25℃針入度恢復(fù)至原樣瀝青水平來確定再生劑的摻量(表3)。再生劑摻量為9%(占瀝青的質(zhì)量百分?jǐn)?shù))時(shí)老化后瀝青針入度水平恢復(fù)到與原樣瀝青相當(dāng)，故選定9%為再生劑摻量，后續(xù)的二次再生、三次再生均采用相同的再生劑摻量以便對(duì)比分析。

2 多次再生對(duì)針入度的影響

中國(guó)采用針入度分級(jí)體系評(píng)價(jià)瀝青，針入度反映的是一種條件黏度，針入度指數(shù)反映瀝青的感溫特性。本試驗(yàn)中SBS改性瀝青多次老化及再生后的針入度及針入度指數(shù)如表4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著老化與再生次數(shù)增多，瀝青越來越難以完全恢復(fù)到老化前的針入度水平，再生效果越來越差，瀝青越來越硬，感溫性隨之降低。

3 多次再生對(duì)延度的影響

延度反映瀝青在受到外力拉伸作用時(shí)的塑性變形能力。規(guī)范中規(guī)定測(cè)試SBS改性瀝青延度的溫度為5℃，但多次深度老化使得瀝青延展性迅速下降，難以測(cè)定5℃延度，因此將試驗(yàn)溫度提升至10℃，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從表5可見，隨著再生次數(shù)增加，瀝青延度逐漸下降，而延度與瀝青的低溫性能相關(guān)，延度下降，瀝青變脆，低溫性能變差［18］。延度指標(biāo)對(duì)老化與再生很敏感，一次老化與再生已經(jīng)使延度迅速下降。

表3 再生前后瀝青的針入度和軟化點(diǎn)

表4 針入度試驗(yàn)結(jié)果

4 多次再生對(duì)彈性恢復(fù)性能的影響

彈性恢復(fù)率是反映SBS改性瀝青的特征性指標(biāo)之一，與SBS改性瀝青抵抗永久變形能力密切相關(guān)。作為典型的流變材料，SBS改性瀝青受力產(chǎn)生變形，外力撤銷后，將產(chǎn)生瞬時(shí)彈性恢復(fù)、延遲彈性恢復(fù)以及不可恢復(fù)的永久變形。彈性恢復(fù)試驗(yàn)是檢測(cè)瀝青流變特性的方法，但具體試驗(yàn)規(guī)程各國(guó)有所不同:德國(guó)、法國(guó)是將SBS改性瀝青拉伸20 cm后10 s時(shí)剪斷，測(cè)定30 min恢復(fù)率;美國(guó)的AASHTO 301-95是在拉伸20 cm并持載5 min后剪斷，測(cè)定1 h的恢復(fù)率;ASTM D 6084-97以及中國(guó)的現(xiàn)行規(guī)程采用拉伸10 cm后立即剪斷，測(cè)定1 h的恢復(fù)率。為更好地反映SBS改性瀝青的流變特性，本研究設(shè)計(jì)的延性測(cè)試方法為:在25℃下將瀝青試件拉伸至10 cm后，保持10 min再剪斷，測(cè)試瀝青試件剪斷后各時(shí)間點(diǎn)的彈性恢復(fù)率，如果試件在持載等待時(shí)間內(nèi)斷裂，則從斷裂時(shí)開始計(jì)時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。試驗(yàn)中，二次老化樣品在拉至10 cm并保持3 min后自行斷裂，三次老化樣品在拉伸過程中已斷裂，說明瀝青持載能力越來越差。試驗(yàn)結(jié)果表明，卸載剪斷后SBS改性瀝青的前10 min主要體現(xiàn)瞬時(shí)彈性恢復(fù)能力，10 min后彈性恢復(fù)逐漸減緩，主要體現(xiàn)延遲彈性恢復(fù)特性。老化對(duì)SBS改性瀝青的彈性恢復(fù)率影響顯著，一次老化后彈性恢復(fù)率下降最明顯，隨著老化次數(shù)的增加，彈性恢復(fù)率越來越小，但是下降趨勢(shì)減緩。一次再生后彈性恢復(fù)率的恢復(fù)明顯，與原樣瀝青差別不顯著，但是二次、三次再生后，恢復(fù)能力逐漸下降;二次再生SBS改性瀝青的瞬時(shí)彈性恢復(fù)能力損失較小，但是延遲彈性回復(fù)能力下降明顯;三次再生后，SBS改性瀝青的瞬時(shí)彈性恢復(fù)能力以及延遲彈性恢復(fù)能力均顯著持續(xù)下降。這說明隨著老化程度加深，SBS改性瀝青中有效的彈性成分越來越少，而流變特性的改變必將影響路面抵抗永久變形的能力。

