随着我国道路交通行业的稳步发展,路网规模已位居世界前列。由于路面养护、翻修的需求量逐渐增大,沥青路面再生技术成为道路领域的研究热点。温拌再生技术作为一种新型环保技术,相对于传统热再生有着降低高温能耗的优势。2007年,Mallick等
[1]将温拌技术与再生技术结合并展开大量试验,由此开始了温拌再生技术研究热潮。Kim等
[2]通过半圆弯曲试验研究温拌沥青混合料在水损伤条件下的抗裂性能,发现温拌沥青混合料抗裂性能高于热拌沥青混合料。Ziari等
[3]基于弹性模量、动态蠕变、间接拉伸强度和间接拉伸疲劳等试验,将掺加RAP和纤维的沥青混合料进行温拌再生,研究结果表明,添加RAP后温拌再生沥青混合料的疲劳寿命显著降低。Vishal等
[4]利用四点弯曲疲劳试验探究有水条件和无水条件下热拌、温拌SMA沥青混合料的疲劳性能,发现温拌剂对SMA沥青混合料的抗疲劳性有显著提升。Stimilli等
[5]发现有机降黏型温拌剂容易使沥青变脆,进而导致再生混合料开裂,将新沥青与新集料先进行拌和,延长拌和时间,最后再添加RAP,可有效促进其与新沥青的融合。Guo等
[6]发现温拌剂可增强沥青与骨料的附着力。丁济同
[7]发现随着RAP掺量的增加,温拌再生沥青混合料的低温性能略有下降,且RAP掺量最多可达到40%。因此,温拌再生技术中将RAP的回收利用率提高的同时,保证温拌再生混合料的路用性能成为亟待解决的问题。
内蒙古地区昼夜温差较大,往往会导致沥青路面出现低温开裂,而再生沥青混合料由于抗裂性的减弱限制了RAP掺量的提升,因此,有必要对温拌再生沥青混合料的低温抗裂性能进行研究,以明确其对区域温度的适应性。目前,对沥青混合料开裂性能的研究,通常采用小梁四点弯曲试验、间接拉伸试验和半圆弯曲试验
[8]。袁鑫
[9]发现半圆弯曲试验对评价其低温抗裂性能的可靠性最强。罗培峰
[10]基于半圆弯曲试验,发现AC类和SMA类沥青混合料在0 ℃时的断裂能最大,抗裂性能最好,而在-15 ℃的低温抗裂性能最差。
近年来,DIC因其非接触的高精度测量优势被应用到道路工程材料研究的领域中
[11]。Seo等
[12]为了验证数字图像相关技术,将承受张力的沥青混合料试件中部和底部的垂直位移与传统的线性可变差动变压器测量进行比较。通过同步图像采集技术,验证了数字图像相关技术的可靠性。王岚等
[13]通过半圆弯曲并结合数字散斑相关方法对紫外老化后的热拌橡胶粉和SBS改性沥青混合料的开裂特性进行研究。Jiang-san等
[14]利用DIC变形场,将沥青混合料试件疲劳裂纹划分为微裂纹和宏观裂纹进行分析。Xing等
[15-16]结合DIC技术和计算机层析成像系统,研究沥青混合料在试验过程中体积参数的变化。Li等
[17]通过半圆弯曲试验并结合数字散斑相关方法,发现利用应变场和位移场变化率可以对沥青混合料的开裂特性进行分析。Jiang等
[18]在15 ℃温度条件下通过半圆弯曲试验并结合DIC技术,研究不同荷载水平下沥青混合料的疲劳损伤特性,发现可以通过DIC测试系统捕捉平均拉伸应变。
现在,越来越多的研究者正在通过微观试验来探索沥青的微观结构如何影响其宏观性能。Zhang等
[19]和Wang等
[20]采用AFM对老化前后沥青的“蜂状结构”的四组分进行分析,发现随着老化时间的增加,沥青组分间黏附力下降,沥青变脆,因此,低温性能变差。Nazzal等
[21]通过AFM研究回收沥青瓦(recycled asphalt shingles,RAS)与原样沥青之间的混溶效果,并结合沥青混凝土开裂装置对低温开裂的可能性进行了评估,发现RAS材料与原样沥青的混溶效果非常有限,且显著降低了沥青混合料的低温抗裂性能。
