木焦油基再生瀝青低溫性能評(píng)價(jià)及其作用機(jī)理分析

劉崇麟，蔣 康，吳超凡，劉克非

（1.中南林業(yè)科技大學(xué) 南方綠色道路研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015；3.湖南省建筑固廢資源化利用工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙 410205）

將廢舊瀝青混合料（RAP）循環(huán)再生后應(yīng)用于道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與養(yǎng)護(hù)，可降低經(jīng)濟(jì)成本，避免廢料堆放對(duì)土地的占用并減少對(duì)環(huán)境的污染.然而，由于瀝青在使用過(guò)程中的老化與硬化作用，老化瀝青產(chǎn)生了組分重組及分子結(jié)構(gòu)的變化，需使用再生劑恢復(fù)其使用性能［1］.已有研究結(jié)果表明，再生劑可顯著恢復(fù)老化瀝青結(jié)合料的3大指標(biāo)至原樣瀝青水平，但其低溫抗裂性能隨著再生劑種類和摻量的不同而具有顯著差異［2］.

低溫抗裂性能是影響再生瀝青推廣應(yīng)用（尤其是寒冷地區(qū)和高摻量RAP工況下）的核心問(wèn)題之一.然而，當(dāng)前的再生瀝青低溫性能研究大多停留在宏觀性能或混合料層面上，對(duì)再生瀝青結(jié)合料低溫抗裂性能的微觀尺度分析和評(píng)價(jià)指標(biāo)研究還不夠完善，特別是對(duì)于老化瀝青再生過(guò)程中低溫性能恢復(fù)機(jī)制尚未有系統(tǒng)的深入研究.馬濤等［3］基于材料復(fù)合理論，分析了再生劑與老化瀝青間的材料復(fù)合效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)再生劑對(duì)老化瀝青低溫延度具有明顯的改善作用.譚憶秋等［4］采用彎曲梁蠕變勁度試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)采用單一指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青低溫性能存在片面性，強(qiáng)調(diào)應(yīng)采用綜合指標(biāo)或者多種方式相結(jié)合來(lái)衡量瀝青的低溫性能.Mokhtari等［5］采用cryo-SEM技術(shù)評(píng)價(jià)了再生瀝青的低溫抗裂性，發(fā)現(xiàn)再生劑未改變?yōu)r青原有物理化學(xué)性質(zhì).丁海波等［6-7］研究了廢基底油渣再生瀝青的低溫性能，發(fā)現(xiàn)蠟晶粒的低溫結(jié)晶及其相界造成的應(yīng)力集中是導(dǎo)致再生瀝青長(zhǎng)期低溫性能降低的原因.Zaumanis等［8-9］研究了6種再生劑對(duì)老化瀝青低溫性能的影響，結(jié)果表明再生劑種類對(duì)老化瀝青結(jié)（混）合料低溫性能的影響差異顯著.

木焦油作為木質(zhì)生物質(zhì)材料的高溫裂解產(chǎn)物，主要以廢家具木屑和生產(chǎn)活動(dòng)中的廢木材為主，具有來(lái)源廣泛、廢物利用、環(huán)?？稍偕奶攸c(diǎn)［10］.已有研究證明，木焦油作為瀝青改性劑可有效改善瀝青的低溫性能和抗疲勞性能［11］.在作為老化瀝青再生劑使用時(shí)，木焦油可降低老化瀝青的黏度并提高其針入度，木焦油基再生瀝青的使用性能滿足規(guī)范要求，其高溫抗變形性能優(yōu)于基質(zhì)原樣瀝青［12］.為了更全面地評(píng)價(jià)再生瀝青的性能，促進(jìn)木焦油基再生瀝青的實(shí)際應(yīng)用，本文采用分布和應(yīng)用廣泛的毛竹裂解物——木焦油作為基礎(chǔ)原料，將不同比例的木焦油、生物質(zhì)纖維、增塑劑與固定比例的增容劑、穩(wěn)定劑混合制備復(fù)合再生劑，并且以基質(zhì)瀝青和商用RA-102再生瀝青作為對(duì)照組，采用宏微觀試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究再生劑對(duì)老化瀝青低溫抗裂性能的影響，分析其性能恢復(fù)機(jī)理.

