基于常规、疲劳与愈合-疲劳试验的沥青再生性能研判

陈 龙，陈宏斌，何兆益，李 朋，王晓东

(1. 山东交通学院 交通土建工程学院，山东 济南 250357；2.甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730030； 3. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 4. 重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074)

0 引 言

当前，伴随我国新-旧动能转换工程全面提速推进和沥青、矿料等石化资源有限开采意识与布局管控能力逐步加强，针对结构性破损的沥青路面实施铣刨回收并开展再生修复循环利用研究已逐步提上战略议事日程。其中，沥青路面结构铣刨回收材料(reclaimed asphalt pavements，RAP)中废旧沥青性能的还原情况是RAP再生修复工作的关键要点。同时，能否针对废旧沥青再生修复后的性能进行科学合理的表征与评价也将直接影响再生沥青路面服役效果。

国内外诸多学者通过不同尺度试验方法对RAP表面废旧沥青的再生性能进行了描述与分析。在宏观常规性能参数表征方面，张吉哲等[1]采用新添沥青调和再生的方式，对RAP表面废旧基质沥青黏弹流变力学性能的有效还原情况进行了探究，发现选择不添加再生剂的单一调和再生方式并不能够高效恢复废旧基质沥青宏观流变力学特性。唐伯明等[2]、朱洪洲等[3]通过添加自主研发的生物基沥青再生剂，利用动态剪切流变DSR等试验对9种再生基质沥青的疲劳力学性能进行表征，结果表明，再生沥青抗疲劳特性相较原样沥青更优良；其次，在纳微观参数表征方面，M.BAQERSAD等[4]、李永翔等[5]学者利用自主研发的沥青再生剂，对掺配有100%RAP的废旧基质沥青再生性能进行了评价，得到羰基和砜基等基团比重较小、脂肪烃基比重较高的再生剂性能改善作用效果最优，傅立叶红外扫描测试手段相较常规力学性能试验，前者也可较好的用于预测废旧基质沥青的再生效果；在宏微观性能参数综合表征方面，何兆益等[6]、高新文等[7]、T.CHEN等[8]、S.K.BADROODL等[9]相继采用宏观常规性能试验、材料微观构相分布与化学组成特征手段对RAP表面萃取废旧SBS改性沥青的再生性能进行表征，同时搭建了宏微观尺度性能构效关联方程。Z.L.CAO等[10]发现，宏观热氧稳定性能试验参数-初始分解温度以及微观性能试验参数-亚砜基指数等相比其它性能指标能够更好的描述再生SBS改性沥青抵抗二次疲劳作用的能力，并且由数理对比发现，在各类型沥青再生剂中，以腰果壳油为主要成分的生物基再生剂对废旧SBS改性沥青性能的改善效果最好。

汇总已有研究成果可知：首先，目前针对RAP废旧沥青再生性能的研究分析对象通常集中于单一沥青种类，在同等条件下综合废旧基质沥青和改性沥青进行再生性能协同对比探讨的研究尚不多见；另外，现有针对RAP废旧沥青再生性能的评价方法和指标并未得到统一，多数研究成果普遍采用宏观常规力学性能恢复程度或微观构相与化学成分特征变化情况进行量化判别，但上述类型指标并不能有效反映出再生沥青承受荷载作用的持续能力(譬如，上述类型指标并不能反映出RAP废旧沥青再生后，二次服役期间疲劳耐久特性较原样沥青变化情况)。最后，在现有测试方法，尤其是力学性能评价方法中施加的荷载作用方式为连续加载模式，这与沥青路面实际行车荷载间歇作用模式有较大出入。因此，笔者选择在常规力学和流变力学性能试验分析基础上，进一步引入间歇愈合理念对废旧沥青再生性能进行关联评价，通过分析不同再生剂掺量、间歇时间、废旧沥青老化程度等条件下再生基质沥青和再生SBS改性沥青常规、疲劳及愈合-疲劳性能演变规律，对比探讨更加科学合理的RAP废旧沥青再生性能评价手段和特征指标。

