基于霧封層技術分析再生瀝青的感溫性*

雷正陽 汪福松 常郗文

(1.廣東省南粵交通揭惠高速公路管理中心 揭陽 515325； 2.武漢理工大學材料科學與工程學院 武漢 430070)

隨著我國道路交通建設事業(yè)的飛速發(fā)展，截止2016年年底，我國公路總里程已達469.63萬km，公路養(yǎng)護里程459.00萬km，占公路總里程97.7%[1]。瀝青路面由于具有行車平穩(wěn)舒適、低噪音、易施工維護等優(yōu)點而被廣泛應用，但在各種復雜環(huán)境、氣候條件、交通荷載等因素的影響下，瀝青路面不可避免地出現(xiàn)了各類病害，導致其各項路用性能及服役壽命大打折扣。

應用于瀝青路面工程的預養(yǎng)護技術中，霧封層施工工藝簡單，開放交通迅速，是預防公路早期破壞最有效的技術之一，且霧封層技術自身具有系統(tǒng)、嚴密、工藝精確、效果良好的施工技術特點，方便在國內(nèi)瀝青路面預防性養(yǎng)護中推廣應用[2-3]。

霧封層技術是將瀝青路面養(yǎng)護劑等流體狀材料噴灑到瀝青路面，從而封閉路面空隙并穩(wěn)定松散集料。特別是專用瀝青再生處治材料(再生劑)的出現(xiàn)，極大地提高了霧封層預養(yǎng)護對路面老化瀝青的再生養(yǎng)護效果。再生劑材料可擴散到舊瀝青路面結(jié)構(gòu)中，通過更新或還原表面已氧化的瀝青材料而激活老化瀝青[4]，然后降低瀝青膠結(jié)料的老化程度并部分恢復其抗變形性能、延長路面使用壽命。

本文選取2種商用瀝青再生劑A和B對老化瀝青的再生性能進行評價，首先在實驗室通過分析A和B自然蒸發(fā)曲線，確定2種再生劑中易揮發(fā)小分子組分的相對含量高低，然后通過瀝青動態(tài)剪切流變儀(DSR)和彎曲梁流變儀(BBR)對樣品的感溫性進行評價，從而判斷2種再生劑對老化瀝青的高、低溫性能影響，進而確定其適宜摻量，判定2種再生劑對老化瀝青的再生性能。

1 材料與研究方法

1.1 材料

本研究使用的2種瀝青再生劑的基本參數(shù)見表1，實驗中所用瀝青為AH-70號道路石油瀝青，各項基本參數(shù)見表2。

表1 2種再生劑A和B的基本參數(shù)

表2 AH-70號瀝青基本參數(shù)

1.2 研究方法

1.2.1自然蒸發(fā)實驗

在實際工程應用中，再生劑長時間受自然環(huán)境的作用，很多組分會在紫外線、雨水沖刷等因素影響下產(chǎn)生氧化并加速揮發(fā)[5]，而留在瀝青混合料中起再生效果的成分逐漸減少，對路面的修復功效也逐漸減弱，根據(jù)其自然蒸發(fā)的殘留成分量，可以判斷再生劑在舊瀝青路面中發(fā)揮再生作用組分的量的變化規(guī)律。本實驗在旋轉(zhuǎn)烘箱中分別放入2種再生劑A和B并恒溫60 ℃，間隔時間t稱量其質(zhì)量變化情況，得出自然蒸發(fā)曲線，見圖1。

圖1 再生劑A、B自然蒸發(fā)曲線

1.2.2感溫性能

由于實驗是基于霧封層技術探究再生劑的性能，故根據(jù)養(yǎng)護實施原理，將老化瀝青表面全部涂抹再生劑作為添加的最大摻量，由于球體比表面積最小，所以將一定質(zhì)量瀝青成型為球狀，然后稱量浸入再生劑前后的質(zhì)量差，得到A與B的最大摻量分別為瀝青的8.4%和10%。實驗按照最大摻量進行3等分作為摻加的梯度對比，見表3。

表3 再生劑摻量占瀝青質(zhì)量分數(shù)表 %

1) DSR測試。瀝青是一種粘彈性材料，其性能參數(shù)具有較大的溫度依賴性，而反映瀝青這種性能參數(shù)隨溫度變化程度的感應性稱為感溫性[6]。動力剪切流變儀(DSR)是SHRP試驗中評價瀝青材料高溫及抗疲勞性能的重要試驗方法，其基本原理見圖2。實驗目的是探究樣品高溫流變性，故選擇溫掃模式，試驗具體參數(shù)見表4。

圖2 DSR基本原理示意圖

表4 高溫溫度掃描參數(shù)

