基于人工RAP老化沥青的新旧沥青融合特性研究

　　高掺量的旧沥青混合料(RAP)用于沥青路面再生具有一定的挑战性和困难性，主要是由于RAP中老化后的沥青劲度较高，在二次使用后变得更硬，对沥青的低温开裂性能不利。具有明显环保优势的生物再生剂可降低RAP的劲度并增加其黏性成分，该再生剂同RAP的结合应用也受到了相关研究者的广泛关注。但是目前尚无研究进行生物再生剂、软沥青以及温拌添加剂对高掺量人工RAP老化沥青再生效果的完全评估和比较。为了解决这一问题，本研究中，使用了生物再生剂和另外两种再生剂，即软沥青和Evotherm-DAT来比较这3种典型再生剂对含有不同比例人工RAP老化沥青的再生效果。
　　通过进行针入度、软化点、旋转黏度、动态剪切流变仪(DSR)和弯曲梁流变仪(BBR)实验，来表征所制备再生样品的基本性能、施工和易性和流变性能。测试结果表明：该生物再生剂在较高掺量RAP沥青中使用时具有较好的再生效果，尽管在低温性能方面的改善不大。此外，Evotherm-DAT对含有30%人工RAP老化沥青的试样具有显着的软化作用。实验结果同时表明，当掺量分别为50%和80%时，Evotherm-DAT和生物再生剂可以分别发挥其优良的再生性能。
　　关键词
　　人工RAP老化沥青 | 再生性能 | 软沥青 | Evotherm-DAT | 生物再生剂
　　近年来，在沥青路面的修建过程中，很多具有可持续性和环保型的应用技术被开发和推广。例如，将工业垃圾和生活垃圾材料循环应用到路面工程中是废物回收利用的好方法[1]。温拌沥青技术(WMA)的应用减轻了施工过程中的有害气体的排放。此外，从已损坏或老化的旧路面获取路面材料加以重新利用，该技术在节能和环保方面具有显着的优势，也一直作为路面研究人员和工程师的热门研究课题。根据冷真等的研究发现[2]，在相同的使用寿命(15年)下，就地热再生可以节省5%的成本，减少对环境产生的不利影响为16%。基于Willis的研究[3]，通过再生利用25%~50%的旧沥青混合料(RAP)，建筑材料成本可降低20%~35%。此外，含有一定比例的RAP的再生沥青混合料可具有与原始沥青混合料相似的工程性能，并具有更好的抗车辙性能[4]。
　　尽管如此，通过再生利用RAP来修建高质量和高性能的路面仍然存在挑战。一方面，使用RAP会带来一系列的问题，诸如早期路面病害(低温和疲劳开裂)，新老沥青不能完全混合和使用寿命缩短[5，6]等。随着再生技术的发展，对RAP再生利用率的要求不断提高。但是，再生混合物中RAP的一般使用比例低于25%，即回收利用比例仍不高。
　　为了在不损害路面性能的情况下提高沥青混合料中的RAP含量，许多相关研究都关注于再生剂的应用。再生剂在沥青路面再生中的使用一般可分为以下3种方法：第一种方法是将较软的沥青与RAP老化沥青混合来降低沥青较高的刚度[7]；第二种方法是温拌添加剂的应用，该技术可降低生产中混合和压实时的温度，温拌技术不仅可以在沥青混合料中使用高比例的RAP，而且还可以通过降低生产温度来产生巨大的环境经济效益[8]；第三种方法是使用再生剂恢复老化沥青的性能，同时，生物再生剂由于其可再生和环保特性而在工程建设中应用较广。生物再生剂主要来自一系列植物或动物的可生物降解物质，例如植物油，废物衍生油，猪粪等[9-12]。Ahmad等发现从麻风树籽中提炼得到的植物油有助于降低黏合剂在低温下的黏度，同时还可改善施工和易性[9]。
