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          2024-09-26
          
                
            
          
        
          
    
          
    
           
          

    
    
        


        
    

    
          聚合物改性熱再生瀝青混合料性能評價
          
	 
          2024年09月26日   閱讀量：237971
          
    
          摘 要：
          廠拌熱再生技術是一種用于高效回收瀝青混合料(RAP)的新型技術。使用再生材料的關鍵挑戰(zhàn)在于恢復材料在使用過程中損失的性能。為提高熱再生瀝青路面的性能并增加舊料的循環(huán)利用率,本研究采用 SBS 改性瀝青對再生瀝青混合料進行改性瀝青網sinoasphalt.com。首先,根據不同的瀝青類型和舊料摻量,制備了四種不同的瀝青混合料;其次,通過室內試驗對這些混合料的力學性能和路用性能進行對比分析。結果表明,與常規(guī)瀝青混合料相比,熱再生瀝青混合料在高溫穩(wěn)定性、抗剪切性和抗變形能力方面表現出顯著的提升,其低溫抗裂性能、水穩(wěn)性和疲勞性能有所降低。采用 SBS 改性的熱再生瀝青混合料在各項性能指標上均優(yōu)于未改性的熱再生瀝青混合料。進一步研究發(fā)現,當 RAP 摻量達到 30% 時,SBS 改性熱再生瀝青混合料的性能仍然能夠滿足相關規(guī)范要求。這一發(fā)現為 SBS 改性瀝青在熱再生技術中的應用提供了有力的依據。
          關鍵詞：道路工程;熱再生;聚合物;瀝青混合料;性能評價

          0 引言
          再生利用瀝青混合料回收料(Recycled Asphalt Pavement,簡稱 RAP)不僅能夠減少對瀝青和集料的需求,還具有保護環(huán)境和實現資源高效利用的優(yōu)點,這一技術在全球范圍內日益受到關注[1 - 3]。常見的再生技術包括廠拌熱再生、廠拌冷再生、就地熱再生和就地冷再生等。其中,廠拌熱再生技術是應用最廣泛的方式之一。許多研究針對含 RAP 的瀝青混合料進行了性能評估。研究表明,在熱拌瀝青混合料中摻入RAP,雖然可以提升混合料的彈性模量,但也可能導致抗疲勞性能下降,疲勞壽命縮短,尤其是在較高 RAP 摻量時,瀝青混合料的低溫抗裂性和剪切強度會進一步降低[4 - 6]。因此,如何有效提升熱再生瀝青混合料的整體性能,成為當前亟需解決的關鍵問題。
          目前,針對熱再生瀝青混合料性能的研究,主要通過使用聚合物改性瀝青和再生劑等方法來改善其性能。聚合物改性瀝青,尤其是苯乙烯 - 丁二烯 - 苯乙烯( SBS)改性瀝青,被廣泛應用于此領域,因能顯著提升瀝青混合料的流變性能和強度,從而改善路面的整體性能[7 - 9]。研究表明,在 RAP料中加入 SBS 改性劑可以提高熱再生瀝青混合料的抗車轍性和抗開裂性[10]。此外,一些學者將 SBS 和 SBR 改性瀝青應用于溫拌再生瀝青混合料的改性,結果顯示兩種改性瀝青都能增強混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗水損害性和抗疲勞性能,其中 SBS 改性瀝青的效果優(yōu)于 SBR 改性瀝青[11]。郅曉等人通過不同的改性方案,研究了高摻量 RAP 熱再生瀝青混合料的低溫抗裂性能,發(fā)現使用雙外加劑可以恢復舊瀝青的性能并提高整體黏性,成功彌補了高摻量 RAP 在低溫抗裂性方面的不足[12]。然而,對于聚合物改性瀝青在不同 RAP摻量條件下性能的變化規(guī)律,目前的研究相對較少。
          因此,本研究聚焦于 30% RAP 摻量對熱再生瀝青混合料力學性能和路用性能的影響,深入探討了普通熱再生瀝青混合料與聚合物改性熱再生瀝青混合料的性能差異。結果表明,采用聚合物改性瀝青不僅可以有效提升 RAP 的循環(huán)利用率,還能顯著改善熱再生瀝青混合料的整體性能,為熱再生技術的進一步推廣應用提供了有價值的參考。

