再生SBS改性沥青混合料的低温性能与细观参数

时间：2024-05-20

刘占良，王广山

(1.石家庄铁路职业技术学院铁道工程系，河北石家庄 050041;2.中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100098)

0 引言

沥青路面在低温环境下往往会经历冻融过程，从而加速诸如裂缝、坑槽等路面病害的产生。再生SBS改性沥青混合料就是对SBS改性沥青混合料的旧料进行再生利用，将改性沥青技术与热再生技术进行结合，从而获得具有良好低温柔韧性与抗裂性能的路面材料。再生SBS改性沥青混合料可在一定程度上减少由冻融现象造成的损坏，并符合节能环保理念［1］。近年来，再生SBS改性沥青混合料已经得到越来越多的关注与应用［2-3］;然而，对于经冻融过程的再生SBS改性沥青混合料的低温特性以及冻融前后材料细观参数变化的研究则鲜有报道。有研究表明，沥青混合料的内部细观参数与其宏观力学性能有着一定的关联性，尤其是对于沥青混合料的低温耐久性能有较显著的影响［4］。当前，对于再生SBS改性沥青混合料低温性能的评价方法仍多限于室内试验的表象研究，很少有涉及到材料细观参数与其宏观力学性能之间关联性的研究，也鲜有对混合料性能的细观定量描述［5］。因此，本文对经冻融过程的混合料小梁试件分别进行间接拉伸试验，研究不同SBS掺量(4%、5%和6%)和不同RAP(再生沥青混合料)掺量(30%、45%和60%)条件下的再生SBS改性沥青混合料的低温性能;并基于X-ray CT无损扫描技术对冻融前后的试件分别进行扫描，通过对冻融前后试件体积指标变化的定量描述，为再生SBS改性沥青混合料低温性能的改善提供理论指导。

1 原材料的技术性能

1.1 RAP

所采用的RAP来自河北某高速公路试验段的铣刨旧料，取料位置为与外界环境直接接触的路面上面层，铣刨深度为5 cm左右。采用抽提法得到的旧沥青技术指标如表1所示。

表1 旧沥青的技术指标

根据《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2015)中的筛分试验确定 RAP的级配，如表2所示。

表2 RAP料的级配

1.2 集料与新沥青

粗细集料均采用灰绿岩，综合考虑RAP的老化状态、河北地区环境、交通、材料特点以及经济性等因素，选取壳牌90#沥青作为基质沥青。采用河北某新材料公司生产的成品SBS改性剂，以壳牌90#基质沥青作为调和沥青，改性温度定在170℃～190℃之间，改性时间为60 min。不同SBS掺量的SBS改性沥青性能如表3所示。

表3 不同SBS掺量的改性沥青性能

由表3可知，SBS改性剂的掺入使基质沥青的各项技术指标都有了不同程度的提升［6］。

2 基于冻融循环试验的再生SBS沥青混合料低温性能研究

基于河北省的自然环境条件，在冻结时先用塑料盒将试件密封，并在室温条件下将80 mL的水注入塑料盒中，再采用保鲜袋将塑料盒整体密封后放入冷冻箱，温度为(－20±1)℃，冻结时间定为12 h;然后将试件直接放入(20±1)℃恒温水中进行水浴融化，融化时间同样为12 h。在此过程中利用冷冻箱与恒温水浴模拟实际工程中的冻融循环作用。混合料制备采用AC-16级配，室内成型不同制备参数的SBS沥青混合料车辙板，并切割成 30 mm×35 mm×250 mm的小梁试件。利用MTS万能试验机进行间接拉伸试验，测定试件的劈裂强度，试验温度为－10℃，加载速率为2 mm·min－1，冻融循环次数为25次。以劈裂强度作为控制指标，劈裂强度越大，则混合料的低温抗裂性能相对越好。