综上所述,DIC技术可以更精确地从细观尺度研究沥青混合料的变形特性,但目前将其应用于测试温拌再生沥青混合料变形特征的相关研究较少,因此,有必要结合DIC技术对温拌再生混合料的变形特征进行研究。而在跨尺度研究中,虽有较多学者利用AFM对沥青材料进行研究,但至今还没有学者用其从微观层面上确切地解释是什么决定了沥青的宏观性质。因此,通过低温下的SCB试验,对不同RAP掺量下温拌再生SBS改性沥青混合料的低温抗裂性能进行研究,并结合DIC技术,基于应变场对沥青混合料的损伤开裂过程进行分析,最后利用AFM观测分析RAP中旧沥青与新沥青混溶前后的微观力学演化过程,以微观力学特性表征宏观开裂规律,将宏观、细观与微观尺度相结合,为温拌再生SBS改性沥青混合料路面材料的低温性能评价提供参考。
1 试验材料概况
1.1 原材料
选用SBS改性剂掺量为4%(掺量为占沥青总体质量的百分比)的SBS改性沥青混合料。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)和《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004),对SBS改性沥青混合料技术指标进行评价,测试结果如
表1所示。再生剂选用常州路友交通设施有限公司生产的LY-2型沥青再生剂,温拌剂采用常州路友公司生产的表面活性型温拌剂,集料采用内蒙古地区的玄武岩碎石,矿粉为呼和浩特当地的石灰岩矿粉,RAP为呼和浩特当地铣刨回收的花岗岩分档料,各项技术指标均满足行业规范要求。
1.2 沥青混合料制备
选择玄武岩(5~10 mm档和0~5 mm档)作为新集料,设计目标级配为AC-20的温拌再生SBS改性沥青混合料。
1.3 再生SBS改性沥青混合料试件制备
将回收后的旧沥青进行抽提和燃烧炉法试验,综合考虑两个试验所带来的误差,选择将燃烧炉法和抽提试验结果的平均值作为最终沥青含量测试结果,此时得到的RAP中旧沥青含量为2.38%,进行常规性能试验,试验结果如
表2所示。
采用温拌的拌和方式制备再生SBS改性沥青混合料,拌和温度控制在160 ℃,温拌剂掺量为1.2%(温拌剂掺量为占沥青总质量的百分比),再生剂掺量根据旧沥青的实际老化情况以及三大指标回复情况来综合考虑,最终确定再生剂掺量为16%(再生剂掺量为占老化沥青质量的百分比)。
1.4 SCB试件制备
将旋转压实成型后的沥青混合料进行钻芯取样,然后通过精密切割机将其切成厚为25 mm,直径为100 mm的半圆试件,预切口为10 mm。
使用白色哑光漆在距离试件50 cm的位置进行喷洒,待漆面干燥后利用散斑滚轮在底漆上制作黑色散斑点,如
图1所示。
1.5 SCB试件的老化
将试件进行实验室模拟长期老化,根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中沥青混合料沥青含量的试验方法,首先对沥青混合料进行短期老化,再将短期老化后的成型试件放入温度为(85±3) ℃的烘箱中连续加热(120±0.5) h,最后待试件充分冷却。
2 试验条件
2.1 SCB试验条件
SCB试验采用万能材料试验机,选用恒定应力加载模式,结合三点弯曲配套的加载装置进行半圆弯曲试验,底部支座两个圆形支撑点的距离为80 mm。加载速率为0.8 mm/min,待试件完全破坏后终止试验,加载频率为10 Hz,试验温度选取-20 ℃、-10 ℃和0 ℃,试验影响因素为温度和长期老化条件。
2.2 DIC试验条件
基于SCB试验,结合DIC对不同条件下的温拌再生SBS改性沥青混合料变形特性进行追踪,利用沥青混合料试件上的散斑得到变形前后的图像,借助VIC-3D分析软件得到沥青混合料试件变形前后的应变场信息和开裂情况。
2.3 AFM试验条件
采用BRUKER公司生产的MultiMode 8型扫描探针显微镜对原样SBS改性沥青、长期老化后的SBS改性沥青混合料以及温拌再生SBS改性沥青混合料进行微观形貌观测,探针选用RTESPA-150,扫描模式为PeakForce QNM模式,扫描区域为15 μm×15 μm,分辨率像素为512×512,在室温下进行观测,再使用Nanoscope Analysis软件对测得数据进行处理,并通过微观形貌、杨氏模量和黏附力对沥青的表面微观结构进行分析,以研究老化前后及温拌再生SBS改性沥青混合料的微观力学特性。
