徐 浩,張文武,何兆益,*,孔 林,黃佳興
(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400074;2.山東高速集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250101)
疲勞開裂是瀝青路面的主要破壞形式,對路面性能具有顯著的負(fù)面影響.瀝青作為一種典型的黏彈性材料,具有自愈合性能,即自動修復(fù)疲勞裂紋的能力,從而延長路面疲勞壽命[1-3].1965 年Deacon[4]發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土的使用壽命隨間歇時間增加而延長.從此,學(xué)者們對瀝青自愈合機(jī)理、自愈合表征方法及影響因素等展開了大量研究.Wool 等[5-6]將瀝青自愈合過程歸結(jié)為裂縫界面的潤濕及分子的擴(kuò)散.程耀飛等[7]研究表明自愈合指標(biāo)與愈合時間t0.25具有較高的線性擬合度.羅蓉等[8]在現(xiàn)有自愈合指標(biāo)基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步修正,得到了考慮愈合前后動態(tài)剪切模量和加載時間變化的新指標(biāo).崔亞楠等[9]通過正交試驗分析表明老化是影響SBS 改性瀝青自愈合性能的最大因素.
瀝青在長期服役過程中會逐漸老化,自愈合性能也會降低,添加再生劑能恢復(fù)老化瀝青自愈合性能.中國大部分路面超過設(shè)計使用年限而逐漸進(jìn)入大中修期,廢舊瀝青混合料的再生技術(shù)是環(huán)保經(jīng)濟(jì)的道路修復(fù)方法,國內(nèi)外對再生瀝青混合料的使用量也逐年增加,因此研究再生瀝青自愈合性能十分必要.本文通過動態(tài)剪切流變(DSR)試驗和紅外光譜(IR)試驗,研究老化及再生對瀝青自愈合性能的影響,并分析瀝青自愈合性能與其化學(xué)組成的相關(guān)性.
采用70#基質(zhì)瀝青,通過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化(RTFOT)試驗?zāi)M瀝青不同程度的老化,將70#基質(zhì)瀝青經(jīng)RTFOT 老化85、170、340 min 后的試樣分別表示為70#R85、70#R170 和70#R340.基質(zhì)瀝青和老化瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1 所示.再生劑選用課題組自主研發(fā)的R、S、Y 型3 種再生劑,R 型為礦物油再生劑,S和Y 型為生物油再生劑,其性能指標(biāo)如表2所示.
表1 基質(zhì)瀝青和老化瀝青的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicators of matrix asphalt and aging bitumen
表2 再生劑的性能指標(biāo)Table 2 Properties of the regenerant
再生瀝青制備過程如下:將不同程度老化瀝青在烘箱中預(yù)熱至160 ℃,按試驗所需質(zhì)量倒入杯中;按設(shè)計摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))稱取再生劑并加入到老化瀝青中;將老化瀝青與再生劑混合試樣杯放置在160 ℃恒溫油浴鍋中,采用攪拌機(jī)以1 000 r/min 的速率持續(xù)攪拌30 min,使再生劑與老化瀝青混合均勻,得到再生瀝青.
再生瀝青編號以“老化瀝青編號+再生劑摻量和類型”來表示,如70#R85+5%Y 表示向老化瀝青70#R85 中添加5%Y 型再生劑后制備的再生瀝青.針對不同的問題,采用控制變量法進(jìn)行分組,當(dāng)研究不同老化程度再生瀝青的自愈合性能時,以老化時間為變量,固定再生劑類型和摻量;當(dāng)研究不同再生劑摻量對老化瀝青自愈合性能的影響時,以向70#R340 中摻加Y 型再生劑的再生瀝青為研究對象,變量為Y 型再生劑摻量(5%,7%,9%);當(dāng)研究不同再生劑類型對老化瀝青自愈合性能的影響時,以向70#R340 中摻加9%再生劑的再生瀝青為研究對象,變量為再生劑類型(Y、S、R).
1.2.1 自愈合試驗方法及評價指標(biāo)
“疲勞-愈合-疲勞”循環(huán)加載試驗是研究瀝青自愈合性能的常用方法.試驗采用DSR 時間掃描模式,選取平行板直徑和間距分別為8、2 mm,控制應(yīng)變?yōu)?%,加載頻率為10 Hz,試驗溫度為30 ℃,間歇時間t分別設(shè)置為10、20、40、60、80 min.試驗流程如圖1 所示,圖中各參數(shù)定義同式(1).