　　根据Elkashef等的研究，从大豆中提取的植物油再生剂也已被证明可以有效地恢复老化沥青的疲劳和低温性能[10]。龚明辉等研究了从废弃食用油中获得的生物再生剂来再生老化沥青的性能，并得出结论，该再生剂能够提高老化沥青的施工和易性和流变性[11]。Fini等发现从猪粪中提取的生物油可以通过降低黏度，提高再生沥青瓦(RAS)的延展性和断裂能来起到再生的作用[12]。尽管已有学者们对于生物再生剂的再生效果进行了大量研究，但是再生性能影响方面的数据仍较少，并且缺乏对不同再生剂的再生性能的全面研究和比较。
　　在这项研究中，引入了一种不同的含有改性剂的生物再生剂，并研究了不同含量的人工RAP老化沥青对它的再生效果。同时，将其再生效果与软沥青和Evotherm-DAT进行了比较。为实现上述的研究目标，一系列试验在本研究中展开，并将在以下部分中介绍。预期该研究的结果将探索在老化沥青再生上使用3种再生剂的可能性，从而满足对低成本、节能和环保效益的需求。
　　试验方案
　　材料和样品制备
　　本研究中使用的原样沥青是70号沥青，为中国华南地区最常用的沥青。人工RAP老化沥青(简称RAP)是通过实验室旋转薄膜烘箱试验(RTFO)和压力老化试验(PAV)老化获得的[13]。在RTFO实验中，将原样沥青在163 加热85min，同时使其以4L/min的速度连续流动，以模拟沥青在生产、混合和压实过程中的短期老化。然后，通过PAV将准备好的RTFO样品进行长期老化，将样品在100 下加热20h，同时承受2.1MPa的压力。处理20h后，将样品取出，脱气并存储以备将来测试。表1列出了70号原样沥青和人工RAP老化沥青的性能。
　　本研究中使用的3种再生剂分别是软沥青，WMA添加剂和生物再生剂。90号沥青被选作软沥青，因为它可以减小RAP老化沥青较高的刚度。用作再生剂的WMA添加剂是Evotherm-DAT(简称DAT)。Evotherm由Mead Westvaco ASPHALT INNOVATIONS公司发明，DAT作为Evotherm的第二代产品，是一种含有少量水的液体表面活性剂。由于其对提高施工和易性，已被用于RAP和RAS。根据Arega等的研究[14]，本研究中DAT剂量为5%。第3种再生剂，即生物再生剂(Bio-rejuvenator，BR)，是由80%的含有生物基成分的新型再生剂，15%的WMA添加剂(Evotherm-3Ｇ)和5%的苯乙烯丁二烯橡胶(SBR)组合而成。
　　其中，新型再生是从环氧化植物油中提取的，然后用一种名为邻苯二甲酸二丁酯(DBP)的增塑剂进行改性。选择和添加DBP的原因在于可以提高生物沥青的低温性能，从而获得的再生性能[15]，DBP的剂量为5%。作为Evotherm第三代产品的Evotherm-3Ｇ在许多方面类似于Evotherm-DAT，但无水分。
　　尽管在降低温度方面，Evotherm-3Ｇ在所有版本的Evotherm产品中效果不佳，但它已被认为是一种成功的热拌添加剂，可提高沥青的施工和易性，并被用作改性剂以增强沥青的再生能力。使用SBR胶乳则可以提高抗车辙性能和低温性能[16]。基于Zhu等的研究[15]，本研究中BR的剂量为老化沥青质量的10%。表2列出了软沥青和BR的基本性能。
　　通过改变RAP掺量，原始沥青掺量和3种再生剂的使用制备了14个样品。本研究中使用的不同剂量的RAP老化沥青分别占沥青总质量的30%，50%和80%。为了生产均匀的共混物，将原始样品在135 下混合10min，然后立即在相同温度下将共混物再加热10min以消除气泡。为了模拟生产过程中的实际工业过程，首先将再生剂与新沥青及原样沥青混合，然后将所有组分加热并混合。表3描述了所有样品中不同成分的对应含量。
　　实验方法