3 SCB试验结果分析
在低温状态下,沥青混合料基本表现为线弹性,断裂呈现为脆性断裂
[22]。评价沥青混合料抗裂性能的评价指标有很多,其中断裂能作为评价指标,对再生SBS改性沥青混合料的低温抗裂性能进行分析时得到的效果较为准确。断裂能的计算需要利用荷载位移曲线,即
式中:为试件的断裂能,J/mm2;Wf为断裂功,J;,P为竖向荷载,N;u为平均负载线位移,mm;Alig为试件断裂韧带面积,mm2;,其中l、r和k分别为试件的厚度(mm)、半径(mm)和预切口长度(mm)。
对0 ℃、-10 ℃和-20 ℃三个试验温度下不同RAP掺量的温拌再生混合料断裂能进行研究,将得到的数据进行整理,绘制成
图2。
从
图2可知,在三个温度条件下,混合料的断裂能均随着温度的降低而减小,抗裂性能随着温度的降低而劣化。这是由于沥青是黏弹性材料,随着温度的降低,沥青会转变为脆性,并发生脆性破坏,使其抗裂性能的下降。随着混合料中RAP掺量的增加,其断裂能也随之下降,这是由于RAP掺量的增加使温拌再生混合料中的旧沥青含量也随之增加,旧沥青在荷载和环境的作用下经过长时间的老化,使其脆性相较于新沥青更加明显
[23]。并且当RAP掺量高于60%时,温拌再生混合料的断裂能大幅下降,这说明当RAP掺量到达一定值时,会严重削弱温拌再生沥青混合料的抗裂能力。而在0 ℃时,断裂能随RAP掺量增加的下降幅度明显大于-10 ℃和-20 ℃时,这是因为不掺加RAP时,混合料自身有一定的抗裂性能,所以掺加RAP后断裂能有较大的下降空间,而在-10 ℃与-20 ℃时,混合料的低温抗裂性能远小于0 ℃时,在掺加RAP后断裂能的下降空间小于0 ℃,因此负温度下RAP掺量对断裂能的敏感性降低。
4 DIC试验结果与分析
4.1 基于应变场特征云图的开裂特性分析
半圆试件在加载过程中主要在水平方向上发生变形,产生的裂缝为张开型,此时受水平位应变的影响最大。为了分析各条件下再生沥青混合料试件的水平应变,通过VIC-3D软件对图像进行数值化处理后,可以得到试件在裂纹萌生阶段、裂纹发展阶段和开裂破坏阶段的变形云图。利用特征云图对全场变形进行分析后,发现不同RAP掺量下试件的应变云图具有相似的变化规律,以RAP掺量为20%的温拌再生SBS改性沥青混合料为例,全场水平应变
Exx的变化趋势如
图3所示。
试件的水平应变局部集中在裂缝扩展路径中,这是由于在加载过程中产生的微裂缝逐渐发展成宏观裂缝,进而形成破坏。在裂纹萌生阶段,试件上部受压,下部受拉,全场水平应变值变化较小,仅在预切口处存在应力集中,而左下角处的应力集中是由于混合料拌和成型时内部沥青胶结料与集料和RAP分布不均;在裂纹发展阶段,预切口上部区域逐步产生微小裂缝,由于沥青胶结料和集料界面总会存在一定缺陷,故界面附近出现应力集中和残余应力,使得该处水平应变较高,而且沥青混合料是多相组成的复合材料,裂纹的发展趋向于沿混合料相对薄弱的位置进行,随着微裂纹不断延伸,水平应变值也在相应增加;在试件破坏阶段,裂缝延伸至试件顶端,预切口处的应力集中区域也随着裂缝上移,最终试件破坏,全场应变值减小。
4.2 基于应变场的开裂特性分析
在半圆试件预切口左右各选取1个点,分别标为D1、D2,如
图4所示。
通过D1、D2两点水平应变
Exx来研究各掺量下沥青混合料起裂点附近开裂情况。为从宏细观相结合的角度研究温拌再生SBS改性沥青混合料的开裂特性,以-10 ℃时未老化的温拌再生混合料为例,分析这两点的水平应变
Exx-时间
t曲线,如
图5所示。
图5(a)、
图5(b)分别为点D1、D2的水平应变
Exx-时间
t曲线,相较于D2点,D1点处的水平应变总体大于相同RAP掺量下D2点处的水平应变,且出现水平应变峰值的时间相对滞后,这说明预切口右侧相对变形较小,可能是沥青混合料内部集料分布不均匀导致的。无论温拌再生SBS改性沥青混合料中RAP掺量为多少,水平应变