1 原材料与试验方案

试验涉及的原材料分别包括基质沥青、SBS改性沥青和自主研发的再生剂。其中，基质沥青选取SK-70#A级沥青；为增强改性沥青配伍性，SBS改性沥青采用5%掺量的新型SBS改性剂、5%掺量的废机油增容剂同基质沥青混溶，经吸附、膨胀、剪切、发育后制得；再生剂参照化学组分调节理论自制。另外，RAP废旧沥青采用室内模拟方式制备，分别由RTFOT旋转薄膜烘箱制备短期老化废旧沥青，组合RTFOT+PAV压力老化环境箱制备长期老化废旧沥青。各废旧沥青试样性能还原所需再生剂的掺配质量比例均选取4%～12%。

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图1 疲劳与愈合-疲劳试验参数示意

2 试验结果

2.1 基于常规力学性能试验

再生前、后基质沥青和SBS改性沥青常规力学性能指标测试结果分别见表1～表3。

将表2、表3测试结果同表1进行对比可知，随再生剂掺量增加，废旧基质沥青和废旧SBS改性沥青各常规力学性能指标呈线性或多项式曲线函数得以改善，并且废旧基质沥青各性能指标提升幅度明显高于废旧SBS改性沥青，同时对长期老化沥青性能的改善程度也明显快于短期老化沥青。其中，对废旧基质沥青而言，若老化程度较轻，则添加10%～12%左右再生剂能够将其各项常规力学性能指标恢复至原样沥青水准，并且当由表征高温性能指标(譬如软化点、黏度)进行研判时可取下限值；但对于老化程度较重的废旧基质沥青则需要添加12%及以上掺量的再生剂。同样，对废旧SBS改性沥青而言，若老化程度较轻，添加10%～12%左右再生剂可恢复其各项常规力学性能指标至原样沥青水准，并且当由表征高温性能的指标进行研判时可取下限值；但若废旧SBS改性沥青老化程度较重，则在笔者设定的再生剂掺量范围内(4%～12%)，其多项常规力学性能指标仍然得不到有效恢复。

表1 废旧沥青再生前常规力学性能指标测试结果

表2 废旧基质沥青再生后常规力学性能指标测试结果

表3 废旧SBS改性沥青再生后常规力学性能指标测试结果

2.2 基于流变力学性能试验

2.2.1 基于疲劳性能试验

笔者分别选择在剪切应力控制模式以及剪切应变控制模式下进行疲劳性能加载测试，得到再生前、后基质沥青和SBS改性沥青复数剪切模量G*随疲劳加载作用次数N的测试结果，分别绘于图2、图3。

结合图2、图3可以明显看出，首先，各沥青试样随疲劳加载作用次数增加，复数剪切模量G*值均逐渐下降。其中，多数沥青G*值呈现初期陡速下降、中期缓慢平稳发展、后期进一步加速衰减的“S”型曲线规律变化，并且该变化趋势在应力加载模式下表现的更为突出。然而在应变加载模式下，仅基质沥青仍然保持该变化趋势，SBS改性沥青则基本呈“C”型曲线规律递减。

表4 再生剂对不同老化废旧沥青剪切疲劳性能的改善效应

值得注意的是，废旧SBS改性沥青在各再生剂掺量下的抗剪切疲劳破坏能力(以疲劳寿命Nf表征)均优于废旧基质沥青。而且对于短期老化废旧沥青，在12%再生剂掺量下均能够恢复至甚至超过原样沥青复数剪切模量G*值，同时疲劳寿命Nf值在原样沥青的基础上也产生了进一步衰减，如图2(a)、图2(c)和图3(a)、图3(c)；但对于长期老化废旧沥青而言，即使掺加12%再生剂亦均未能将其疲劳性能恢复至原样沥青水准，如图2(b)、图2(d)和图3(b)、图3(d)。将该结论同前文基于常规力学性能试验结果进行对比可知，虽然再生剂掺量越多，再生沥青各常规力学性能指标将恢复的越好，但其维持长期连续剪切荷载作用的能力越差。采用连续疲劳加载试验及其特征参数(G*和Nf)评价再生剂作用效应相较常规力学性能试验及其特征参数更加苛刻和严格，恢复老化废旧沥青性能所需的再生剂数量相对更多。