　　为了研究和表征上述再生剂对高掺量RAP的再生效果，在本研究中进行了以下实验，包括针入度和软化点、黏度、动态剪切流变仪(DSR)、弯曲梁流变仪(BBR)和频率扫描。试验方案流程见图1。
　　(1)基本性能试验
　　所制备的沥青样品的工程性能测试包括通过针入度(25 )和软化点试验，依照ASTMD5和ASTMD36规范。沥青的旋转黏度反映了它们在混合和压实过程中的流动阻力和施工和易性。根据AASHTOT316，使用BROOKFIELD RV-DVⅢ超旋转黏度计在135 和150 下测量所有制备样品的黏度。针对每个实验，重复试验为3次。
　　(2)DSR试验
　　为了表征沥青试样在高温和中温下的流变性，本研究遵循了AASHTOT315-12中的要求，使用动态剪切流变仪(DSR，MalvernKinexusLab+，Malvernanalytical Company，英国)来进行。
　　通过车辙因子试验研究了沥青的高温性能。在该测试中，选定的转子直径为25mm，转子与板之间的间隙为1mm。测试温度开始于58 ，然后在自动升高6 直至达到标准规定的界限。耐车辙性通过车辙因子G＊/sinδ进行评估，G＊/sinδ对于未老化的沥青等于1kPa，对于RTFO老化的沥青等于2.2kPa。每个样品准备3次重复试验，并对每种未老化或RTFO老化的试样进行测试。
　　根据AASHTOTP101-14，通过线性振幅扫描(LAS)测试评估了经受长期老化的每种样品的抗疲劳性能。LAS测试分两个阶段进行。在第一阶段，在特定温度(本研究中为25 )下进行频率扫描(0.2~30Hz)，并在线性黏弹性范围水平(0.1%)内进行恒定振幅应变，以确定材料的未损坏特性(α)。在第二阶段，以10Hz的频率水平执行振幅扫描测试，其中负载幅度从0线性增加到30%。基于VECD理论的沥青样品中的损伤累积可以用等式(1)表示[17]。
　　(3)BBR试验
　　通过根据AASHTOT313在-6 ，-12 和-18 的温度下进行BBR测试，评估了测试样品(PAV老化样品)的低温性能。确定的弯曲蠕变劲度和ｍ值可表征沥青在低路面使用温度下的蠕变行为，并显示出热裂的可能性。较低的弯曲蠕变劲度倾向于减轻路面中产生的热应力，较高的m值有利于迅速分散积聚的应力，这都意味着更好的抗裂性[18]。在测试中，为每组PAV老化的样品准备了两个重复样品。
　　(4)主曲线
　　频率扫描用来评估中温下沥青的线性黏弹性能。选择所有经受过RTFO老化过程的沥青样品，以确定再生效果。在4个不同温度(0 ，10 ，25 和45 )下，在线性范围内以0.01%的恒定小应变幅度对每个样本进行了0.1Hz~10Hz的频率测试(11个点)黏弹性范围。在测试过程中使用间隙设置为2mm的8mm平行板。然后通过将曲线在不同温度下移至参考温度25 来构建主曲线。Chiristenson-Anderson-Marasteanu(CAM)模型用于复杂的剪切模量拟合[19]。对于CAM模型，拟合函数可以写为方程式(5)。
　　结果与讨论
　　针入度和软化点
　　针入度和软化点试验的结果分别见图2。随着RAP含量的增加，在相同的混合方案中，沥青的针入度降低，而软化点则增加。此外，在相同的RAP含量下，与包括RAP和原始沥青的混合样品相比，3种再生沥青样品具有更高的针入度和更低的软化点。原因是软沥青、DAT和BR可以在一定程度上减少RAP老化沥青的硬度。其中，DAT具有最佳的软化效果，这可以从30-V-D和50-V-D的针入度和软化点值看出。30-S和30-V-BR的针入度值分别为59和57(0.1ｍｍ)。这意味着当RAP含量为30%时，软沥青的软化效果略好于BR，这同时可以从30-S和30-V-BR的软化点结果看出。然而，当RAP含量增加到50%或更高时，观察到BR再生的沥青样品与包括软沥青的沥青样品相比，表现为针入度的增加和软化点的降低。这意味着BR可以用作再生剂，并且使用在更高比例RAP中，比软沥青具有更好的再生效果。