Exx-时间
t曲线都经历了三个阶段:1) 微裂缝产生期。此阶段下的水平应变值增加幅度不大,试件在荷载作用下内部产生弯拉应力,但没有达到临界应变,故此时试件表面还未出现裂纹。2) 微裂缝发育期。此时水平应变急剧增加,在图中表现为水平应变
Exx-时间
t曲线斜率增加,这是由于在荷载的作用下,沥青混合料的界面黏附力与外界荷载达到动态平衡状态,此状态下,水平应变虽一直增加,但受到此平衡状态的抑制,导致曲线出现波动,沥青混合料内部产生微裂纹。3) 宏观裂缝产生阶段。预切口处的应力集中位置上移,试验点处的
Exx减小,在上一阶段的微裂纹处出现新的应力集中,继续增加荷载,微裂纹不断发育、贯穿,当
Exx增加到最大水平应变时,宏观裂纹形成,发生开裂破坏。
根据应变场中水平应变数据,对D1点处的水平应变进行求导以得到应变速率,并绘出应变速率与时间的变化曲线图,如
图6所示。
由
图6(a)可知,在加载初期,应变速率虽有波动,但数值始终趋近于0,这是由于加载初期混合料中的小孔隙先发生变形,混合料整体应变较小,而后微裂纹逐渐形成,在74 s首次出现了较大的波动幅度,此时微裂纹相互贯通产生宏观裂缝。
图6(b)中分别在64 s和66 s左右出现了两个应变速率峰值,且应变速率的值域远小于其他RAP掺量的应变速率值域,这是由于沥青混合料内部结构差异较大,此时微裂缝以不同的速率在各个方向上延伸,且在裂缝沿途经过较易开裂的沥青-集料界面,导致应变速率产生较大的波动幅度。通过对比可知,裂缝形成的速率随着RAP掺量的增加而增加,发生断裂的时间也随之提前。这表明RAP掺量的增加,导致沥青混合料的缺陷增加,开裂的可能性变大,可能是因为再生剂和温拌剂在拌和过程中分布不均,不能很好地将RAP中的旧沥青进行再生恢复,废旧沥青与新沥青之间形成的“软-硬”沥青夹层导致沥青整体黏结性能降低,并且RAP掺量越大,混合料中的新旧沥青夹层就越多,更易出现开裂破坏。
图6(e)中应变速率极值产生的时间最早,此时试件发生破坏,说明当RAP掺量过高时,大量的老化沥青无法与新沥青和再生剂进行充分混溶,集料与沥青之间的胶结作用很弱,低温性能已无法满足路用要求。
4.3 粗集料在开裂过程中的行为分析
在本研究中RAP的粗集料主要为花岗岩,而新集料主要为玄武岩,不同的集料导致沥青混合料内部结构有所差异。为了研究在开裂过程中不同集料的开裂特性,两种集料在200×倍率下的扫描电镜结果见
图7,其中上侧为花岗岩,下侧为玄武岩。可以观察到玄武岩较花岗岩具有更为粗糙的表面以及细微凸起,玄武岩表面有较多孔隙,致使岩石的表面粗糙度和比表面积比较大,增大了沥青与集料之间的接触面积和黏附力,有利于增加沥青黏附性等级和沥青混合料路面的抗磨性能
[24]。
为了进一步对不同集料的开裂特性进行研究,借助DIC技术对RAP掺量为60%的温拌再生SBS改性沥青半圆试件开裂过程的水平应变进行定量分析,在半圆试件RAP粗集料(花岗岩呈现灰白色)界面位置上取8个红色点T1、T2、Q1、Q2、F1、F2、P1、P2,在新集料玄武岩(呈现灰黑色)界面位置上取8个蓝色点N1、N2、Y1、Y2、W1、W2、E1、E2,选点如
图8所示,将上述数据点进行数据提取和分析,得到水平应变
Exx的变化结果,如
图9所示。
由
图9可知,无论是花岗岩还是玄武岩,在纵向上取的点(P1、P2、Q1、Q2、E1、E2、Y1、Y2),其
Exx远大于其余点。这说明在垂直荷载下,由于水平张力的作用,在界面的垂直方向上更容易产生应力集中现象,在垂直荷载作用下,界面的垂直方向比水平方向更容易开裂。此外,RAP集料界面在试件发生断裂后的斜率远大于玄武岩界面,这说明RAP集料界面抵抗变形的能力较小,且RAP相较于玄武岩新集料的黏附性更弱,导致RAP界面较为薄弱。玄武岩界面处的
Exx均小于RAP界面,这是因为RAP相较于新集料,本身服役年限过长,其自身性能下降,在再生过程中不能做到性能完全恢复,导致界面处的沥青黏结性能变差,因此,RAP界面更易开裂。