表5 延度試驗(yàn)結(jié)果

圖1 老化再生次數(shù)與恢復(fù)時(shí)間對(duì)彈性恢復(fù)率的影響

5 多次再生對(duì)瀝青黏韌性的影響

黏韌性是改性瀝青的特征性指標(biāo)之一，用以評(píng)價(jià)改性瀝青的黏結(jié)力和握裹力。SBS改性瀝青具有較大的黏韌性，尤其是較大的韌性。韌性反映了內(nèi)聚黏結(jié)強(qiáng)度，韌性部分越大，凝聚力越大，材料在荷載作用下抵抗剪切變形的能力越強(qiáng)，高溫性能越好。另一方面，韌性越大，材料發(fā)生破壞時(shí)需要消耗的能量越大，因而材料的疲勞性能越好。多次老化再生SBS改性瀝青的黏韌性試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明:老化對(duì)SBS改性瀝青的黏韌性影響較大，隨著老化次數(shù)的增加黏韌性迅速下降，其中韌性下降更加明顯;再生后，黏韌性有所恢復(fù)，但韌性部分恢復(fù)較小;三次老化與再生后，改性瀝青的韌性部分幾乎消失。

表6 黏韌性試驗(yàn)結(jié)果

圖2是SBS改性瀝青與70#普通瀝青的荷載變形曲線，可見SBS改性瀝青具有明顯的韌性部分，70#普通瀝青則接近于針形，幾乎沒有韌性部分，主要體現(xiàn)為黏性。

圖3為二次老化與再生后的SBS改性瀝青的黏韌性試驗(yàn)結(jié)果。從圖3可以看出，二次老化后SBS改性瀝青的韌性消失，二次再生后黏韌性得到一些恢復(fù)，但是韌性部分已經(jīng)不明顯，隨著三次老化與再生，曲線形態(tài)基本與70#普通瀝青一致，呈針狀，沒有明顯的韌性部分［19］。

圖2 SBS改性瀝青與70#基質(zhì)瀝青荷載變形曲線

圖3 SBS改性瀝青二次老化與二次再生荷載變形曲線

6 多次再生對(duì)瀝青黏度的影響

黏度是反映瀝青流變性能的重要指標(biāo)，60℃黏度與瀝青在工作溫度范圍內(nèi)的高溫抗車轍能力相關(guān)聯(lián)，而高溫黏度可以反映瀝青的泵送性能與施工和易性，一般采用135℃作為測(cè)試溫度［20］。本文采用毛細(xì)管動(dòng)力黏度與Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)分別測(cè)定SBS瀝青多次老化及再生前后的60℃黏度與100℃以上的高溫黏度。試驗(yàn)結(jié)果表明，原樣瀝青的60℃動(dòng)力黏度為16206 Pa·s，一次老化后黏度增大為48倍，達(dá)到776880 Pa·s，一次再生后黏度恢復(fù)至100347 Pa·s，是原樣瀝青的6倍多，瀝青老化性能得到明顯恢復(fù)，但無法恢復(fù)至原有黏度水平。高溫黏度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，SBS改性瀝青黏度隨著老化次數(shù)增加而增加，第三次老化后瀝青的黏溫曲線要明顯高于二次老化和一次老化瀝青的黏溫曲線;隨著再生次數(shù)增加，高溫黏度指標(biāo)的恢復(fù)效果變差，一次再生黏度恢復(fù)較好，二次再生的黏度恢復(fù)效果顯著下降，三次再生黏度恢復(fù)最不顯著，說明多次老化后的SBS改性瀝青與再生劑的相容性越來越差。

圖4 多次老化與再生對(duì)高溫黏度的影響

7 結(jié)語

本文通過針入度指標(biāo)確定再生劑用量，然后采用延度、彈性恢復(fù)率、黏度、黏韌性等指標(biāo)對(duì)SBS改性瀝青的多次老化與再生效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要結(jié)論如下。

(1)隨著老化與再生次數(shù)增多，瀝青越來越難以完全恢復(fù)到老化前的技術(shù)指標(biāo)水平，但是各指標(biāo)的敏感程度不一，其中延度、黏韌性、韌性指標(biāo)對(duì)老化影響最敏感，一次老化后迅速下降，一次再生的效果表現(xiàn)不佳。針入度、黏度、彈性恢復(fù)率指標(biāo)雖然也隨著老化次數(shù)與再生次數(shù)增多越來越差，但第一次再生指標(biāo)恢復(fù)效果較好，針入度以及針入度指數(shù)的顯著下降發(fā)生在第三次老化與再生。

