基于DSR的再生沥青最佳愈合温度与愈合时间研究

向 浩，张文武，刘 鹏，姚启文，何兆益

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 2. 齐鲁交通发展集团有限公司，山东 济南 250014)

0 引 言

自1960年Bazin首次提出沥青混合料具有自愈合特性，道路工作者经过多年的研究也证实了这一现象，沥青混合料的自愈合性能主要通过沥青来体现，即沥青材料在使用期间可以对自身损伤进行自我修复[1-2]，为此沥青自愈合性能一直是研究热点，研究者已指出沥青的自愈合性能受到很多因素的影响，其中愈合温度与愈合时间是最为直接的外部因素[3-4]；A. GARCA[5]通过CT扫描分析了沥青愈合的微观过程，并通过Arrhenius方程对自愈合速率和愈合温度进行相关性分析；罗蓉等[6]通过动态剪切流变仪(DSR)对70#基质沥青和SBS改性沥青进行无间歇和间歇条件下的时间扫描试验，得到了SBS改性沥青自愈合能力更强，且两种沥青均随着间歇时间的增长沥青愈合情况越来越好；汤文等[7]利用加入间歇时间的DSR试验，根据耗散能变化率的坪值PV与间歇时间的关系定义愈合速率HR，得到SBS I-C改性沥青和70#基质沥青自愈率随间歇时间增大而提高，自愈率与自愈速率随应变水平增大而减小；王昊鹏等[8]选用延度试验，采用完整时间与破坏时间对比3种沥青的自愈特性影响因素，均得到沥青自愈能力随愈合温度的提升和愈合时间的增长而增强。

国内外在研究沥青自愈合性能时，多集中于基质沥青或改性沥青，对再生沥青的自愈合性能研究相对空白，但随着国内再生沥青的使用量日益增长，再生沥青自愈合性能研究十分必要。此外，愈合温度和愈合时间虽已被证明对沥青自愈性能有较大影响，但已有成果中多限于定性分析，未能指出再生沥青的最佳愈合条件。为此，针对不同的再生沥青，通过动态剪切流变仪进行再生沥青疲劳-愈合-疲劳试验，分析不同再生沥青的最佳愈合温度和愈合时间，以期为再生沥青路面的养护提供参考。

1 试验概况

1.1 原材料

试验原沥青采用70#基质沥青，沥青各项技术指标均满足规范要求，如表1，以70#基质沥青为原料，按照JTG E20—2011《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》规定的沥青旋转薄膜加热试验(RTFOT)模拟沥青的短期老化，老化85 min试样后文以70#R85表示，老化170 min试样以70#R170表示，按照压力老化容器加速沥青老化试验(PAV)模拟沥青长期老化，试样以70#P表示；再生剂选用70#基质沥青、课题组自研RA-2型再生剂、山东H100型再生剂，再生剂技术指标如表2。

表1 基质沥青和老化沥青技术指标Table 1 Technical indicator of base asphalt and aged asphalt

1.2 试验方案

试验采用动态剪切流变仪(DSR)，分析不同条件下的再生沥青自愈合性能，以时间扫描模式(time-sweep)进行再生沥青“疲劳-愈合-疲劳”间断式加载，即材料的动态剪切模量降低到一定程度后停止加载，在指定愈合温度间歇一段时间后重新加载，加载时温度始终保持30 ℃。文献[9]指出材料复数模量为1×105～1×107Pa时应选8 mm平行板，为此平行板尺寸选择选8 mm，平行板间距为2 mm，为保证沥青处于线黏弹性范围，应变控制选择5%，为对应60～65 km/h的行车作用，加载频率选择10 Hz。

1.3 自愈效果评价方法

沥青自愈合评价指标尚未统一，常见的评价指标多以沥青动态剪切模量的变化情况为基础，将5种沥青自愈合指标的物理意义进行总结归纳，并分析各指标的优缺点，如表3。

表3 常见沥青自愈合指标Table 3 Self-healing indexes of common asphalt

根据表3对指标的归纳分析，以上5种沥青自愈合性能评价指标均存在不能有效反映沥青真实自愈合能力的缺陷。为此，采用文中参考文献[6]中自愈合评价指标，该指标既考虑了间歇前后动态剪切模量的恢复程度，又考虑了加载时间的影响，可综合反映间歇前后模量恢复程度及抵抗剪切破坏能力的恢复程度，其表征沥青自愈合性能的合理性与有效性已被证明，表达式如式(1)，式中各参数物理意义如图1。

(1)

图1 自愈合前后动态剪切模量下降示意Fig. 1 Decrease of dynamic shear modulus before and afterself-healing

2 试验结果与数据分析

2.1 不同老化程度

试验选取70#R85、70#R170、70#P 3种不同老化程度沥青，以添加7%的RA-2型再生剂再生，并选择70#基质沥青进行对比。利用动态剪切流变仪在不同温度下对再生沥青在愈合时间为20 min的情况下进行时间扫描，考虑到沥青路面在夏季最高温度为70 ℃左右，为此试验中愈合温度选择20、30、40、50、60、70 ℃，以HI6为愈合程度评价指标，得到3种再生沥青及原沥青愈合温度与愈合程度的关系，如图2。

图2 愈合温度与愈合程度关系Fig. 2 The relationship between healing temperature andhealing degree

根据图2可以得到，整体上沥青自愈合程度随着愈合温度的升高而增大，原因在于高温有助于再生沥青分子之间的扩散，及时填补微裂缝；原沥青老化程度越高，再生后沥青的软化点越高、流动性越差，因此在愈合温度相同时，原沥青老化程度越高的再生沥青表现出越差的自愈合性能。

