沥青组分特征对再生沥青胶结...混合料抗疲劳性能的影响研究_李磊.pdf
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1、公路 年月第期 基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目,项目编号 ;中央引导地方科技发展资金项目(基础研究项目),项目编号 ;天津市交通运输科技发展计划项目,项目编号 收稿日期:文章编号:()中图分类号:文献标识码:沥青组分特征对再生沥青胶结料和混合料抗疲劳性能的影响研究李磊,王涛(重庆工贸职业技术学院重庆市 ;北京交通大学北京市 )摘要:目前,旧沥青路面回收料(,)因其潜在的环境和经济效益而被广泛应用于沥青路面建设中。为研究沥青组分特征对高 掺量的再生沥青胶结料和混合料的抗疲劳性能的影响,设计不同掺量的 料和合适掺量的再生剂分别制备了再生沥青胶结料和混合料。首先,采用溶剂洗脱法分离出再生
2、沥青胶结料的组分,并计算出胶体不稳定性指数和沥青质指数表征其组分特征。其次,采用线性振幅扫描试验和点弯曲疲劳试验分别评价再生沥青胶结料和混合料的抗疲劳性能。最后,基于上述试验结果,采用统计学方法研究了沥青组分特征与再生沥青胶结料和混合料的疲劳寿命之间的相关性。结果表明:再生剂的引入可明显改善掺有 料的再生沥青胶结料和再生沥青混合料的抗疲劳性能;沥青质指数与再生沥青胶结料和混合料的疲劳寿命之间存在良好的关联性;胶体不稳定指数和沥青质指数与再生沥青胶结料的疲劳温度等级之间也均有很好的相关性。综上,根据再生沥青胶结料的组分特征,可较准确地预测再生沥青胶结料和再生沥青混合料的抗疲劳性能。关键词:道路工
3、程;旧沥青路面回收料;组分影响;疲劳试验;沥青再生;统计学关联性目 前,旧 沥 青 路 面 回 收 料(,)因其潜在的环境和经济效益而被广泛应用于沥青路面建设中。其中,中的旧沥青可在实验室中采用现行规范中的标准方法从 材料中回收得到。由于沥青路面在其服役期间的长期老化,与新沥青相比,旧沥青的抗疲劳性能明显下降。因此,在很多研究中,进行不同类型再生剂的制备,用于恢复旧沥青的抗疲劳性能。再生剂可提高 旧沥青中软沥青质与沥青质的比例,从而降低其刚度。在沥青化学组成的研究方面,组分分离试验目前已被广泛用于表征沥青的化学成分,其中溶剂洗脱法是最常用的分离方法,已被纳入许多国家(地区)的规范标准测试方法中
4、。首先,使用正庚烷溶剂和滤纸,将沥青质从其他组分中分离出来。然后,采用柱层析法进一步依次分离出饱和分、芳香分和胶质。等研究了沥青组分参数与再生沥青混合料的主曲线参数之间的相关性,发现再生沥青混合料的路用性能与 掺量、沥青质、胶质、芳 香 分 和 饱 和 分 含 量 之 间 存 在 良 好 的 相 关性。其次,等研究发现,再生沥青胶结料中的沥青质含量与其旋转黏度之间也存在良好的相关性,。同时,组分参数与再生沥青胶结料流变性能之间的关系比傅里叶变换红外测试结果(即羰基和亚砜指数)与再生沥青胶结料流变性能的关系更显著。具体而言,多重应力蠕变恢复试验结果(即蠕变恢复率和蠕变劲度柔量)与沥青质含量的统计
5、学相关性表明,沥青质含量对沥青的抗车辙性能具有重要作用。另外,王涛等的研究也发现,再生沥青胶结料的化学成分与其低温性能指标(低温劲度 模 量 值 和 低 温 蠕 变 恢 复 速 率)存 在 强 相 关性。随着再生沥青的胶体不稳定指数的增加,其低温抗裂性能降低。另一方面,等采用黏弹性连续损伤法评价了 掺量高达 的热拌再生沥青混合料的路用性能。研究发现,由于旧沥青的老化,年第期李磊王涛:沥青组分特征对再生沥青胶结料和混合料抗疲劳性能的影响研究的掺入及其掺量的增加提高了再生沥青混合料的刚度,并导致其疲劳寿命的降低。此外,黄宝山等也进行了多项试验,表明在沥青混合料中掺 入 、和 对 其 疲 劳 寿 命