1 材料與試驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

原樣瀝青為70#基質(zhì)石油瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，分別制備短期老化（RTFOT）和長(zhǎng)期老化（PAV）瀝青（下文所述老化瀝青均為PAV老化瀝青）.

表1 各瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical specifications of each asphalt

1.1.2 再生劑

采用木焦油、生物質(zhì)纖維、增塑劑、穩(wěn)定劑和增容劑為基本組分制備木焦油基瀝青再生劑.其中：木焦油產(chǎn)自湖南省攸縣某環(huán)保木炭廠，其原料為毛竹；生物質(zhì)纖維為實(shí)驗(yàn)室自制的由毛竹和木材的莖桿或樹(shù)皮制成的改性絮狀纖維；增塑劑（鄰苯二甲酸二辛酯）、穩(wěn)定劑（月桂基丙撐二胺）和增容劑（順丁烯二酸酐）均購(gòu)自長(zhǎng)沙吉瑞化玻儀器設(shè)備有限公司，分析純.

為進(jìn)行對(duì)比研究，采用江蘇蘇博特新材料有限公司提供的RA-102再生劑（其主要成分為抽出油）作為對(duì)照組.2種再生劑的基本性能見(jiàn)表2.

表2 再生劑基本性能Table 2 Basic properties of rejuvenators

原樣瀝青、木焦油基再生劑及RA-102再生劑的 紅外光譜測(cè)試結(jié)果如圖1所示.

圖1 各原材料紅外光譜圖Fig.1 Infrared spectrum of each raw material

1.2 再生瀝青的制備

將PAV老化瀝青按圖2所示流程圖進(jìn)行處理，分別制得木焦油基再生瀝青和RA-102再生瀝青.其中，木焦油基再生劑和RA-102再生劑的摻量分別為老化瀝青質(zhì)量的15%和10%.各再生瀝青基本技術(shù)指標(biāo)也列于表1.

圖2 再生瀝青制備流程圖Fig.2 Preparation process of rejuvenated asphalt

1.3 試驗(yàn)方法

（1）延度試驗(yàn)：按照J(rèn)TG E20—2011中T 0605測(cè)試瀝青延度，試驗(yàn)溫度15°C，拉伸速率1 cm/min.

（2）彎曲梁蠕變勁度（BBR）試驗(yàn)：按照J(rèn)TG E20—2011中T 0627測(cè)試瀝青的60 s彎曲蠕變勁度模量S值和蠕變速率m值，以評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能.試件尺寸為127.00 mm×6.35 mm×12.70 mm，測(cè)試溫度：-6、-12、-18°C.

（3）差示掃描量熱（DSC）試驗(yàn)：采用NETZSCH公司生產(chǎn)的STA 449F3型同步熱分析儀測(cè)試各瀝青的低溫?zé)嵝阅?，升溫速率?0°C/min，測(cè)溫區(qū)間為-60～100°C.測(cè)試過(guò)程中采用20 mL/min的N2作為氛圍氣體.

（4）組分分析（SARA）試驗(yàn)：為明確瀝青老化/再生前后的組分變化，根據(jù)JTG E20—2011中T 0618—1993，將各狀態(tài)下的瀝青分離出飽和分、芳香分、瀝青質(zhì)和膠質(zhì)4種組分.采用凝膠指數(shù)IC（IC為瀝青質(zhì)和飽和分的質(zhì)量和與芳香分和膠質(zhì)的質(zhì)量和之比）來(lái)評(píng)價(jià)瀝青膠體狀態(tài).

（5）凝膠滲透色譜（GPC）試驗(yàn)：為明確瀝青老化/再生前后相對(duì)分子質(zhì)量的變化情況，采用美國(guó)Waters公司生產(chǎn)的1515型凝膠滲透色譜儀測(cè)試瀝青在不同狀態(tài)下的相對(duì)分子質(zhì)量.色譜柱溫度為30℃，柱壓2 268.455 kPa，采用四氫呋喃作為瀝青試樣的溶劑和流動(dòng)相，流動(dòng)相流速為1 mL/min.

