高掺量RAP温拌再生SBS改性沥青的物理-流变性能研究.pdf
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1、第41卷第11期2023年11月文章编号:10 0 9-7 7 6 7(2 0 2 3)11-0 19 4-0 8Vol.41,No.11Journal of Municipal TechnologyNov.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.11.194高掺量RAP温拌再生SBS改性沥青的物理一流变性能研究曾伟,许培欣2*,莫国雄!,张德润(1.湖北长江路桥有限公司,湖北武汉430 0 7 7;2.华中科技大学,湖北武汉430 0 7 4)摘要:温拌再生技术因具有再生料掺量高、施工温度低、碳排放量少等优点受到的关注越来越多。为了揭示和掌握高掺量RAP温拌再生沥
2、青的性能变化规律,对高掺量RAP温拌再生SBS改性沥青的物理-流变性能进行了研究,然后选取2 种典型温拌剂和3种掺量的RAP制备了6 组温拌再生沥青,并开展了三大指标、旋转黏度和温度扫描试验。研究结果表明:温拌剂S能够显著改善高温抗车辙性能,降低高温敏感性,但疲劳寿命会受到不利影响;温拌剂E能够改善沥青中温抗疲劳性能,其对高温性能的不利影响会随着RAP掺量的增加而被抵消。在实际工程中,夏季炎热地区宜选择温拌剂S,以防产生高温车辙;冬季寒冷地区宜选择温拌剂E,以防产生低温开裂。关键词:RAP;温拌再生;SBS改性沥青;沥青路面中图分类号:U414Study on Physical-Rheolog
3、ical Properties of Warm-mix Recycled SBSAbstract:Because of the advantages of high dosage of recycled materials,low construction temperature,low Carbonemission,warm-mix regenerated asphalt pavement technology has received more and more attention.In order to re-veal and master the changing law,the ph
4、ysical-rheological properties of high dosage RAP warm mix recycled SBS-modified asphalt were investigated.Two typical warm mixing agents and three dosages of RAP were selected to pre-pare six groups of warm-mixed recycled asphalt,Three major indicators,rotational viscosity and temperature scan-ning
5、tests were carried out.The results show that warm mix S can significantly improve the high temperature ruttingresistance and reduce the high temperature sensitivity,but the fatigue life will be adversely affected;Warm mix Ecan improve the fatigue resistance of asphalt at medium temperature,and its u
6、nfavorable effect on the high tempera-ture performance will be offset with the increase of RAP dosage.In the actual project,warm mix S should by chosenin hot areas in summer in order to prevent high temperature rutting;Warm mix E should be chosen in cold winterareas in winter in order to prevent low