圖1 瀝青“疲勞-愈合-疲勞”循環(huán)加載試驗流程Fig.1 Test procedure for‘fatigue-healing-fatigue’cycle loading of asphalt
本文采用羅蓉等[8]提出的愈合指數(shù)HI 對瀝青自愈合性能進(jìn)行表征,如式(1)所示:式中:G*a為瀝青自愈合后的初始動態(tài)剪切模量,MPa;G*b為瀝青自愈合前的終止動態(tài)剪切模量,MPa;G*0為瀝青自愈合前的初始動態(tài)剪切模量,MPa;t1、t2表示加載時間,s.
此外,根據(jù)毛細(xì)擴(kuò)散理論可知,瀝青自愈合由毛細(xì)力引起的瞬時自愈合和分子擴(kuò)散形成的擴(kuò)散愈合組成,愈合指數(shù)HI 可以通過愈合溫度和愈合時間的函數(shù)來表征[10],如式(2)所示:
式中:HI(θ,t)為溫度θ下間歇時間為t時的愈合指數(shù);HI0為瞬時自愈合強(qiáng)度;K為愈合速率;t0.25為愈合時間.
1.2.2 紅外光譜試驗
采用NEXUS EU-RO 紅外光譜儀,以薄膜法測定瀝青的化學(xué)官能團(tuán),掃描次數(shù)為32 次/s,分辨率為4 cm-1.采用特征官能團(tuán)吸收峰面積比來定量分析官能團(tuán)組成與含量對瀝青自愈合性能的影響[11],如式(3)所示.
式中:Ii為官能團(tuán)i的指數(shù);Ai為官能團(tuán)i的吸收峰面積;∑A為600~2 000 cm-1波段范圍內(nèi)所有吸收峰面積之和.
對不同類型瀝青進(jìn)行“疲勞-愈合-疲勞”循環(huán)加載試驗,采用式(2)對各瀝青愈合指數(shù)HI 進(jìn)行擬合,得到各瀝青在30 ℃下愈合指數(shù)與愈合時間的關(guān)系,如圖2 所示.
由圖2 可知:各瀝青愈合指數(shù)HI 均隨著愈合時間的延長而增大,充分的間歇時間有利于瀝青自愈合修復(fù);除重度老化瀝青(RTFOT 老化340 min 的瀝青)以外,瀝青愈合指數(shù)HI 與愈合時間t0.25擬合相關(guān)度較高(R2>0.9),說明基于毛細(xì)擴(kuò)散理論的自愈合模型(式(2))能夠較好地描述瀝青愈合指數(shù)隨愈合時間的發(fā)展變化,重度老化瀝青擬合相關(guān)性較差的原因可能是30 ℃時重度老化瀝青的流動性較差,自愈合現(xiàn)象不明顯;擬合曲線斜率為瀝青愈合速率K,反映了瀝青愈合過程中的恢復(fù)速率,擬合曲線的截距為瀝青的瞬時自愈合強(qiáng)度HI0,圖2 中所有瀝青擬合曲線的截距均為負(fù)數(shù),說明瀝青瞬時自愈合并不能恢復(fù)其承受荷載作用的能力[11];圖2(b)~(d)中,不同狀態(tài)再生瀝青自愈合擬合曲線之間存在交叉點(diǎn),因為瀝青愈合指數(shù)隨時間變化,以某一個時間點(diǎn)的愈合指數(shù)進(jìn)行瀝青自愈合性能的對比會比較片面.因此,本文以平均愈合指數(shù)HIa對原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青的自愈合能力進(jìn)行評價,結(jié)合愈合速率K分析瀝青老化及再生過程中自愈合性能的變化規(guī)律.
2.1.1 老化程度對瀝青自愈合性能的影響
圖3 為不同老化程度瀝青再生前后的自愈合參數(shù).由圖3 可見:隨瀝青老化程度加重(老化時間延長),平均愈合指數(shù)HIa減小,愈合速率K降低;70#R85、70#R170、70#R340 的平均愈合指數(shù)HIa分別為基質(zhì)瀝青的72.6%、53.4%、26.9%,愈合速率K分別降低至基質(zhì)瀝青的77.1%,59.5%,20.8%,表明老化對于瀝青自愈合性能具有顯著的負(fù)面影響.原因在于老化后瀝青中輕質(zhì)組分減少,瀝青質(zhì)增加,分子間作用力增大,分子擴(kuò)散運(yùn)動能力減弱.
