再生SBS改性沥青疲劳特性研究

邹桂莲，吴晓强，李英勇，徐晓燕

(1.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640；2.山东省交通运输事业服务中心，山东 济南 250001；3.民航中南机场设计研究院(广州)有限公司，广东 广州 510403)

0 引言

改性沥青路面能否再生以及再生对路面性能有何影响，是最近20～30年国内外道路工程领域一直关注的热点之一[1-4]。中国因为气候严苛、交通繁重的原因，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styreneic block copolymers，SBS)改性沥青的消费量已经上升到全部道路沥青消费总量的30%左右，与改性沥青消费仅占10%左右的欧美国家相比，中国尤其关注改性沥青路面的再生问题。已有的国内外研究[5-6]以及已铺筑的改性再生路面工程[7-8]证明：SBS改性沥青路面是可以再生的，再生后路面高温抗车辙能力得到提高，但再生路面普遍存在大中修养护提前的现象，这是路面再生后疲劳性能的衰减引起的。文献[9-10]的试验表明： SBS改性沥青再生后的高温性能良好，低温性能较差。文献[15,11]的试验表明： 复合使用再生剂和新沥青，能有效改善再生SBS改性沥青的低温性能。文献[12]研究表明： 老化沥青掺量较高时，再生SBS改性沥青疲劳破坏率增加，抗疲劳性能降低。文献[13]研究表明： 疲劳耐久性是制约SBS改性热再生混合料(reclaimed asphalt pavement, RAP)掺量的主要因素。国外有研究认为旧SBS改性沥青的加入，有利于再生沥青混合料高温下的抗永久变形，但同时也使沥青混合料在低温下表现出刚度和脆性的增加，会降低抗开裂和抗疲劳性能[14-16]，也有研究认为在新沥青混合料中加入RAP可以提高疲劳寿命[17-18]。

现有SBS改性沥青再生研究主要集中在高低温性能，对SBS改性沥青再生后的疲劳寿命影响以及损伤衰减程度鲜有研究。为此，本文基于重复加载试验，分析老化SBS改性沥青、新SBS改性沥青和再生SBS改性沥青疲劳寿命指标的变化规律，探究新沥青针入度等级、旧沥青老化程度及掺量对再生SBS疲劳寿命的影响，可为实体工程应用提供参考。

1 试验材料

1.1 老化SBS改性沥青

为批量获取模拟沥青路面不同老化程度的SBS改性沥青，本文采用SBS(Ⅰ-D)改性沥青，通过控制旋转薄膜烘箱试验(rolling thin film oven test, RTFOT)的老化时间，制备了针入度为10～40(0.1 mm)的3种不同老化程度的SBS改性沥青。根据沥青针入度等级，原样沥青记为P(40～60)，老化沥青记为R(10～20)、R(20～30)和R(30～40)，其主要性能指标如表1所示。由表1可知：随着老化程度增加，针入度逐渐降低，黏度逐渐升高，变化较明显。软化点总体上呈增大趋势，但不明显。改性沥青的老化分为两个部分，基质沥青部分随着老化加深，软化点升高，而部分SBS改性剂随着老化逐渐降解，导致软化点有所下降，两者共同作用的结果使得软化点指标变化不显著，当后者起主导作用时，甚至表现为软化点降低，如R(30～40)的软化点略低于改性沥青P(40～60)。由于老化导致改性剂SBS的逐渐降解，改性沥青的弹性恢复能力逐渐降低，延度迅速下降。

表1 原样及老化SBS改性沥青主要性能指标

1.2 新SBS改性沥青

通过在SBS(I-D)新沥青中添加不同掺量的再生剂，调和制备不同针入度等级的新SBS改性沥青。再生剂为前期研究[19]基础上优选的RA-250型再生剂，其主要性能指标如表2所示。根据沥青针入度等级，新沥青分别记为P(40～60)、P(60～80)、P(80～100)、P(100～110)、P(110～120)和P(120～130)，其主要性能指标如表3所示。由表3可知：随着新SBS改性沥青针入等级升高，延度增加明显，黏度和软化点呈下降趋势，弹性恢复很好，弹性恢复率高达99%，这是由于新沥青中的SBS改性剂保留了其弹性恢复能力。

表2 再生剂主要性能指标

表3 新SBS改性沥青主要性能指标

1.3 再生SBS改性沥青

为了分析新SBS改性沥青针入度等级、老化SBS改性沥青掺量对再生SBS改性沥青疲劳寿命的影响，以再生老化SBS改性沥青R(20～30)为例，采用固定老化沥青掺量(15%)添加不同针入度等级新SBS改性沥青、固定新SBS改性沥青针入度等级(P(80～100))添加不同掺量老化SBS改性沥青两种方式，分别进行再生，获取再生SBS改性沥青。