　　施工和易性
　　高温下的旋转黏度被认为是表征沥青胶结料施工和易性的重要参数之一。通常，具有较低黏度的沥青，表明具有更好的流动性和涂覆能力。图3显示了在135 和150 下的布鲁克菲尔德黏度测试结果，可以看出，老化作用对沥青的黏度有显着影响。随着RAP含量的增加，在135 和150 的黏度值均呈上升趋势。与135 下的VB黏度值相比，30-V，50-V和80-V的黏度分别增加了15.8%，35.7%和74.5%。
　　在老化过程中，轻组分的氧化和蒸发导致沥青变硬，从而导致黏度急剧上升。结果也清楚地表明，添加这3种再生剂可以降低黏度。对于含30%RAP的共混样品，软沥青和BR的黏度值几乎与VB相同，而DAT的添加导致黏度小于VB。50-V-BR在135 时的黏度为449MPa·ｓ，而50-S中为540MPa·ｓ，表明当RAP含量增加到50%时，BR再生的样品具有更好的施工和易性。此外，在RAP含量为80%时，BR在降低黏度方面效果最好。可能的原因是BR的流动性和其含有大量轻质组分。黏度结果与之前分析的试验结果一致，3种再生剂在RAP含量为30%时效果良好，而DAT和BR在RAP含量为50%时表现出更好的再生效果。
　　车辙性能
　　图4和图5分别显示了未老化和RTFO老化沥青试样的车辙因子与温度的关系，而表4给出了失效温度测试结果。正如所预期，G＊/sinδ值随温度的升高而降低，这归因于随着温度升高，沥青变软，黏度降低。还可以发现，随着RAP含量的增加，样品的耐车辙性逐渐提高。这是由于老化沥青的存在导致混合沥青样品的硬化。在未老化状态下，可以从图4(a)得知，BR的添加导致G＊/sinδ值降低，表示高温性能降低。值得注意的是，当在相同温度下使用30%和50%的RAP时，含DAT的混合物的Ｇ＊/sinδ值最低，见图4(b)，失效温度最低(参见表4)。这表明DAT对沥青在高温下的劲度影响较大。但是，随着RAP含量增加到80%，80-V-BR的Ｇ＊/sinδ值最低，见图4(b)，并且80-V-BR的破坏温度为70.3 ，80-S和80-VD相比更低(见表4)，表明BR的软化效果在高RAP含量下仍能发挥有效作用。
　　短期老化后，见图5(a)，与VB相比，30-V-BR和50-V-BR的G＊/sinδ值略有增加，但是3种沥青样品之间的增加幅度变小。还应注意的是，RTFO后DAT的软化作用降低。见图5(b)，50-V-D的G＊/sinδ值略高于VB，而80-V-D的G＊/sinδ值与80-S几乎相似。这些结果与未老化条件下的比较结果不同。这意味着高含量的RAP和短期老化过程可能会导致DAT的软化效果急剧下降。
　　疲劳性能
　　已有研究表明，疲劳因子是在线性黏弹性范围内测量的，并不能作为测量沥青胶结材料抗疲劳性的完全可靠的参数，原因是它无法用于评估实际的抗损伤性[21，22]。考虑到包括振幅、加载周期、加载条件和材料类型在内的一些因素会影响沥青路面的疲劳性能，并且在评估疲劳响应时也值得考虑其损伤特征，因此进行了LAS试验可以准确地评估混合物的疲劳行为。讨论了损伤特征曲线和疲劳寿命随应变的变化。