          1 原材料與試驗設計
          1. 1 原材料
          本研究采用的基質瀝青為 70 號瀝青,SBS 改性瀝青由東海石油提供,性能指標詳見表 1,均符合相關規(guī)范要求。用于試驗的回收瀝青路面材料(RAP) 來自市政道路上銑刨下的SBS 改性瀝青混合料。
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          根據《公路工程集料試驗規(guī)程》 ( JTG E42 - 2005),測得RAP 的含水率為 1. 1% 。試驗選用的再生瀝青混合料類型為AC - 16?；诂F有的熱再生技術研究成果及現場實際情況,對預處理后的 RAP 材料進行篩分,按 0 ~ 5mm、5 ~ 10mm、10~ 15mm 分為三種粒徑檔次。通過離心抽提法從 RAP 中提取舊礦料,得到各粒徑檔次的 RAP 級配試驗結果,如表 2 所示。
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          新集料選用堿性石灰?guī)r,以提高瀝青與集料的粘結性能,相關技術指標見表 3。礦粉則選用石灰?guī)r礦粉。
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          1. 2 瀝青混合料配合比設計
          本研究采用了瀝青中面層常用的 AC - 16 型瀝青混合料。按照《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》 (JTG F40 - 2004)的要求,對熱再生瀝青混合料進行了級配設計,結果如圖 1所示。
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          通過馬歇爾試驗確定了最佳瀝青含量為 4. 7% 。與使用新集料的瀝青混合料相比,由于 RAP 材料的特性,確定再生瀝青混合料的油石比需降低 1. 2% 至 1. 5% 。根據不同的RAP、基質瀝青和 SBS 改性瀝青摻量,研究選取了四種瀝青混合料作為實驗對象,其組分配比見表 4。配比 1 和配比 2 均未使用 RAP 材料,其中配比 1 采用基質瀝青,配比 2 采用 SBS改性瀝青。配比 3 和配比 4 則均摻入了 RAP 材料,分別加入3. 5% 的基質瀝青和 3. 2% 的 SBS 改性瀝青。這些配比設計為本研究提供了對比分析的基礎。
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          1. 3 熱再生瀝青混合料的性能評價試驗
          1. 3. 1 強度試驗
          本研究通過無側限抗壓強度試驗和間接拉伸強度試驗來評估瀝青混合料的強度特性和低溫抗裂性。抗壓強度試驗的試樣采用旋轉壓實方法成型,試件尺寸為直徑 100mm ±2. 0mm,高度 100mm ± 2mm。為了分析瀝青混合料在不同環(huán)境條件下的性能表現,試驗分別在 0℃ 、20℃和 60℃ 三個溫度下進行。間接拉伸強度試驗的試樣采用標準馬歇爾試件,測試溫度為 0℃ ,以反映瀝青混合料的低溫性能。
          1. 3. 2 凍融劈裂試驗
          為評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性,本研究采用凍融劈裂試驗,根據規(guī)范 JTG E20 -2011 的要求,對瀝青混合料進行凍融循環(huán)處理。試驗測定了不同熱再生瀝青混合料在受水損害前后的劈裂強度比,以評估其耐水性能。試驗在 25℃ 下進行,加載速率為50mm/ min。試件采用馬歇爾擊實法成型圓柱體試件。
          1. 3. 3 抗剪性能試驗
          本研究根據試件單軸壓縮試驗和馬歇爾試驗的結果,確定抗剪穩(wěn)定指標粘聚力 C 和內摩擦角 φ[13]。具體的計算方法如下式所示。