当温度由20 ℃升到70 ℃时，70#R85、70#R170、70#P 3种老化沥青的再生沥青愈合度分别提升了175%、476%、834%，平均愈合程度分别为70#基质沥青的96%、81%、69%，可以看出70#R85经过再生后的愈合能力与原沥青最接近，且原沥青老化程度越高，自愈合程度提高幅度越大，主要原因在于老化程度越高的原沥青再生后在低温愈合的情况下，自愈恢复程度较低，因此提升幅度计算时基数非常小，表现出提升幅度较大。但随着愈合温度的升高，再生沥青自愈合程度提升速率逐渐降低，愈合程度趋于平缓，过度提升愈合温度追求100%的自愈合恢复并不可取，一方面温度太高会对再生沥青造成二次老化，另一方面温度达到某种程度后对效率逐渐降低，因此选择90%自愈恢复程度所对应的温度作为最佳愈合温度，得到70#R85、70#R170、70#P 3种老化沥青的再生沥青在20 min愈合时间的情况下，最佳愈合温度分别为47.7、54.6、60.8 ℃，70#基质沥青最佳愈合温度为45.8 ℃。

依据上述分析，分别以47.7、54.6、60.8 ℃作为3种再生沥青最佳愈合温度，以5、10、20、40、80 min作为愈合时间，得到3种再生沥青愈合时间与愈合程度的关系，如图3。

图3 愈合时间与愈合程度关系Fig. 3 The relationship between healing time and healingdegree

根据图3可以得到，沥青自愈合程度随着愈合时间的增加而增大，原因在于较长的愈合时间增加了沥青相互扩散的程度，但愈合程度增长趋势为先快后慢，其规律相似于愈合温度对愈合程度的影响，因此过度延长愈合时间去追求100%的自愈恢复也不可取，选择90%的自愈恢复程度所对应的时间作为最佳愈合时间，得到70#R85、70#R170、70#P 3种老化沥青的再生沥青的最佳愈合温度分别为25.3、27.5、26.6 min。

2.2 不同再生剂种类

针对不同再生剂种类对最佳愈合温度与愈合时间的影响，选取70#基质沥青、RA-2型再生剂、H100型再生剂对70#R170老化沥青进行再生，用量为老化沥青的7%，以20 min为愈合时间，得到3种再生沥青愈合温度与愈合程度的关系，如图4。

根据图4可以得到，3种再生剂均未影响再生沥青愈合程度随愈合温度的升高而增加，且温度达到一定程度后愈合程度增加效果逐渐降低。当温度相同时，添加H100型再生剂的愈合效果最好，RA-2型再生剂次之，添加70#基质沥青作为再生剂时愈合效果最差，相同愈合条件下，添加RA-2型再生剂和70#基质沥青时愈合程度分别为添加H100型再生剂时的93%、87%；同样以90%的自愈恢复所对应的温度作为最佳愈合温度，得到添加70#基质沥青、RA-2型再生剂、H100型再生剂的再生沥青最佳愈合温度分别为：55.6、54.6、49.6 ℃。

图4 愈合温度与愈合程度关系Fig. 4 The relationship between healing temperature andhealing degree

依据上述分析，分别以55.6、54.6、49.6 ℃作为3种再生沥青最佳愈合温度，以5、10、20、40、80 min作为愈合时间，得到3种再生沥青愈合时间与愈合程度的关系，如图5。

图5 愈合时间与愈合程度关系Fig. 5 The relationship between healing time and healing degree

根据图5可以得到，再生剂种类并不影响再生沥青自愈合程度随愈合时间的增加而增大，当愈合时间由5 min延长至80 min时，添加70#基质沥青、RA-2型再生剂、H100型再生剂的再生沥青愈合程度分别提高了121%、66%、63%；但再生沥青愈合程度增长速率各不相同，原因在于再生剂组成成分不同，轻质组分含量较多的再生剂使再生沥青拥有更好的流动性。随着愈合时间的持续增加，再生沥青愈合程度的增长速度逐渐降低，选择90%的自愈恢复程度所对应的时间作为最佳愈合时间，得到添加70#基质沥青、RA-2型再生剂、H100型再生剂的再生沥青最佳愈合时间分别为：32.2、26.6、21.2 min。

3 结 论

1)沥青自愈合性能评价指标众多，文中归纳了5种常见指标的物理意义及优缺点，最终选取最能表征沥青自愈合能力的HI6，并在后续试验中验证了其可行性。

2)愈合温度的升高、愈合时间的延长均有利于再生沥青愈合，但随着愈合温度、愈合时间提升到一定程度后，再生沥青自愈合程度提升效率越来越低。

3)原沥青老化程度越高，再生沥青的自愈合能力越低，最佳愈合温度越高；70#R85、70#R170、70#P3种老化沥青再生后的最佳愈合温度分别为47.7、54.6、60.8 ℃，对应的最佳愈合时间分别为25.3、27.5、26.6 min。

4)再生剂的种类对再生沥青自愈合性能影响很大，不同再生沥青的最佳愈合条件不同，轻质组分含量更多的再生剂更能促进再生沥青愈合；70#R170沥青经70#基质沥青、RA-2型再生剂、H100型再生剂沥青再生后的最佳愈合温度分别为：55.6、54.6、49.6 ℃，对应的最佳愈合时间分别为：32.2、26.6、21.2 min。