2 试验仪器与评价方法

采用英国Malvern公司生产的Kinexus超级旋转流变仪进行试验，仪器相关参数：扭矩为3～250 mN·m，温控为-30～200 ℃，频率为1 μHz～150 Hz。

美国公路战略研究计划(strategic highway research program, SHRP)中，采用疲劳因子G*sinδ作为沥青的疲劳性能评价指标一直受到诸多质疑，如G*sinδ与沥青混合料疲劳寿命相关性不足、试验假定与实际路面情况相差较大等[20]。鉴于此，美国国家合作公路研究计划(national cooperative highway research program,NCHRP)中Project9-10研究项目[21]提出了基于动态剪切流变仪(dynamic shear rheometer,DSR)的重复加载试验，基于表象法和耗散能法，采用复数模量、相位角等参数的衰变来表征沥青的疲劳性能。目前，广泛采用Nf50(复数模量降低至初始值50%时所对应的剪切次数)作为沥青的疲劳破坏标准，简单直观，易于确定[22-23]。重复加载试验更加贴合路面疲劳破坏的真实状态，可以更好地评价改性沥青的疲劳性能。采用应变控制模式对老化SBS改性沥青、新SBS改性沥青和再生SBS改性沥青进行重复加载试验，试验选择8 mm平行板，试验温度为15 ℃，控制应变为3%，频率采用15 Hz。

为了避免试验周期过长，16万次加载后模量仍未降至初始值50%的沥青，采用衰减百分率D表征疲劳性能，衰减百分率D表达式如式(1)所示。

(1)

3 试验结果与分析

3.1 旧SBS改性沥青老化程度对疲劳寿命的影响

原样及不同老化程度SBS改性沥青复数模量随加载次数的变化关系如图1所示。

由图1可见： 沥青的老化会导致初始复数模量增大，且老化程度越深，初始复数模量越大。这是由于随着老化程度加深，沥青中的黏性部分减少而弹性部分逐渐增加，沥青变硬。对于老化沥青R(30～40)、R(20～30)和R(10～20)，复数模量初期衰减速率逐渐增大，当荷载作用到一定次数时，下降速率减慢，之后逐渐趋于平缓，沥青的老化程度越深，对应的复数模量曲线衰减速率越大，疲劳性能衰减越快。

以Nf50为疲劳标准计算老化SBS改性沥青的疲劳寿命，结果如图2所示。

图1 老化程度对SBS改性沥青G*衰变的影响

图2 老化程度对SBS改性沥青疲劳寿命Nf 50的影响

由图2可知： 随着旧SBS改性沥青老化程度的增加，沥青的疲劳寿命Nf50迅速变小，SBS改性剂的降解越来越严重，SBS独特的黏弹特性引起耐疲劳性能衰减，且伴随着基质沥青的组分变化，进一步降低了老化SBS改性沥青的疲劳寿命。

3.2 新SBS改性沥青疲劳性能

不同针入度等级新SBS改性沥青复数模量随加载次数的变化关系如图3所示。对于新SBS改性沥青而言，沥青的针入度等级越高，沥青越软，其初始复数模量越小。16×104次的重复加载过程中，软的新SBS改性沥青G*衰减速率略小，说明再生剂对新沥青的疲劳性能有改善，但效果不显著。

图3 不同针入度等级新SBS改性沥青G*随加载次数变化关系

为了更清晰地量化表达，采用以重复加载过程中的G*衰减百分率D对新SBS改性沥青的疲劳性能进行评价。不同新SBS改性沥青16×104次重复加载G*衰减百分率见图4。由图4可知： 在16×104次的重复荷载作用下，随着新SBS改性沥青针入度等级的升高，其衰减百分率D越小，疲劳寿命越长，说明再生剂的加入不仅使得调和的沥青变软，同时改善了新沥青的抗疲劳性能，P(120～130)沥青的G*衰减百分率D为P(40～60)沥青的G*衰减百分率D的71%，说明疲劳性能得到提高。