試驗考察不同樣品在30～80 ℃內(nèi)復數(shù)剪切模量G*和相位角δ變化規(guī)律，然后取車轍因子的常用對數(shù)lg(G*/sinδ)與溫度做線性回歸，線性回歸方程見式(1)，對回歸方程斜率的絕對值(GTS)變化規(guī)律進行分析，GTS值越小，說明G*/sinδ隨溫度變化幅度越小，則再生瀝青在高溫條件下的感溫性能越好。

(1)

式中：G*/sinδ為車轍因子，kPa；t為溫度，℃；K1為回歸常數(shù);GTS為方程斜率的絕對值。

2) BBR測試。低溫開裂為我國北方地區(qū)瀝青路面的主要破壞形式之一，由于氣候寒冷晝夜溫差較大，瀝青混合料中形成的溫度應力若超過路面材料的極限抗拉強度，則會產(chǎn)生開裂破壞[7]。瀝青的低溫性能評價方法中BBR試驗主要測量瀝青小梁試件在蠕變荷載作用下的勁度,其基本原理見圖3所示。

圖3 BBR基本原理示意圖

根據(jù)SHRP性能規(guī)范要求，60 s時的勁度模量S不大于 300 MPa，m值不小于0.30，試驗在-12 ℃條件下考察樣品的低溫抗裂性能，并可得到2個數(shù)據(jù)：S即蠕變勁度模量，表示瀝青混合料抵抗永久變形的能力；m即蠕變速率，表示瀝青在低溫時應力松弛能力。

2 分析與討論

2.1 自然蒸發(fā)曲線實驗

由圖1自然蒸發(fā)曲線可知，在60 ℃的條件下，再生劑A、B在90 min之前，揮發(fā)速率很快，在100～150 min時間段內(nèi)2條曲線的斜率絕對值均減小得很快，隨后再生劑的揮發(fā)速率均逐漸減小，趨于不變；圖中A的揮發(fā)量一直低于B，而道路瀝青在服役過程中產(chǎn)生老化，其內(nèi)部組分變化主要趨于瀝青質(zhì)增加，而輕質(zhì)組分如飽和酚和芳香酚含量減少[8-10]，故分析預測再生劑B中產(chǎn)生主要調(diào)和作用的輕質(zhì)組分含量更高，對恢復老化瀝青化學組成之間的配伍性有更好的效果，然而在外界溫度升高的過程中，B的有效成分會迅速減小，推測其耐高溫性能比A差，而在中低溫環(huán)境下其再生性能優(yōu)于A。

2.2 動態(tài)剪切流變試驗

瀝青路面在高溫條件下需要有足夠的彈性，進而利于彈性形變的恢復，因此在SHRP規(guī)范中用車轍因子G*/sinδ來評價瀝青的高溫性能。在一定高溫條件下，G*/sinδ越大表明瀝青的抗車轍性能越好，耐高溫性能更優(yōu)。圖4是8種樣品DSR測試的高溫車轍因子情況。

圖4 高溫條件下各樣品車轍因子

由圖4可以看出，在30～55 ℃區(qū)間內(nèi)，各樣品車轍因子從大到小排列順序依次是：原樣>老化樣>B3樣>B2樣>A3樣>B1樣>A2樣>A1樣,而在55～80 ℃區(qū)間，8組樣品的車轍因子均趨于0。分析對比曲線的走向可得以下結(jié)論。

1) 再生劑A、B對老化瀝青的高溫抗車轍性能未有提升作用，且隨著A，B的加入其車轍因子會不同程度地減小。這是因為瀝青再生劑主要成分是輕質(zhì)油性物質(zhì)，其作用主要是將老化變硬的瀝青軟化，同時瀝青老化過程中其飽和酚和芳香酚的含量會減少，而瀝青質(zhì)含量會變大，所以添加再生劑起組分調(diào)和作用，然而高溫抗車轍性能是評價瀝青在高溫情況下復合模量能否變大，即在相同應力下要求應變越小越好，再生劑的加入使瀝青變軟則會讓復合模量變小，因此曲線反映出的流變性能變化規(guī)律正確。

2) 再生劑B的高溫抗車轍性能優(yōu)于A，但隨著再生劑摻量的增大，A和B抗車轍性能均會下降。這是因為隨著溫度的升高，A殘留在瀝青中的有效成分比B多一些，即A對老化瀝青的軟化效果更強一些，故A的復合模量較小，同理隨著摻量的遞增，再生劑的有效成分也會遞增，即軟化效果也會一同升高，所以其抗車轍能力弱一些。

3) 在55～80 ℃高溫條件下，各組樣品基本均為流體狀態(tài)，加入再生劑后對瀝青的作用效果甚微。這是因為再生劑主要成分是低標號的瀝青和輕質(zhì)油分，在55～80 ℃下其有效成分基本與瀝青組成成分一樣，區(qū)別效果難以對比。