圖3 不同老化程度瀝青再生前后的自愈合參數(shù)Fig.3 Self-healing parameters of asphalt with different aging degrees before and after regeneration
由圖3還可見:老化瀝青添加再生劑后自愈合性能明顯恢復(fù),平均愈合指數(shù)HIa提高,愈合速率K增大;再生 后70#R85+5%Y、70#R170+5%Y、70#R340+5%Y的平均愈合指數(shù)HIa分別恢復(fù)至基質(zhì)瀝青的100.9%、96.4%、63.2%,愈合速率K分別恢復(fù)至基質(zhì)瀝青的89.7%,94.7%,40.7%.原因是再生劑補(bǔ)充了瀝青在老化過程中缺失的輕質(zhì)組分,溶解并分散了老化過程中生成的強(qiáng)極性物質(zhì),改善了老化瀝青的膠體結(jié)構(gòu),促進(jìn)了瀝青自愈合.
2.1.2 再生劑摻量對老化瀝青自愈合性能的影響
圖4 為不同再生劑摻量下再生瀝青的自愈合參數(shù).由圖4 可見:隨著再生劑摻量的增加,再生瀝青自愈合性能明顯提高;70#R340 老化瀝青添加5%、7%、9%的Y 型再生劑后,平均愈合指數(shù)HIa分別恢復(fù)到基質(zhì)瀝青的63.2%、78.5%、100.9%,愈合速率K分別恢復(fù)至基質(zhì)瀝青的40.7%,56.7%,84.9%,再生劑對愈合速率K的恢復(fù)作用弱于平均愈合指數(shù)HIa;70#R340 添加9%Y 型再生劑后的自愈合性能與基質(zhì)瀝青較為接近,說明70#R340 重度老化瀝青需要更大摻量的再生劑才能補(bǔ)充其老化過程中損失的輕質(zhì)組分,恢復(fù)膠體結(jié)構(gòu).
圖4 不同再生劑摻量下再生瀝青的自愈合參數(shù)Fig.4 Self-healing parameters of recycled asphalt with different regenerant content
2.1.3 再生劑類型對老化瀝青自愈合性能的影響
圖5 為不同再生劑類型下再生瀝青的自愈合參數(shù).由圖5 可見:3 種再生劑均能恢復(fù)老化瀝青自愈合性能,向70#R340 老化瀝青中添加9%的Y 型、S 型、R 型再生劑后平均愈合指數(shù)HIa分別恢復(fù)到基質(zhì)瀝青的100.9%、91.5%、80.3%,愈合速率K分別恢復(fù)至基質(zhì)瀝青的84.9%,76.1%,90.9%;3 種再生劑對老化瀝青平均愈合指數(shù)HIa的恢復(fù)效果排序為Y>S>R,對老化瀝青愈合速率K的恢復(fù)效果排序為R>Y>S.3 種再生劑均能提高老化瀝青的自愈合性能,因再生劑組分不同,對老化瀝青的化學(xué)組成影響存在差異,改善效果不同.
圖5 不同再生劑類型下再生瀝青的自愈合參數(shù)Fig.5 Self-healing parameters of recycled asphalt under different regenerant types
圖6 為再生劑、原樣瀝青、老化瀝青及再生瀝青的紅外光譜.
由圖6(a)可知:在2 830~2 982 cm-1波段內(nèi)3 種再生劑均出現(xiàn)高強(qiáng)度的CH3和CH2反對稱與對稱伸縮振動峰,表明再生劑中均存在含有非極性甲基和亞甲基官能團(tuán)的烷烴;3 種再生劑均包含多種極性官能團(tuán),1 740、1 169 cm-1處分別出現(xiàn)酯羰基C=O 和鏈酸酐C—O 極性基團(tuán)吸收峰,1 030 cm-1處出現(xiàn)微弱的亞砜基S=O 吸收峰,表明3 種再生劑均含有一端由親水基(極性部分)、一端由憎水基(非極性部分)組成的表面活性劑成分[12].
由圖6(b)可知:70#基質(zhì)瀝青經(jīng)過老化后在1 700 cm-1附近出現(xiàn)了羰基特征峰,并隨著老化程度的加重而增強(qiáng);另外,1 030 cm-1附近的亞砜基S=O伸縮振動峰和3 420 cm-1附近的O—H 吸收峰均在原有基礎(chǔ)上有所增強(qiáng).