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          其中:Am 為馬歇爾試驗中試件變形所作的功,J;Ac 為單軸壓縮試驗中馬歇爾試驗試件變形所作的功,J;β 為瀝青混合料試件應力狀態(tài)系數,取 1. 5;Rc 為瀝青混合料抗壓強度,MPa。
          上式中,對于每一單軸受壓或馬歇爾試驗的試件,按下式計算出消耗于變形直至破壞所作的功。
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          式(3)中:P 為破壞荷載,kN;l 為極限變形,mm;t 為自加載開始至試件破壞瞬間的時間,s。
          1. 3. 4 間接拉伸疲勞試驗
          本研究采用 UTM -100 進行間接拉伸疲勞試驗,以評價熱再生瀝青混合料的疲勞性能。試驗在 15℃的環(huán)境下進行,采用應力控制模式,加載波形為半正弦波,加載頻率設定為10Hz。
          2 試驗結果分析
          2. 1 強度試驗
          2. 1. 1 抗壓強度試驗結果
          為了研究不同環(huán)境條件下瀝青混合料的性能,圖 2 展示了 0℃ 、20℃ 、60℃下八種瀝青混合料的抗壓強度試驗結果。
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          從圖 2 可以看出,在 60℃ 條件下,聚合物改性熱再生瀝青混合料(配比 2) 的抗壓強度高于普通熱再生瀝青混合料(配比 1)。這種強度提升可能是由于聚合物的彈性特性,在瀝青中形成離散顆粒,起到增稠劑的作用,從而提高了瀝青的黏度。比較配比 1 和配比 3 的結果可以發(fā)現,摻入 RAP 料能夠提高混合料的抗壓強度。配比 4 顯示了最大抗壓強度,這表明同時摻入 RAP 料和 SBS 改性瀝青的組合效果最好。這可能是因為 RAP 料的級配更細密,且密度較大,增強了混合料的整體強度。
          然而,在 20℃和 0℃條件下,四種配比下的抗壓強度結果與 60℃時有所不同。比較配比 1 和配比 2 發(fā)現,摻入聚合物后,抗壓強度在低溫下反而降低,這可能是因為彈性改性劑對瀝青的低溫性能沒有明顯增強作用。在這兩種溫度下,配比 3 的抗壓強度相比配比 1 降低了約 6% ,這表明在低溫條件下,摻入 RAP 料后混合料的抗壓強度有所下降。這可能是由于低溫下瀝青混合料收縮,且 RAP 料與新骨料之間的粘附性較差所致。
          2. 1. 2 低溫抗裂性
          為研究瀝青混合料的低溫抗裂性能,本試驗在 0℃ 條件下進行。間接拉伸強度的結果如圖 3 所示。試驗結果顯示,配比 3 的瀝青混合料強度最低,為 2. 47MPa,而配比 2 的強度最高。從配比 3 和配比 4 的結果可以看出,摻入 RAP 料后瀝青混合料的間接拉伸強度降低,低溫抗裂性下降。這與 0℃下的抗壓強度結果一致。在低溫條件下,高摻量的 RAP 料可能導致與其他成分的粘附性能變差,進而降低了混合料的強度。相對而言,摻入 SBS 改性瀝青的混合料顯示出更高的間接拉伸強度。這是因為 SBS 改性瀝青在低溫下具有更高的粘度,增強了集料與瀝青膠結料以及 RAP 料與瀝青膠結料之間的粘聚力。
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          2. 2 凍融劈裂試驗結果
          圖 4 是四種瀝青混合料凍融劈裂試驗結果。從試驗結果可以看出摻入聚合物的瀝青混合料水穩(wěn)定性高于基質瀝青混合料。而基質瀝青混合料中摻入 RAP 料導致瀝青混合料水穩(wěn)定性顯著降低。這是由于在水作用下瀝青與 RAP 料之間的粘附力較差。而摻入聚合物到 RAP 料中能夠有效克服粘附力較差問題,有效提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。上述結果表明摻入聚合物瀝青混合料粘結性增加,聚合物和RAP 料之間的相互作用也更好。
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          2. 3 抗剪強度