　　根据VECD理论[17]，绘制了具有不同样品的完整性参数(C)与损伤强度(D)曲线(即C~D曲线)，并在图6(a)和图6(b)中显示。由图6(a)，RAP和BR的加入会影响沥青结合料的疲劳损伤演变。与VB相比，在相同损坏水平下，30-V，50-V和80-V的C值呈下降趋势。同早期的研究[23]一样，材料完整性的降低率随着较高的RAP百分比而增加。此外，BR对C和D之间关系的影响也很明显。
　　可以看出，BR的添加有助于提高材料的抗损伤性。另外，50-V-BR的C~D曲线与30-V-BR的C~D曲线相当，但是与VB相比，BR再生的黏合剂的C~D曲线仍显示出C的降低，这表明BR的应用仍无法恢复沥青在疲劳损伤方面与原始状态相同的性能。此外，图6(b)表明，在RAP含量为30%和50%时，添加DAT可以最大程度地提高抗损伤性，其次是软沥青，然后是BR。当RAP的含量增加到80%时，80-V-BR显示出与80-V-D相似的C~D曲线，并且两者均显示出比80-S更好的抗损伤性。
　　与原始沥青相比，含有30%，50%和80%RAP的沥青的疲劳寿命与施加应变曲线的关系见图7。曲线以对数形式表示可使曲线显示直线，每条线的斜率等于-B(B 2α)。B参数的增加意味着在较高的应变速率下较高的损伤率。与相同的RAP含量的原始沥青和其他3种再生的沥青相比，没有任何再生剂的共混样品的疲劳曲线都显示出更陡峭的趋势，这意味着更大的B值。这表明，加入老化的沥青可以提高对应变率变化和疲劳寿命损失的敏感性，而3种再生剂能够逆转这种影响。
　　同样，可以观察到，与在2.5%以下的应变水平下的原始沥青相比，RAP与原样沥青结合表现出改善的疲劳寿命。正如该文献所提到的[24]，由于具有较硬性质的材料(如老化的沥青)显示出较低的疲劳寿命，因此该结果不如预期。但是，当应变水平超过5%时，50-V产生的疲劳性能几乎与VB相同，而80-V显示出疲劳寿命的显着下降，无法与VB相比。因此，就疲劳性能而言，在工程实践中确定RAP的掺量需要谨慎。
　　在5%应变水平下的疲劳寿命进行评估，与现场性能更具相关性[10]，因此本研究中考虑了该应变水平。对加有3种不同再生剂的再生沥青，在RAP含量为30%时，与其他两种再生剂相比，使用软沥青对延长疲劳寿命的影响突出。随着RAP百分比的增加，3种再生沥青之间的Nf值差距逐渐缩小。当使用80%的RAP时，80-S和80-V-D具有相似的疲劳寿命，见图8，尽管BR再生的沥青在5%应变水平下显示出最差的疲劳寿命，但应注意的是，与VB相比，BR再生的沥青在不同应变水平下(1%，2.5%，5%和10%)，其中50-V-BR表现出比较好的疲劳性能。
　　这意味着通过增加再生的RAP含量，沥青的疲劳寿命并不总是持续增长的趋势。总体而言，从疲劳性能的角度来看，软沥青的引入更适合30%的RAP含量，当RAP含量限制为50%时，使用软沥青和DAT均被视为最佳选择。随着RAP含量增加到80%，3种再生剂对疲劳性能的影响差异很小。
　　低温性能
　　沥青的低温性能可以通过两个参数来表征，包括通过BBR测试的弯曲蠕变劲度和ｍ值。具有较低弯曲蠕变劲度和较高ｍ值的沥青显示出更好的抗裂性。根据Superpave规范(AASHTOT313)，要满足低温沥青登记，劲度不应该超过300MPa，m值应不小于0.3。
　　图9给出了在-6 ，-12 和-18 下，RAP和3种再生剂对的蠕变劲度和ｍ值的影响。如图所示，所有沥青的蠕变劲度都随温度的降低而增加，m值降低，这证明了沥青的黏弹性为温度依赖性。对于同种混合沥青样品，RAP的量对低温性能都有重要影响。随着RAP含量的增加，蠕变劲度呈上升趋势，m值减小，这不利于抗裂性。正如所预期的，3种再生剂的使用在一定程度上扭转了蠕变劲度和ｍ值的变化趋势。可以看出，在-6 的测试温度下，所有样品均满足Superpave规定的要求。当温度为-12 时，大多数其他样品均未达到m值的要求，这可能归因于RAP硬化对施加载荷时沥青硬度变化率的强烈影响。