2.1 SBS掺量对再生SBS沥青混合料低温性能的影响

选取SBS掺量分别为4%、5%和6%的再生SBS沥青混合料来研究不同SBS掺量的再生SBS沥青混合料冻融前后的低温性能，其中 RAP掺量为30%。在试验过程中还增加一组RAP掺量为30%的90#基质沥青热再生沥青混合料作为对比。试验结果如图1、2所示。在图1中，横坐标SBS掺量为0则代表RAP掺量为30%的基质热再生沥青混合料。在图2中，采用下降比率作为冻融后劈裂强度下降程度的表征指标(下同)。由图1可知，在不同SBS掺量条件下，相较于基质热再生沥青混合料，再生SBS改性沥青混合料均表现出较好的低温性能［7］。由图2可知，RAP掺量为30%、SBS掺量为6%的热再生沥青混合料冻融后的劈裂强度下降幅度最大，为35.1%;而RAP掺量为30%、SBS掺量为5%的热再生沥青混合料冻融后的劈裂强度下降幅度最小，为14.1%。结合以上试验结果可知，对于再生SBS改性沥青混合料来说，SBS改性剂的掺量并不一定是越大越好，而是在特定条件下存在着一个最佳的SBS改性剂掺量。本试验得出的再生SBS改性沥青混合料的最佳SBS掺量为5%。

图1 试件冻融前后的劈裂强度对比

图2 冻融后劈裂强度的下降比率

2.2 RAP掺量对再生SBS沥青混合料冻低温性能的影响

不同RPA掺量的再生SBS沥青混合料冻融前后劈裂强度对比结果如图3、4所示。在图3中，横坐标RAP掺量为0%的位置表示使用新集料(不含RAP料)制备的沥青混合料。由图3可知，随着RAP掺量的增大，相对于沥青混合料冻融前，基质沥青热再生混合料和再生SBS改性沥青混合料经冻融后的低温性能均有不同程度的降低。在RAP掺量从30%增大到60%的过程中，基质沥青热再生混合料冻融后的劈裂强度下降比率最大为24.5%，再生SBS改性沥青混合料的下降比率最大为20.5%。由图4可知，在不同的RAP掺量下，冻融后的基质沥青热再生混合料的劈裂强度下降比率均大于再生SBS改性沥青混合料的下降比率，即再生SBS改性沥青混合料具有更为优越的抗低温性能［8］。根据试验结果得出，当RAP掺量为30%时，再生SBS沥青混合料冻融后的抗低温性能下降比率最小，仅为8.7%。

图3 不同RAP掺量冻融前后对比

图4 冻融后的低温性能下降比率对比

3 再生SBS改性沥青混合料试件冻融前后的细观特征

基于X-ray CT无损扫描技术，对冻融前后的再生SBS改性沥青混合料试件分别进行扫描，并选择典型的内部结构截面，以闭口空隙为控制指标，定量描述冻融前后试件的细观参数变化［9］。

3.1 准备工作

根据劈裂试验结果，得出制备再生SBS改性沥青混合料的最佳RAP掺量为30%，SBS掺量为5%。为了更贴近实际工程，采用旋转压实仪(SGC)成型标准试件进行CT扫描。扫描电压为220 kV，扫描电流为0.7 mA，投影数为1 200，积分时间为 650 ms，扫描时间为30 min。

3.2 结果分析

为了更直观准确地对冻融前后混合料内部参数的变化进行分析，以冻融前后试件的同一截面扫描图作为对比样本，并采用配套的图像分析软件VG Studio MAX(以下简称VG)对其闭口空隙率进行计算。以每25 mm3为一个体积范围区间，对VG软件的空隙率计算结果进行统计，得到混合料冻融前后的空隙分布变化情况，如图5所示。

图5 试件空隙体积范围分布

由图5(a)可知，冻融前的再生SBS改性沥青混合料空隙体积分布主要在0～75 mm3区间，采用VG软件计算其闭口空隙率为3.36%。由图5(b)可知，冻融后再生SBS改性沥青混合料空隙体积分布也主要在0～75 mm3区间，但其闭口空隙率为3.92%，相比冻融前增大了16.7%。对于冻融前的再生SBS改性沥青混合料，冻融后的再生SBS改性沥青混合料在0～25 mm3档体积区间内的空隙分布数量下降了10.1%，而25～50 mm3档体积区间内的空隙分布数量则上升了34.9%。