對比圖6(b)、(c)可知,老化瀝青再生前后的官能團(tuán)吸收峰位置基本相同,但不同狀態(tài)再生瀝青均在1 740 cm-1附近出現(xiàn)了酯羰基C=O 伸縮振動峰.原因在于,再生劑的引入導(dǎo)致了再生瀝青中新吸收峰的出現(xiàn),老化瀝青再生過程中并無新物質(zhì)產(chǎn)生.
圖6 再生劑、原樣瀝青、老化瀝青及再生瀝青的紅外光譜Fig.6 IR spectra of regenerant,base asphalt,aged asphalt and regenerated asphalt
現(xiàn)有研究[13-14]表明瀝青老化及再生過程中主要關(guān)注1 700 cm-1附近的羰基C=O 及1 030 cm-1附近的亞砜基S=O 等含氧官能團(tuán)的變化.采用OMNIC軟件中的基線法來計算紅外光譜中碳基和亞砜基特征峰的面積,進(jìn)而通過式(3)得到碳基C=O 和亞砜基S=O 的官能團(tuán)指數(shù)IC=O、IS=O,結(jié)果見表3.通過羰基和亞砜基官能團(tuán)指數(shù)來反映瀝青的老化及再生狀態(tài).
由表3 可知:隨著瀝青老化程度的加重,IC=O和IS=O逐漸增大,說明瀝青中羰基和亞砜基含量變大,瀝青發(fā)生氧化反應(yīng)生成羰基和亞砜基等極性基團(tuán);老化瀝青添加3 種再生劑后均表現(xiàn)出IC=O和IS=O減小,表明瀝青再生后極性官能團(tuán)含量減少,再生劑能夠補(bǔ)充老化瀝青缺失的輕質(zhì)組分,稀釋溶解瀝青老化過程中產(chǎn)生的極性物質(zhì).
表3 再生瀝青官能團(tuán)指數(shù)Table 3 Functional group index of recycled asphalt
圖7 給出了瀝青自愈合參數(shù)與官能團(tuán)指數(shù)的關(guān)系.由圖7 可知,IS=O與瀝青平均愈合指數(shù)HIa具有一定程度的相關(guān)性(R2>0.68),IS=O越大,瀝青中極性官能團(tuán)含量越高,分子間作用力越大,瀝青自愈合性能越低.考慮到再生劑種類不同會影響再生瀝青官能團(tuán)指數(shù),排除添加R 型和S 型再生劑的試驗樣品后,將瀝青自愈合參數(shù)與官能團(tuán)指數(shù)的關(guān)系列于圖8.
圖7 瀝青自愈合參數(shù)與官能團(tuán)指數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between asphalt self-healing parameter and functional group index
圖8 排除添加R 型和S 型再生劑的試驗樣品后,剩余瀝青自愈合參數(shù)與官能團(tuán)指數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between self-healing parameters and functional group index of the remaining asphalts after excluding R and S types of recycled asphalt
由圖8 可見:排除添加R 型和S 型再生劑的試驗樣品后,自愈合參數(shù)與官能團(tuán)指數(shù)IC=O、IS=O的相關(guān)性明顯提高,瀝青平均愈合指數(shù)與IC=O的相關(guān)性超過0.7,表明再生劑種類影響了瀝青自愈合參數(shù)與官能團(tuán)指數(shù)的相關(guān)性;對于添加Y 型再生劑的瀝青,自愈合參數(shù)與IC=O、IS=O之間表現(xiàn)出較好的線性相關(guān)性.
(1)通過不同間歇時間下的瀝青疲勞自愈合試驗得出,除重度老化瀝青外,其余瀝青的平均愈合指數(shù)HIa與愈合時間t0.25的線性相關(guān)性較高.老化導(dǎo)致瀝青K和HIa降低,添加再生劑能夠恢復(fù)老化瀝青的愈合性能,且再生劑摻量較高時效果更好;Y 型再生劑對恢復(fù)老化瀝青自愈合性能的效果最好.
(2)瀝青在老化過程中發(fā)生了氧化反應(yīng),隨著老化程度的加重,羰基指數(shù)IC=O和亞砜基指數(shù)IS=O增大,瀝青中極性氧化物含量提高,導(dǎo)致分子間作用力增大,自愈合能力降低;老化瀝青再生后IC=O、IS=O減小,極性氧化物含量降低,分子間作用力減小,自愈合能力得到恢復(fù).
(3)再生劑組分差異會影響再生瀝青自愈合參數(shù)與官能團(tuán)指數(shù)的相關(guān)性,添加Y 型再生劑的再生瀝青自愈合參數(shù)與IC=O、IS=O均表現(xiàn)出較好的線性相關(guān)性.