對車轍因子的常用對數(shù)lg(G*/sinδ)進行線性回歸擬合，根據(jù)式(1)可得具體參數(shù)見表5。

表5 各樣品GTS

表中GTS值最大為老化樣，最小為B1樣品，同時A系列樣品普遍比B系列樣品的GTS值低。分析對比各GTS值可得以下結(jié)論。

1) 再生劑在高溫條件下對樣品的感溫性能有提升作用，且在摻加A和B后老化瀝青的高溫感溫性能得到大幅提升，普遍超過原樣基質(zhì)瀝青。這是由于摻加再生劑后，老化瀝青的輕質(zhì)組分含量上升，使老化瀝青的路用性能、流變性、溫度敏感性等均有不同程度的提升。

2) A系列再生劑GTS值均低于B，即其高溫感溫性高于B，且隨著2種再生劑摻量的遞增，其高溫感溫性也呈現(xiàn)遞增規(guī)律。這是因為A系列高溫條件下蒸發(fā)殘留成分高于B，故而擴散改善老化瀝青的效果增強。同理再生劑的摻量遞增，激活老化瀝青的效果也強一些。

3) 瀝青老化樣的GTS最大值為0.063 5，A再生劑摻量最大時得到最小GTS值0.064 1，說明瀝青材料在一定服役年限后通過噴灑合適再生劑，可提升其高溫溫度敏感性。

2.3 彎曲梁流變試驗

8組樣品進行BBR試驗得到的蠕變勁度模量S和蠕變速率m值數(shù)據(jù)，分析對比各樣品S值見圖5，可得如下結(jié)論。

1) 2種再生劑摻入對瀝青的低溫抗裂性能均有較好的改善作用。這是因為再生劑滲透擴散進老化瀝青后，可較好地調(diào)節(jié)各個組分含量，中低溫條件下能夠提升其粘彈性，改善其低溫抗裂性能。

2) 再生劑A的S值普遍小于B，說明低溫條件下再生劑A對老化瀝青的軟化再生效果比B要強一些。S值越小表示在同等應力條件下應變越大，即瀝青在低溫條件下有合適柔性避免過脆而斷裂。

3) 2種再生劑的摻量越多，其S值越小，這表示在一定摻量范圍內(nèi)(小于瀝青質(zhì)量10%)，再生劑摻加越多，與瀝青相互擴散作用的再生成分越多。對老化瀝青的再生效果越好。

圖5 各樣品的S值

分析對比表中各樣品m值繪制成圖6，可得以下結(jié)論。

1) 再生劑B對老化瀝青的m值改善效果更明顯，而再生劑A在低溫條件下對m值改善效果不佳。同時隨著2種再生劑摻量的增加，A的m值變化規(guī)律性不強，說明再生劑A對低溫條件下樣品的感溫性能效果不明顯。

2) A在低溫條件下m值普遍低于老化瀝青樣品，且在摻量為瀝青質(zhì)量5.6%時得到最小m值，這說明A在低溫條件下對老化瀝青的感溫性沒有提升效果。同時，B在低溫條件下m值普遍高于原樣瀝青，且在摻量為瀝青質(zhì)量5.6%時得到最大m值，說明B在低溫條件下有良好的感溫性。表明瀝青材料在一定服役年限后通過噴灑合適再生劑，能夠提升其溫度敏感性和蠕變速率。

圖6 各樣品m值

3 結(jié)論

瀝青路面預養(yǎng)護技術發(fā)展對道路建設施工等各方面均有極大影響，而制備高效瀝青再生劑并對其再生效果做出有效評價,是對路面進行有效預養(yǎng)護工作的前提。本文通過瀝青感溫性分析,協(xié)同評價再生劑的再生效果,為以后公路建設預養(yǎng)護提供參考。

自然蒸發(fā)曲線分析結(jié)果表明，再生劑B中的易揮發(fā)組分量高于A，則在實際應用過程中，B所含的輕質(zhì)易揮發(fā)組分高于A，有效的再生調(diào)和組分含量高于A，對老化瀝青的再生效果更優(yōu)。

感溫性能實驗結(jié)果表明，高溫條件下再生劑對老化瀝青的耐高溫性能改善效果不佳，但再生劑A可較好地提升老化瀝青的感溫性；低溫條件下，2種再生劑對老化瀝青的抗裂性能均有提升，且再生劑B對低溫感溫性有很好的改善效果。綜合感溫性能試驗可知，在年均溫度較高的地區(qū)適宜用再生劑A，而在年均溫度較低如我國北方地區(qū)，適宜用再生劑B進行養(yǎng)護再生。

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