　　但是，30-S，30-V-D和30-V-BR的ｍ值分别为0.31、0.31和0.30。这一结果表明这3种样品通过规范要求，并显示出比VB更好的低温性能。在-18 时，所有样品均无法通过规定要求。总体而言，在RAP百分比为30%的情况下，与BR再生的再生沥青相比，含有软沥青的再生样品和添加DAT的样品显示出更好的低温性能。随着RAP含量提高到50%，3种再生的样品之间没有显著差异。然而，当RAP含量限制为80%时，尽管BR不能将沥青的蠕变劲度和ｍ值恢复到原始状态，但其效果最佳。因此，可以得出结论，当使用较高的RAP含量时，引入BR可以减小蠕变劲度并提高ｍ值。
　　主曲线
　　本研究以25 为基准温度，建立了复数模量和相位角主曲线，描述了沥青在较宽的频率和温度范围内的流变性。图10(a)示出了原样沥青，由原始沥青和RAP混合的沥青样品，BR再生的沥青样品以及RAP的主曲线。正如预期的那样，随着RAP百分比的增加，沥青的复数模量持续增加，而PAV老化沥青显示出最高的复数模量。BR的引入可以减缓这一硬化作用，并且随着RAP含量的增加，复数模量的增长范围变得较小，这可以从80-V-BR的主曲线与50-V-BR接近。
　　另外，从这些沥青样品的主曲线来看，不同样品复数模量的间隙在低频和中频时仍然显著，但是在低温和极高的频率下不再那么明显。主曲线倾向于以很高的频率收敛到渐近线，这与文献中先前的发现是一致的[25]。另外，沥青胶结料的相位角随RAP比例的增加而减小，而含BR的样品的相位角比不含再生剂的样品的相位角高，这与复模量的结果分析相符。
　　图10(b)，图10(c)和图10(d)分别显示了与原始黏合剂相比，含有30%，50%和80%RAP的沥青样品的主曲线。对于含有相同比例的RAP样品，与原沥青和RAP组合的样品相比，软沥青、DAT和BR对黏合剂的软化效果表现为模量主曲线向下移动，而相位角主曲线在移动方向则相反。从图10(b)可以看出，在RAP含量为30%时，DAT的软化作用极强，而软沥青比BR具有更好的软化作用。图10(c)显示了当RAP含量增加到50%时，BR再生的样品和含软沥青的样品之间没有明显的区别。当百分比增加到80%时，如图10(d)所示，BR对软化RAP的影响比软沥青和DAT更大，这符合先前讨论的结论，即50-V-BR和80-V-BR的主曲线相似。这表明BR在使用较高比例的RAP中仍能有效地抵消老化沥青的硬化作用。
　　结语
　　本文研究了生物再生剂对含有不同比例RAP的沥青的再生作用，并将其与软沥青和Evotherm-DAT这两种再生剂进行了比较。根据测试结果，总结如下。
　　(1)3种再生剂均能够在一定程度上抵消由于加入RAP而产生的不利影响。
　　(2)在含有30%RAP的条件下，与生物再生剂相比，添加软沥青的样品在RTFO后具有较低的复数模量和较高的相角，并且对改善低温性能具有更好的影响。此外，它具有恢复疲劳性能的最大潜力。
　　(3)RAP含量不超过50%时，Evotherm-DAT表现出最佳的软化效果，并表现最佳的施工和易性。但是较高的RAP和老化过程可能会对Evotherm-DAT的再生效果产生不利影响。
　　(4)当RAP含量为80%时，尽管使用生物再生剂不能使其恢复到原始性能，但添加生物再生剂是提高低温性能和软化效果的最有效方法，并且可以使沥青具有同原样沥青类似的耐疲劳性能。
　　全文完 首发于《公路》2021年4月