5 沥青微观试验结果与分析
由于再生沥青中RAP与新沥青的混溶效果也会对再生沥青混合料的抗裂性能造成影响,采用AFM对SBS改性沥青、60%旧沥青掺量的混溶沥青以及温拌再生后的混溶沥青的微观特性进行研究。
图10(a)为原样SBS改性沥青的3D形貌图,将图像输出设置中的“skin type”由高度改为黏附力,颜色越深代表数值越小,
图10(b)为原样SBS改性沥青的2D形貌图,
图10(c)为其余两张图中三种颜色圈中区域的黏附力曲线,纵坐标为黏附力大小,横坐标为
图10(b)中所截蜂状结构剖面的坐标。沥青中的沥青质在析出过程中容易发生相分离,进而形成凸起的白色条纹以及凹陷的黑色条纹,两种条纹的高低差产生了蜂状结构
[25]。且在3D形貌图中,深色区域大多为蜂状结构的凸起处,这意味着沥青微表观黏附力并非均匀分布,而是在蜂状结构处黏附力较周围区域更小。与此同时,大分子SBS相互交联为蜡结晶提供较大的晶核,致使蜂状结构增大,相应的溶剂化层增大并相互重叠,从而形成了连续相与蜂状结构的两相结构,其中连续相的黏附力大于蜂状结构的黏附力
[26]。
由于宏观试验得出在RAP掺量大于60%时,沥青混合料的性能会急剧劣化,
图11左侧为四种沥青利用AFM所观察到的微观形貌图。从结果可以看出,四者之间在蜂状结构的数量和面积上均存在明显差异。在进行温拌再生后,沥青的蜂状结构数量增多、尺寸进一步减小,这是由于在沥青经历老化后,胶质及沥青质的比例增加,导致了蜂状结构的增加。再生剂的加入调节了沥青的四组分组成,补充了轻组分,并且降低了老化沥青中沥青质的相对含量
[27]。有研究表明,蜂状结构的本质是蜡结晶,沥青质等大分子成分可以为蜡结晶提供晶核,而表面活性类温拌剂通过降低沥青的黏度、增强沥青的流动性来进一步分散沥青质与蜡晶
[28-29],因此,SBS改性沥青掺入旧沥青、温拌剂和再生剂后,蜂状结构数量增多,蜂状结构尺寸越来越小。
图11右侧为SBS改性沥青四种状态下的杨氏模量分布情况,可以看到沥青杨氏模量的分布与黏附力分布类似,相较于原样沥青,掺有60%旧沥青的混溶沥青
EDMT的离散程度显著提高,这说明旧沥青掺量过大会加剧沥青性能的劣化程度,在制成沥青混合料后,受外部荷载的影响更易产生应力集中,促进沥青表面微裂缝的形成
[26]。
为了进一步用AFM从微观层面上研究沥青混合料的低温特性,对四种沥青四组分进行分析。由于沥青中的极性基团大多以沥青质和胶质的形式存在,而芳香烃组分的分子量小,不能形成大的凸起或凹陷结构,因此,其会吸附在沥青质和胶质周围,在沥青微观结构图中形成相对水平的部分。胶质是沥青质的溶质,在四组分中起胶黏剂作用,硬度和密度略低于沥青质。因此,认为白色隆起部分下方的黄色隆起部分和尾部的黄色隆起部分为胶体
[19]。
6 结论
1) 宏观力学指标断裂能Gf显示,温拌、热拌再生沥青混合料的抗裂性能均随着RAP掺量的增加而降低,随着温度的降低而降低,且温拌再生沥青混合料的抗裂性能略优;细观力学指标水平应变Exx表明,RAP掺量的增加导致废旧沥青含量增加,使整体再生沥青的低温性能下降,在RAP掺量不超过60%时,混合料的低温抗裂性能变化较稳定。
2) 加载初期,混合料中的小孔隙先变形,导致整体水平应变速率较小,宏观裂缝在应变速率峰值处形成,RAP掺量增加,对应的时间点提前;分析集料界面应变变化规律发现,花岗岩RAP界面旧沥青性能未完全恢复,沥青黏结性能变差,更易开裂。
3) AFM对比分析表明,随着旧沥青掺量增加,大分子量的沥青质与胶质增多,此时沥青黏附力下降,低温性能下降,易形成应力集中并促使微裂缝形成,最终引发宏观开裂;旧沥青掺量过高时,新旧沥青融合不足,因此混溶沥青的力学性能较差。
4) 研究了不同RAP掺量下温拌再生SBS改性沥青混合料的低温开裂行为,建议在低温地区使用温拌再生SBS改性沥青作为路面材料时慎重选择RAP掺量。