（6）紅外光譜（FTIR）試驗(yàn)：采用IRAffinity-1S型光譜儀分析瀝青老化/再生前后官能團(tuán)的變化情況及可能產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng).測(cè)試波長(zhǎng)400～4 000 cm-1，分辨率4 cm-1.測(cè)試過(guò)程中先將瀝青溶解于CS2溶液中，然后用KBr粉末制作壓片，用移液管滴取少量試樣至壓片上，直到溶劑完全揮發(fā)后放入光譜儀中分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 延度試驗(yàn)結(jié)果

各瀝青15℃延度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 各瀝青15°C延度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Ductility（15°C）test result of each asphalt cm

老化會(huì)顯著削弱瀝青的低溫抗裂性能.由表3可知：PAV老化使得原樣瀝青延度降低82%；再生劑可有效恢復(fù)老化瀝青的延度，木焦油基再生劑及RA-102再生劑均可將老化瀝青延度提升至接近原樣瀝青水平，表明2種再生劑可有效恢復(fù)老化瀝青的低溫性能.

2.2 BBR試驗(yàn)結(jié)果

采用蠕變速率m與蠕變勁度模量S作為評(píng)價(jià)瀝青低溫性能的指標(biāo)，較大的m值或較小的S值表示瀝青具有較好的低溫性能.各瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3.由圖3可知，再生劑的加入可有效恢復(fù)老化瀝青的蠕變勁度模量及蠕變速率.在-12°C條件下，木焦油基再生瀝青和RA-102再生瀝青的S值分別比原樣瀝青高6.7%和1.9%，兩者的m值分別比原樣瀝青低10%和7.89%，說(shuō)明RA-102再生劑對(duì)老化瀝青低溫性能的恢復(fù)效果略優(yōu)于木焦油基再生劑.當(dāng)溫度降低、路面產(chǎn)生相同的收縮應(yīng)變時(shí)，再生瀝青內(nèi)的溫度應(yīng)力較原樣瀝青大，應(yīng)力松弛能力較低，故再生劑可以改善老化瀝青的低溫抗裂性能，但不能使其完全恢復(fù)至原樣瀝青的程度.但是，有研究者認(rèn)為，單純采用S值或m值來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能會(huì)產(chǎn)生矛盾或過(guò)于片面［13］，故采用Burgers模型推導(dǎo)出m（t）與S（t）間的物理關(guān)系，定義一個(gè)新的參數(shù)a＝m/S來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能.a值越大，瀝青低溫性能越好.

圖3 各瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 BBR test results of each asphalt

圖4為3種測(cè)試溫度下，不同瀝青的a值.由圖4可見(jiàn)：a值在-6～-12°C段的變化較-12～-18°C段劇烈，表明在-6～-12°C區(qū)間內(nèi)，隨著溫度的降低，瀝青組分發(fā)生了物理變化，致使其低溫抗裂性能大幅降低［13］；3種瀝青的a值均隨著溫度降低而減小，即隨著溫度的降低，各瀝青的低溫抗裂性能隨之減弱.以-12°C為特征點(diǎn)，可見(jiàn)木焦油基再生瀝青和RA-102再生瀝青的a值分別比原樣瀝青降低15.63%和9.62%，表明木焦油基再生劑與RA-102再生劑雖然可顯著提高老化瀝青的低溫抗裂性能，但難以使其完全恢復(fù)至原樣瀝青水平.

圖4 各瀝青a值隨測(cè)試溫度的變化Fig.4 Change of a value with temperature of each asphalt

為進(jìn)一步探討再生劑對(duì)瀝青低溫性能的影響，分別計(jì)算各瀝青低溫連續(xù)分級(jí)溫度（S＝300 MPa或m＝0.300），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5.低溫連續(xù)分級(jí)溫度越低，瀝青低溫性能越好［5］.如圖5所示，3種瀝青的低溫連續(xù)分級(jí)溫度由低到高依次為：原樣瀝青＜RA-102再生瀝青＜木焦油基再生瀝青，但三者間的最大差值不超過(guò)3℃，說(shuō)明再生劑的加入可有效恢復(fù)老化瀝青的低溫變形能力及應(yīng)力松弛能力，較大程度地抵抗低溫對(duì)老化瀝青產(chǎn)生的不利影響，進(jìn)一步驗(yàn)證了再生劑可以改善老化瀝青的低溫抗裂性能.