(2)SBS改性瀝青一次再生后彈性恢復(fù)明顯，與原樣瀝青差別不顯著，但是二次再生、三次再生后，恢復(fù)能力逐漸下降，二次再生SBS改性瀝青的瞬時(shí)彈性恢復(fù)能力損失較小，而延遲彈性回復(fù)能力下降明顯，三次再生后，SBS改性瀝青的瞬時(shí)彈性恢復(fù)能力以及延遲彈性恢復(fù)能力均顯著持續(xù)下降。

(3)隨著再生次數(shù)增加，高溫黏度指標(biāo)的恢復(fù)效果變差，一次再生黏度恢復(fù)較好，二次再生的黏度恢復(fù)效果顯著下降，三次再生黏度恢復(fù)最不顯著，說明多次老化后的SBS改性瀝青與再生劑的相容性越來越差，施工和易性與碾壓特性將受到負(fù)面影響。

(4)SBS瀝青多次老化再生的效果逐漸變差，SBS典型的流變特性逐漸喪失，總體而言，一次、二次再生指標(biāo)恢復(fù)相對(duì)較好，三次再生指標(biāo)已經(jīng)顯著衰減，因此建議對(duì)SBS改性瀝青進(jìn)行三次或三次以上的再生時(shí)可考慮將之作為老化的普通瀝青進(jìn)行應(yīng)用。

研究中，瀝青與再生劑的混合充分，但在實(shí)際工程中，舊SBS瀝青混合料與再生劑得不到如此充分的混合，因此再生效果將進(jìn)一步下降，后續(xù)將通過老化的瀝青膠砂以及瀝青混合料進(jìn)一步評(píng)價(jià)SBS改性瀝青的多次再生效果。

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Evaluation of Effect of Repeated Recycling on Properties of SBS Modified Asphalt

ZOU Gui-lian，YAN Ran，ZHANG Chen
(School of Civil Engineering and Transportation，South China University of Technology，Guangzhou 510641，Guangdong，China)

In order to better recycle SBS modified asphalt pavement materials，the effects of repeated aging and recycling on the modified asphalt were evaluated by the characteristic indices such as ductility，elastic recovery rate，viscosity and tenacity．The results show that with the increase of the times of aging and recycling，the sensitivity of each index differs，and the ductility and tenacity were the most sensitive;the effect of repeated recycling gradually deteriorates，and the typical rheological properties are gradually lost．It is recommended that SBS asphalt which has been recycled for more than three times should be regarded as ordinary aged asphalt．

SBS modified asphalt;repeated recycling;effect evaluation;characteristic index

U414．03

B

1000-033X(2017)09-0059-05

0 引 言

目前，國(guó)內(nèi)首批大規(guī)模使用SBS改性瀝青鋪筑的瀝青路面已經(jīng)使用超過20年，2000年后大量鋪筑的SBS改性瀝青路面也已使用十幾年，這些路面已經(jīng)進(jìn)入大修、重建階段，這將產(chǎn)生大量的廢舊SBS改性瀝青路面材料。為更好地對(duì)材料進(jìn)行循環(huán)利用，研究SBS改性瀝青的再生及多次再生機(jī)理與效果具有重要意義［1-3］。

國(guó)外對(duì)SBS改性瀝青再生機(jī)理與效果開展了大量的研究［4-7］，但是結(jié)論并不統(tǒng)一，有研究認(rèn)為老化過程使得SBS改性劑明顯降解，再生并不能恢復(fù)改性瀝青的特有性質(zhì)，再生SBS改性瀝青混合料抗疲勞能力較差;也有研究認(rèn)為，通過對(duì)老化SBS改性瀝青進(jìn)行再生試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)老化SBS改性瀝青性能得到恢復(fù)，SBS改性瀝青再生是可行的。國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者與道路工作者也相繼開展了SBS改性瀝青及其混合料的再生性與機(jī)理研究［8-12］，有學(xué)者認(rèn)為通過恰當(dāng)?shù)姆绞娇梢詫?shí)現(xiàn)SBS改性瀝青的完全再生;也有研究認(rèn)為再生劑對(duì)SBS改性瀝青的再生效果不佳，再生SBS改性瀝青的耐久性與低溫性能較差［13-17］。本文采用針入度、延度、彈性恢復(fù)率、黏度、黏韌性等指標(biāo)評(píng)價(jià)SBS改性瀝青的多次老化與再生恢復(fù)效果。

2017-03-04

國(guó)家科技支撐課題項(xiàng)目(2014BAC07B01)

鄒桂蓮(1971-)，女，黑龍江牡丹江人，博士，教授，研究方向?yàn)榈缆凡牧?、路面工程、橋面鋪裝等。

［責(zé)任編輯:高 甜］