7、 temperature cracking.Key words:RAP;warm-mix regeneration;SBS modified asphalt;asphalt pavement文献标志码:AModified Asphalt with HighRAPContentZeng Wei,Xu Peixin?*,Mo Guoxiong,Zhang Derun?(1.Hubei Changjiang Road&Bridge Co.,Ltd.,Wuhan 430077,China;2.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430
8、074,China)收稿日期:2 0 2 3-0 6-0 1基金项目:2 0 2 3年湖北省交通运输厅科技项目:“双碳 战略下大比例温拌再生沥青路面应用技术研究(2 0 2 310 43)作者简介:曾伟,男,高级工程师,学士,主要从事土木工程材料、工程施工与管理、路面再生技术等研究工作。通讯作者:许培欣,男,在读博士研究生,主要研究方向为可持续沥青路面材料与结构设计。引文格式:曾伟,许培欣,莫国雄,等.高掺量RAP温拌再生SBS改性沥青的物理-流变性能研究 .市政技术,2 0 2 3,41(11):19 4-2 0 1.(ZENGW,XU P X,MO G X,et al.Study on p
9、hysical-rheological properties of warm-mix recycled SBS modified asphalt with high RAP content.Journal of municipal technology,2023,41(11):194-201.)第11期目前,世界各国都在为沥青路面再生技术的大规模推广和应用积极地开展研究,并致力于发展基于高掺量回收料(RAP)的沥青路面再生技术 1。2 0 11年,美国联邦公路管理局将含有2 5%的RAP(按混合料总质量计算)的沥青混合料定义为高掺量RAP再生沥青混合料 2 。一般来说,沥青路面再生技术可分为:
10、冷拌再生技术、半温拌再生技术、温拌再生技术和热拌再生技术 3。其中,热拌再生技术的操作相对简单,适用于大规模高等级沥青路面建设,在国内外得到了广泛应用 4。然而,由于拌和温度高,RAP矿料上裹覆的老化沥青极易发生二次老化,造成热拌再生混合料的施工和易性显著降低,进而影响混合料的压实,导致后续的再生沥青路面更容易出现水损害、疲劳开裂等病害 5。因此,为了保证再生沥青路面的服役性能,国内外仍将热拌再生混合料的RAP利用率控制在30%以内 6 。为了提升RAP的利用率,温拌再生技术应运而生,其施工温度为110 140。目前,温拌再生技术是一种发展迅速的绿色环保技术,可减少能源消耗、降低温室气体排放量
11、(相较于热拌再生技术可降低15%45%),极大地减少了由热拌再生产生的沥青烟尘和有毒气体。美国国家沥青技术中心关于温拌再生技术的实体路示范项目和实验室研究已经证明,该技术克服了冷拌再生技术和半温拌再生技术的缺点,适用于大规模沥青路面建设,并具有替代热拌再生技术的潜力 7-8 。Behnood9归纳了温拌再生技术由于制备温度低而具有的优势,即:1)避免了RAP矿料上裹覆的老化沥青发生二次老化,RAP利用率提高至50%以上;2)沥青烟尘排放量减少约2 4%,减少了沥青搅拌站设备的磨损;Tab.1 Physical-rheological properties of SBS(I-D)modified
12、 asphalt before and after aging试验项目针人度(2 5)/0.1mm软化点/延度(5)/cm旋转黏度(135)/(MPas)由表1可知,PAV长期老化后,SBS(I-D)改性沥青的针人度和延度均不满足规范要求。该现象表明沥青原有稳定的胶体结构遭到了严重破坏,沥青变硬、变脆,黏度显著增大,导致其低温延展性和集料的黏附性降低,容易诱发各种路面病害。徐雄 4 通曾伟等:高掺量RAP温拌再生SBS改性沥青的物理-流变性能研究面的服役耐久性意义重大。1试验方案沥青的物理-流变性能对路面的服役性能影响显著,而温拌再生沥青成分复杂,因此要深人探究温拌再生沥青的物理-流变性能。基