图2 控制剪切应力加载模式下沥青疲劳性能试验测试结果

最后，在控制应力加载模式下随着再生剂掺量增加，沥青复数剪切模量G*和疲劳寿命Nf值呈现单调连续且规律性较强的递减趋势变化。但在控制应变加载模式下，沥青复数剪切模量G*和疲劳寿命Nf值的衰变规律并不完全一致，尤其对于短期老化沥青，Nf值随再生剂掺量增加，其数值在部分掺量附近呈现一定的波动变化，对短期老化废旧基质沥青添加8%再生剂、短期老化废旧SBS改性沥青添加6%和10%再生剂，分别见图3(a)和图3(c)。究其原因，可能是再生沥青复数剪切模量G*在固定扭矩的应力控制模式下受应变参数值变化更敏感，因而造成不同再生剂掺量下再生沥青复数剪切模量G*数值间的差异性相比应变控制模式偏大。在类似的G*衰减规律下，造成不同再生沥青Nf数值间的差异性也较大。因此，采用应力加载控制模式能够更好的研判不同老化废旧沥青的再生性能。

图3 控制剪切应变加载模式下沥青疲劳性能试验测试结果

2.2.2 基于疲劳-愈合-疲劳性能试验

在参照沥青连续加载疲劳试验研究成果基础上，进一步实施考虑间歇效应的疲劳-愈合-疲劳性能试验，选取数据规律性与差异性更加优良的应力控制加载模式进行测试。结果分别列于表5和表6，自愈合性能评价参数HI计算结果绘于图4。

表5 老化废旧基质沥青愈合前后相关参数测试结果

表6 老化废旧SBS改性沥青愈合前后相关参数测试结果

图4中愈合指数HI参数计算结果进一步验证了上述结论：随着间歇时间和再生剂掺量增长，各沥青试样的自愈合程度均得到显著提升。经计算，每增加2 h间歇时间，各沥青试样愈合指数HI值可相对提升10%～70%，并且间歇时间对再生前、后基质沥青愈合能力的改善幅度明显高于SBS改性沥青。同样，每增加2%再生剂能够相对提高愈合指数HI值10%～30%，并且再生剂对于老化废旧基质沥青愈合能力的改善效果亦明显优于老化废旧SBS改性沥青。其中，对于老化废旧基质沥青而言，掺加8%～10%左右的再生剂即可将其愈合指数HI改善恢复至原样沥青水准，并且针对短期老化沥青，再生剂掺量取下限值亦可；但对于长期老化废旧基质沥青，再生剂掺量必须取上限值，如图4(a)和图4(b)。而对于老化废旧SBS改性沥青，掺加10%～12%左右再生剂能够将其自愈合能力恢复至原样沥青水平，并且针对短期老化沥青和长期老化沥青亦分别取下限值和上限值，如图4(c)和图4(d)。

图4 沥青再生前、后愈合性能计算结果

3 结 论

1)对于同类型废旧沥青而言，随再生剂掺量增加，同一增幅下各常规力学性能指标呈线性或多项式曲线函数趋势恢复，复数剪切模量G*和疲劳寿命Nf值以均等程度发生衰减，愈合指数HI值得到显著提升，每增加2%再生剂能够相对提高愈合指数HI值10%～30%。对于老化废旧基质沥青，需掺加8%～10%左右的再生剂；而对于老化废旧SBS改性沥青，需掺加10%～12%左右的再生剂。

2)对于不同类型废旧沥青而言，随再生剂掺量增加，废旧基质沥青各项常规力学性能指标和愈合指数HI的提升程度、复数剪切模量G*和疲劳寿命Nf的衰减程度明显高于废旧SBS改性沥青；同时，长期老化沥青上述各指标的改善或下降幅度也明显快于短期老化沥青。

3)随间歇时间增加，再生沥青的愈合程度逐步贴近甚至超过原样沥青，废旧沥青则相反。每增加2 h间歇时间可相对提升愈合指数HI值10%～70%。

4)以原样沥青为性能还原基准，采用不同试验方法量化评判废旧沥青性能再生所需的再生剂用量排序由大到小分别是：疲劳性能试验、常规力学性能试验和疲劳-愈合-疲劳性能试验，推荐采用疲劳-愈合-疲劳性能试验及愈合指数HI替代疲劳性能试验及参数(G*和Nf)来研判废旧沥青流变力学性能的再生恢复情况。