图4 不同新SBS改性沥青16×104次重复加载G*衰减百分率

3.3 再生SBS改性沥青疲劳性能影响因素

疲劳性能以复数模量的衰减表征，以再生老化沥青R(20～30)为例，不同针入度等级新SBS改性沥青、老化SBS改性沥青掺量对再生SBS改性沥青疲劳性能的影响如图5和图6所示。对比图5和图6可以明显看出： 旧沥青掺量对复数模量变化影响更显著，而新SBS改性沥青针入度等级对复数模量衰减影响较小，说明旧SBS改性沥青掺量是影响路面疲劳性能的决定性因素，而掺量一定时，新SBS改性沥青针入度等级提高可以更加软化再生SBS改性沥青，但对延长疲劳寿命贡献较小。采用Nf50量化旧SBS改性沥青对再生沥青疲劳性能的影响，计算结果如表4所示。

表4 新SBS改性沥青与旧SBS改性沥青掺量对再生SBS改性沥青疲劳寿命Nf50的影响

由表4中可知：在老化SBS改性沥青掺量一定时，添加的新SBS改性沥青越软，再生SBS改性沥青疲劳寿命恢复呈缓慢升高的趋势，但与全新SBS改性沥青16×104次以上的疲劳寿命相比，疲劳性能损伤较明显，无法完全恢复。新SBS改性沥青中的轻质油分可以改善再生SBS改性沥青的疲劳性能，但恢复有效的SBS掺量才是决定再生SBS改性沥青疲劳性能恢复的关键。在新SBS改性沥青针入度等级一定时，再生SBS改性沥青的疲劳寿命随老化SBS改性沥青掺量的增加而迅速减小，旧SBS改性沥青掺量达到35%及以上时，再生沥青的疲劳寿命衰减开始放缓，再次说明旧SBS改性沥青掺量是影响再生SBS改性沥青疲劳寿命的显著性因素，掺量为50%时，再生对疲劳性能的恢复效果已经很差。如果不采取有效的改善策略，从耐久性的角度不建议旧SBS改性沥青掺量超过35%。

3.4 相关性分析

基于灰色关联理论，分析新SBS改性沥青和再生SBS改性沥青25 ℃针入度、软化点、5 ℃延度和25 ℃弹性恢复率与再生SBS改性沥青疲劳寿命Nf50灰色关联度，计算结果如图7所示。

图7 再生SBS改性沥青疲劳寿命关联度

由图7可知： 再生SBS改性沥青的疲劳寿命与新SBS改性沥青和再生SBS改性沥青的25 ℃弹性恢复率、软化点指标具有很强的关联性，关联度均在0.88以上，与25 ℃弹性恢复率关联性最好，软化点次之，且新SBS改性沥青的25 ℃弹性恢复率、软化点指标与疲劳寿命相关性要略优于再生SBS改性沥青，说明在固定老化掺量沥青掺量下，新掺量沥青的25 ℃弹性恢复率和软化点是影响再生SBS改性沥青疲劳寿命的显著性因素，相关性很好。这是因为旧SBS改性沥青中SBS降解、分散性降低，疲劳寿命大大降低，而新SBS改性沥青补充了SBS改性剂，SBS改性剂引起的弹性恢复能力越高说明SBS补充得越充分，因此疲劳性能恢复越好。软化点指标也与SBS改性剂有关，改性剂补充越充分，软化点越高，两者之间具有很强的关联性，因此软化点指标与疲劳寿命的相关性也很好。针入度和延度指标与基质沥青更相关，与SBS改性剂有关，但显著性下降，因此与再生SBS改性沥青的疲劳寿命相关性变差。通过灰色关联度分析，说明筛选新SBS改性沥青、评价再生SBS改性沥青疲劳性能可以采用25 ℃弹性恢复率指标作为关键指标。另外，从指标的相关性上可以看出： SBS改性剂的有效补充才是疲劳性能恢复的关键，因此今后应从此处着手，研究提高再生SBS改性沥青的疲劳性能，以提高再生SBS改性沥青路面的耐久性。

4 结论

(1)与新SBS改性沥青针入度等级、旧SBS改性沥青老化程度相比，旧SBS改性沥青掺量是影响再生SBS改性沥青疲劳寿命的显著性因素，在掺量达到35%及以上时，再生SBS改性沥青的疲劳寿命恢复效果较差。若不采取有效的改善策略，从耐久性的角度建议旧SBS改性沥青掺量不超过35%。

(2)添加再生剂提高新SBS改性沥青针入度等级，虽然可以软化旧SBS改性沥青，降低再生SBS改性沥青的复数模量，但对疲劳性能改善作用较小。

(3)中国SBS改性沥青再生以针入度指标恢复为主要目标，但其与疲劳性能关联性较差，而弹性恢复指标与再生SBS改性沥青疲劳寿命的关联性最好，建议将弹性恢复指标作为筛选新SBS改性沥青以及评价再生SBS改性沥青疲劳性能的辨识性指标。