圖5 各瀝青低溫連續(xù)分級(jí)溫度Fig.5 Low-temperature continuous grading temperatures of each asphalt

2.3 DSC試驗(yàn)結(jié)果

采用DSC試驗(yàn)研究各瀝青的低溫?zé)嵝阅?，測(cè)試瀝青在不同溫度下的聚集狀態(tài)及其隨溫度的變化情況，獲取結(jié)晶度FC和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg，進(jìn)而評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能.

結(jié)晶度FC表征瀝青分子鏈從高溫向低溫轉(zhuǎn)變時(shí)折疊形成片晶的量值［14］，F(xiàn)C值越大，瀝青脆性越大.FC值可按式（1）確定.

式中：ΔHf為共混物的熔合焓，J/g；ΔH為100%結(jié)晶聚合物的熔合焓（固定值），J/g.

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg表征瀝青從橡膠態(tài)轉(zhuǎn)化為玻璃態(tài)時(shí)的溫度，這一溫度意味著瀝青分子鏈的運(yùn)動(dòng)減慢或凍結(jié).在Tg以下，瀝青的松弛能力很低，脆性很大.所以在實(shí)際應(yīng)用中瀝青的Tg值越低，低溫性能越好.各瀝青的低溫?zé)嵝阅軠y(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 各瀝青低溫?zé)嵝阅茉囼?yàn)結(jié)果Table 4 Test results of low-temperature ther mal per for mance of each asphalt

再生劑的加入使瀝青的脆性減小.由表4可知，老化瀝青的結(jié)晶度較高，而結(jié)晶會(huì)使瀝青的微觀結(jié)構(gòu)變得規(guī)整、致密，分子鏈排列緊密，分子間運(yùn)動(dòng)受阻，從而導(dǎo)致瀝青的脆性增大.與老化瀝青相比，木焦油基再生瀝青和RA-102再生瀝青的結(jié)晶度顯著降低，表明再生劑可在低溫下抑制瀝青結(jié)晶，減小脆性，從而改善瀝青的低溫性能.

根據(jù)分子結(jié)構(gòu)理論，瀝青分子間的作用力及分子鏈間的柔韌性是影響Tg值的主要因素，分子間相互運(yùn)動(dòng)越弱，分子鏈間柔韌性越高，瀝青的Tg值越低［9］.由表4可知，老化作用使瀝青的Tg值顯著升高，即老化限制了瀝青分子間的相互作用，降低了分子鏈間的柔韌性.與老化瀝青相比，木焦油基再生瀝青和RA-102再生瀝青的Tg值分別降低了5.01℃和5.49℃，表明再生劑的加入提高了瀝青分子鏈在低溫下的柔韌性，減弱了分子間作用力，使瀝青的應(yīng)力松弛增大，延度提高，從而使其低溫性能得到改善，這與延度和BBR測(cè)試結(jié)果一致.

2.4 SARA試驗(yàn)結(jié)果

瀝青的膠體穩(wěn)定性可用凝膠指數(shù)IC表征，IC值越高，瀝青膠體越不穩(wěn)定.表5為瀝青老化/再生前后的組分含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）分析結(jié)果.

表5 各瀝青SARA試驗(yàn)結(jié)果Table 5 SARA test results of each asphalt

由表5可知：與原樣瀝青相比，老化瀝青的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量分別提高了23.30%和48.05%，芳香分含量則減少了21.12%，飽和分含量變化不大.表明老化作用使烷烴芳香分部分轉(zhuǎn)化為了極性芳香分，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)，并最終轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)［15］；經(jīng)木焦油基再生劑再生后，老化瀝青的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量分別降低了21.53%和14.61%，芳香分含量則提高了13.40%；經(jīng)RA-102再生劑再生后，老化瀝青的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量分別降低了23.93%和22.09%，芳香分含量提高了17.65%.由此可知，2類再生劑都起到了再生效果，調(diào)和了老化瀝青各組分間的比例，使得再生瀝青的組成更接近原樣瀝青.相比之下，RA-102再生劑的組分調(diào)和效果略優(yōu)于木焦油基再生劑.