13、于此,选取市面上2 种典型温拌剂和一种自主研发的沥青复合再生剂,制备3种RAP掺量的温拌再生沥青,并进行三大指标、布式旋转黏度和温度扫描试验,以期全面揭示高掺量RAP温拌再生沥青的物理-流变性能。2原材料与试验方法2.1原材料检测选用 SBS(I-D)改性沥青,SBS改性剂的掺量为5%。由于RAP抽提沥青操作复杂,且性能变异性较大,因此采用实验室人工老化沥青来研究温拌再生沥青的流变性能。为了获得人工老化的SBS沥青,采用ASTM标准推荐的2 种老化方法:RTFOT短期老化试验和PAV长期老化试验。SBS(I-D)改性沥青老化前后的物理-流变性能见表1。表1 SBS(I-D)改性沥青老化前后的物
14、理-流变性能SBS改性沥青RTFOT短期老化沥青53.145.883.086.237.415.62.4222.8751953)有利于沥青路面压实和温拌再生混合料的长距离运输;4)加热烘干矿料所需的化石能源消耗减少约18%。在温拌再生沥青路面中,温拌再生沥青的物理-流变性能对保证再生路面的服役性能起至关重要的作用。然而,温拌再生沥青的组成成分复杂,包括新沥青、老化沥青、再生剂和温拌剂,其物理-流变性能变化规律尚不明确。因此,研究分析温拌再生沥青的物理-流变性能和变化规律,对保证温拌再生路PAV长期老化沥青规范要求JTGF40200430.1406091.7609.2203.587过研究发现,对于
15、SBS改性沥青而言,老化产生的不利影响还包括SBS聚合物的老化和降解,可使分散在沥青中的三维交联网络结构断裂降解为一系列末端为羟基和羧基的分子(如图1所示),从而严重损害了SBS改性沥青原有的高、低温性能。市放技术196Journal of Municipal Technology为了保护再生老化SBS改性沥青的原有性能,不仅要重新恢复其胶体结构的稳定性,还要掺入合适的老化SBS聚合物修复剂。基于此,笔者研发了一种复合再生剂。该复合再生剂包括能够恢复老化PB软段PS软段第41卷SBS改性沥青胶体结构稳定性的环氧大豆油与老化SBS聚合物修复剂三羟甲基丙烷三缩水甘油醚(质量比为5:3)。SBS聚合
16、物老化降解与再生修复示意如图1所示。物理交联点PB软段PS软段物理交联点PB软段PS软段物理交联点PB:聚丁二烯软段PS:聚苯乙烯硬段PB嵌段断裂为含有羟基或PB羧基的片段受热PB嵌段再连接合适的反应物SBS交联网络结构图1SBS聚合物老化降解与再生修复示意图 4Fig.1 Schematic diagram of aging degradation and regenerative repair of SBS polymer通过多次试配发现,当复合再生剂的掺量为2.1%(按照老化SBS改性沥青质量比计算)时,再生SBS改性沥青的针入度为51.8(0.1mm),软化点为8 2.2,延度为34.
17、7 cm,均满足规范要求。为了实现废旧沥青路面材料可在相对较低的温度下拌和成型,在再生后的SBS改性沥青中掺入2种典型温拌剂(温拌剂S、温拌剂E),以实现温拌促黏、改善施工和易性的目的。温拌剂S是一种有机物理改性温拌剂,常温下呈固体状,温度高于115时能够充分熔化,吸附沥青中与其结构相似的饱和组分,并溶解于该饱和组分中,进而形成稳定的溶液。SBS老化降解在该吸附溶解作用下,沥青加速熔化,温度越高,吸附作用越明显,进而降低沥青的高温黏度,改善施工和易性。通常,温拌剂S的最佳掺量为沥青质量的3%。温拌剂E是一种由增黏剂、乳化剂和抗剥落剂组成的化学温拌剂,常温下呈液体状。温拌剂E不会降低沥青的黏度,
18、而是通过在沥青与集料的界面形成1层水膜来改善沥青与集料的润滑效果,从而达到降低拌和与施工温度的目的。通常,温拌剂E的最佳掺量为沥青质量的0.7 5%。沥青复合再生剂、温拌剂S与温拌剂E示意如图2 所示。高掺量RAP温拌再生沥青制备过程如下:SBS再生修复a)沥青复合再生剂图2 沥青复合再生剂、温拌剂S与温拌剂E示意图Fig.2 Schematic diagram of asphalt composite regenerating agent,warm mix agent S and warm mix agent E1)将老化SBS改性沥青加热至150。2)老化SBS改性沥青温度保持不变,将高速
19、剪b)温拌剂s切机的转速调整至2 0 0 r/min,匀速加入复合再生剂后,再将高速剪切机的转速调整至50 0 r/min,剪切c)温拌剂E第11期搅拌15min(如图3所示)。复合再生剂老化SBS改性沥青加热加人复合再生剂加人新SBS改性沥青、温温拌再生SBS(150,2 5m in)(500r/min,15min)拌剂(8 0 0 r/min,20min)图3高掺量RAP温拌再生沥青制备过程示意图Fig.3 Schematic diagram of the preparation process of highdosage RAP warm mix recycled asphalt3)老化