          在單軸壓縮和馬歇爾試驗中,計算了瀝青混合料的變形所作的功,依據公式(1)和公式(2)確定了不同瀝青混合料的抗剪穩(wěn)定性指標。試驗結果如圖 5 所示。試驗結果表明,配比 1 瀝青混合料的內摩擦系數最低。摻入 SBS 改性瀝青(配比 2)和 RAP 料(配比 3 和配比 4)均會增加瀝青混合料的內摩擦系數。這表明,舊料的摻入增強了混合料中骨料的嵌擠作用,同時,聚合物改性瀝青的高粘度使得集料之間的粘結更緊密,從而增加了內摩擦角。從圖 5 中可以看出,配比 1 的瀝青混合料粘聚力最低;摻入聚合物的瀝青混合料的粘聚力顯著增加,這主要是由于 SBS 改性劑提升了瀝青的粘結能力,使得混合料在荷載作用下抵抗骨料錯位的能力增強,整體粘聚力和抗剪切能力得到提高。同時,RAP 料的摻入也增加了混合料的粘聚力,這使得在剪切作用下,顆粒間需要克服更大的表面摩擦力,從而增強了抗剪性能。因此,配比 4 的熱再生瀝青混合料顯示出最高的粘聚力,具有最佳的抗剪切能力。
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          2. 4 疲勞試驗結果
          間接拉伸疲勞試驗結果如圖 6 所示。從結果中可以看出,配比 3 和配比 4 瀝青混合料的疲勞曲線均位于配比 1 和配比 2 瀝青混合料曲線之下。這結果表明,再生料的摻入顯著降低了瀝青混合料的疲勞性能。這可能是由于再生料中的老化瀝青導致混合料整體粘結性能下降,進而使得混合料在重復荷載作用下更容易產生疲勞裂縫和損壞。然而,在再生料中摻入聚合物后,混合料的疲勞性能得到了明顯改善。這一現象可以歸于聚合物對瀝青混合料的增強作用,聚合物的引入能夠提高混合料的抗裂性和柔韌性,使其在應對反復荷載時,能夠更有效地分散應力,延緩疲勞裂紋的形成和擴展。此外,聚合物還可能通過改善混合料內部結構的均勻性和粘結性能,進一步增強其抗疲勞能力。
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          3 結論
          本文通過室內試驗研究了 0% 和 30% RAP 摻量對普通熱再生瀝青混合料及 SBS 改性熱再生瀝青混合料力學性能和路用性能的影響。主要結論如下:
          (1) 在 60℃ 條件下,熱再生瀝青混合料的抗壓強度隨RAP 摻量的增加而提升,且 SBS 改性熱再生瀝青混合料的抗壓強度優(yōu)于普通熱再生瀝青混合料。相反,在 20℃ 和 0℃ 的低溫環(huán)境下,RAP 摻量的增加會導致抗壓強度下降,SBS 改性瀝青混合料的強度降低幅度更大。這表明,RAP 料在高溫條件下能夠有效增強混合料的強度,但在低溫條件下,其性能可能會受到影響,特別是在北方寒冷地區(qū)。
          (2) RAP 材料顯著提升了瀝青混合料的抗剪切和抗彈性變形能力,但同時導致水穩(wěn)定性、低溫抗裂性和疲勞性能的下降。SBS 改性瀝青的摻入能夠有效提升熱再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性、低溫抗裂性及疲勞性能。聚合物改性瀝青通過提高混合料的粘聚力和彈性,顯著改善了其在各種環(huán)境條件下的綜合性能,特別是在抗水損害和低溫抗裂方面表現尤為突出。
          綜上所述,本研究表明,通過優(yōu)化 RAP 摻量和改性劑的選擇,可以在提升熱再生瀝青混合料性能的同時,克服其在不同環(huán)境條件下的不足,為實際應用中的熱再生技術提供了科學依據。

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          原創(chuàng)作者：路俊杰，福建省建筑科學研究院有限責任公司；福建省綠色建筑技術重點實驗室；福建省建筑工程質量檢測中心有限公司

          
          
        
        
    
          
    
    
    
    
    
    
          
    
    
    
          
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