6、 均 存 在 负 面 影响。因此,可总结出 材料中的老化沥青对再生沥青胶结料和再生沥青混合料的疲劳寿命均存在负面作用 。然而,目前从再生沥青化学组成的角度出发,开展其对再生沥青材料疲劳性能影响的研究仍有限。因此,为填补这一研究空白,本研究意在建立沥青组分特征与再生沥青胶结料和混合料的抗疲劳性能之间的相关性。为此,首先采用溶剂洗脱法依次分离出再生沥青胶结料的组分,并采用胶体不稳定系数和沥青质指数表征其组分特征;其次,采用动态剪切流变仪和线性振幅扫描试验评价不同 旧沥青掺量的再生沥青胶结料的抗疲劳性能,采用点弯曲疲劳试验研究不同 掺量的再生沥青混合料的疲劳开裂性能;最后,通过组分参数和疲劳试验结果
7、的对比,采用统计学方法研究沥青组分特征对再生沥青胶结料和混合料的抗疲劳性能的影响。材料与方法 原材料制备 再生沥青胶结料的制备本研究参照现行规范 公路工程沥青及沥青混合料试验规程()中“从沥青混合料中回收沥青的方法”()规定的试验方法,采用旋转 蒸发器从 料 中 提取 出 旧沥青,称 之 为 旧沥青。其次,本研究采用一种轻质油作为再生剂,其沥青质含量为,胶质含量为 ,芳香分含量为,饱和分含量为,动力黏度为 。为达到与新沥青相同的性能等级,再生 剂 的 最 佳 掺 量 确 定 为 旧 沥 青 质 量 的 。在制备再生沥青胶结料的过程中,首先将 旧沥青在 下加热 使其完全流动,然后加入适宜掺量的再
8、生剂和设计掺量的新沥青(号 基 质 沥 青),并 在 相 同 温 度 下 持 续 搅 拌 。最终所制备得到的再生沥青胶结料共 种,其样本代号如下:、。其中,和 分别代表采用 号新沥青的对照组沥青胶结料(,)和完全从 料中回收得到的 旧 沥 青(,)。而 、和 则分别代表掺入、和 旧沥青以及相应掺量再生剂的再生沥青胶结料(,)。再生沥青混合料的制备相应地,制备出种沥青混合料,其样本代号如下:、。其中,代表采用新沥青和新集料制备的对照组沥青混合料(,);而 、和 分别代表掺入 、和 料以及相应掺量再生剂的再生沥青混合料(,)。其中,新沥青采用 号基质沥青。新集料采用玄武岩作为粗集料,石灰岩作为细集
9、料。其级配设计如图所示。再生沥青混合料的配合比设计采用马歇尔设计方法(见表),所有混合料试件的空隙率控制在 范围内。图再生沥青混合料的级配设计表再生沥青混合料的配合比设计再生混合料种类最佳沥青用量空隙率矿料间隙率新沥青用量再生剂掺量 试验设计 组分分离试验本研究依据现行规范 公路工程沥青及沥青混合料试验规程()中“沥青化学组分试验”()规定的试验方法,对再生沥青胶结料进行组分分离操作。主要步骤如下:()采用正庚烷沉淀再生沥青胶结料中的沥青质();()将沉淀中的可溶组分(软沥青质)吸附于活性氧化铝色谱柱上,得到饱和分();()采用甲苯冲洗,分离出芳香分();()采用甲苯乙醇混合溶剂冲洗,分离出胶
10、质()。最后,根据所确定的组分含量(即各组分的质量分数),可进一步计算得到用来表征再生沥青胶结料组分特性的两 个 参 数,即 胶 体 不 稳 定 指 数(,)和沥青质指数(,)。两者的计算公式如下:()()()()()()()()()()疲劳性能分级试验本研究分别采用旋转薄膜烘箱和压力老化容器实现再生沥青胶结料的短期和长期老化。首先,旋转薄膜烘箱试验用来模拟沥青在搅拌、运输和摊铺过程中的短期老化,具体操作为在标准玻璃盛样皿中倒入约 沥青,在 和 空气通气量下,以 的转速旋转,进行 的老化。然后,压力老化容器试验则用来模拟沥青在服役过程中的长期老化,具体操作为将短期老化后的沥青(约)倒入老化盘中
11、,在 和 的环境下老化。本研究选用动态流变仪对长期老化后的再生沥青胶结料进行疲劳性能分级试验,研究再生沥青胶结料的抗疲劳性能。在本试验中,选用 的转子和 的工作间隔。起始测试温度为,终 止 测 试 温 度 为,温 度 间 隔 为,测得各个温度下的复数剪切模量()和相位角(),从而计算得到疲劳因子()。进一步地,取定再生沥青胶结料的疲劳因子值等于 时的温度为其疲劳性能温度等级(性能分级)。线性振幅扫描试验本研究进一步采用线性振幅扫描(,)试验评价再生沥青胶结料的抗疲劳性能。在此试验中,同样选用 的转子和 的工作间隔,测试温度为,先后进行频率扫描和振幅扫描,进而根据下述疲劳模型确定再生沥青胶结料在
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