20、SBS改性沥青温度保持不变,将高速剪切机的转速调整至2 0 0 r/min,匀速加人新SBS改性沥青和温拌剂后,再将高速剪切机的转速调整至800 r/min,剪切搅拌2 0 min。按照上述操作即可得到高掺量(10%、30%、50%)RAP温拌再生SBS改性沥青。基于上述步骤,共制备6 组温拌再生沥青试件,即:S-10%RAP、S-30%R A PS-50%R A P、E-10%RAP、E-30%R A P,E-50%R A P。2.2参照标准与试验方法2.2.1 三大指标试验参照ASTMD52013、A S T MD 36 2 0 12 和 ASTMD113一2 0 17 标准,对未老化和老
21、化后以及温拌再生SBS改性沥青的物理性能进行测试,内容包括针入度、软化点和延度。每个试验均重复3次,最终的试验结果取3次重复试验的平均值。2.2.2布式旋转黏度试验沥青的旋转黏度反映了其在混合和压实过程中的流动阻力和施工便利性。参照美国标准AASHTOT3162019,采用NDJ-79型Brookfield旋转黏度计测量不同温度(115、135、155、17 5)下未老化和老化后以及温拌再生SBS改性沥青的表观黏度。王广兵等 10 发现表观黏度与测试温度呈现出良好的对数关系,即:(1)式中:na为表观黏度,MPas;A。为与体系物性相关的常数;B为常数,反映温度对表观黏度的影响,B值越大,温度
22、对表观黏度的影响就越大;t为温度。利用式(2)计算沥青流动所需的活化能,并对式(2)取对数,即:n=AeR;Ea.1In m=ln A+RT曾伟等:高掺量RAP温拌再生SBS改性沥青的物理-流变性能研究新SBS改性沥青温拌剂n.=Aoe-。Ea197式中A为指前因子,由In n.与六的关系获得;R为T气体速率常数,R=8.314J/(molK);Ea为表观活化能,是拟合直线斜率与常数R的乘积,与成线性关系,kJ/mol;T为绝对温度,K。高掺量RAP沥青活化能是指沥青分子流动所需克服的能垒。)改性沥青表观活化能越大,分子在流动时需要克服的阻力就越大,对应的沥青黏度也越大。反之,表观活化能越小,
23、沥青黏度就越小,在相同温度下的流动性越好,施工和易性越高 。2.2.3温度扫描试验采用动态流变剪切仪对未老化和老化后以及温拌再生SBS改性沥青进行温度扫描试验。试样直径为2 5mm,厚度为1mm,加载角速度为10 rad/s,施加剪切应变3%,升温速率设定为2/min,以研究不同温度(30 9 0)条件下复数剪切模量和相位角等黏弹性参数的变化规律。2.2.4多重应力变恢复试验对未老化和老化后以及温拌再生SBS改性沥青进行多重应力蠕变恢复试验(以下简称“MSCR试验”)。试验温度为6 4,试样直径为2 5mm,厚度为1mm。一般来说,MSCR试验是通过蠕变恢复率(R)、不可恢复蠕变柔量(Jm)、
24、应力水平为3.2 kPa和0.1kPa时不可恢复蠕变柔量差的百分比(Jar-difr)来评估改性沥青的高温抗车辙性能 12 1,较高的R值与较低的Jr值代表令人满意的高温抗变形能力 13。此外,根据规范AASHTOM3322022,由Jnol和Jm32计算的Jrdif值应不超过7 5%。2.2.5线性振幅扫描试验对未老化和老化后以及温拌再生SBS改性沥青进行线性振幅扫描试验(以下简称“LAS试验”)。试样直径为8 mm,厚度为2 mm,试验温度为2 5,频率扫描范围为0.2 30 Hz,线性振幅扫描范围为0.130Hz,以研究不同温拌剂和RAP掺量下的温拌再生SBS改性沥青的疲劳寿命。试验结束
25、后,沥青试样的疲劳寿命可以用黏弹性连续损伤模型 14 计算,即:N=A()-B。(4)式中:N为沥青粘结剂的疲劳寿命;A和B为模型系数;为应变幅度。3温温拌再生沥青试验结果分析与评价(2)3.1三大指标试验结果(3)高掺量RAP温拌再生SBS改性沥青三大指标市放技木198Journal of Municipal Technology试验结果如图4所示。uuTo8848000第41卷大指标变化幅度远低于S型温拌再生沥青,表明温拌剂E对沥青各项性能指标的影响低于温拌剂S。相较于SBS改性沥青,E-10%RAP的针人度增大,软化点减小,说明温拌剂E起到了一定的软化作用,但这种软化作用会随着RAP掺量
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