此外，由表中數(shù)據(jù)可知，與原樣瀝青相比，PAC老化瀝青的凝膠指數(shù)IC值增大，從而使得瀝青膠體變得不穩(wěn)定.加入再生劑后，瀝青IC值降低，瀝青膠體重新趨于穩(wěn)定，膠體類型由凝膠型向溶-凝膠型轉(zhuǎn)變.木焦油基再生劑對(duì)老化瀝青膠體結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)作用與RA-102再生劑大致相當(dāng).

2.5 GPC試驗(yàn)結(jié)果

已有研究表明，瀝青的相對(duì)分子質(zhì)量分布與其性能密切相關(guān)，故采用GPC分析各瀝青的數(shù)均相對(duì)分子質(zhì)量Mn、重均相對(duì)分子質(zhì)量Mw和分散系數(shù)d.各參數(shù)計(jì)算公式如下［16］：

式中：M i為i組分的相對(duì)分子質(zhì)量；N i為M i的分子數(shù)量；W i為M i的組分質(zhì)量.

瀝青相對(duì)分子質(zhì)量分布的分析結(jié)果如表6所示.瀝青老化/再生前后的相對(duì)分子質(zhì)量微分分布曲線如圖6所示.

圖6 瀝青老化/再生前后重均相對(duì)分子質(zhì)量微分分布曲線Fig.6 Differential distribution curves of average relative molecular mass of asphalt before and after aged/rejuvenated

表6 各瀝青相對(duì)分子質(zhì)量分布Table 6 Relative molecular mass distribution of each asphalt

重均相對(duì)分子質(zhì)量Mw表示瀝青按質(zhì)量統(tǒng)計(jì)的相對(duì)分子質(zhì)量.一般情況下，Mw值越大，分子間作用力越強(qiáng)［17］，瀝青的流動(dòng)性越弱，其低溫抗裂性能也越弱.由表6可知，各瀝青Mw值由大到小的排序?yàn)椋豪匣癁r青＞RA-102再生瀝青＞木焦油基再生瀝青＞原樣瀝青.4種瀝青中，老化瀝青的分散系數(shù)d值最大，表明老化瀝青的相對(duì)分子質(zhì)量分布范圍最寬，分布最為分散，分子相變化最為平緩，因而其黏度大，流動(dòng)性差［17］.與老化瀝青相比，木焦油基再生瀝青和RA-102再生瀝青的Mw值和d值顯著降低，即再生劑充當(dāng)了“溶劑”，產(chǎn)生了“潤(rùn)滑”作用，從而有效增強(qiáng)了瀝青分子的運(yùn)動(dòng)能力，增強(qiáng)了其低溫抗裂性能.

根據(jù)相關(guān)研究［17］，圖6可大致分為3部分：相對(duì)分子質(zhì)量較低（lgMw＜3.602）、相對(duì)分子質(zhì)量居中（3.602＜lgMw＜3.903）、相對(duì)分子質(zhì)量較高（lgMw＞3.903）.在相對(duì)分子質(zhì)量較低時(shí)，4種瀝青中的瀝青相對(duì)含量由大到小排序?yàn)樵瓨訛r青＞木焦油基再生瀝青＞RA-102再生瀝青＞老化瀝青，表明再生劑的加入可提高小分子物質(zhì)的相對(duì)含量，而小分子物質(zhì)間的相互作用力較小，其相對(duì)含量越多，則瀝青在低溫下越能更好地相對(duì)移動(dòng)，使其能在較低的溫度下保持足夠的流動(dòng)性，從而具有較好的低溫延展性；同時(shí)，小分子物質(zhì)間的內(nèi)聚力較小，使得瀝青的延度較大［17］.在相對(duì)分子質(zhì)量較高時(shí)，4種瀝青中的瀝青相對(duì)含量由大到小排序?yàn)槔匣癁r青＞RA-102再生瀝青＞木焦油基再生瀝青＞原樣瀝青.大分子物質(zhì)在瀝青中相對(duì)含量的增加意味著分子間的相互作用增強(qiáng)，瀝青分子間的黏聚力增強(qiáng)，分子間相對(duì)運(yùn)動(dòng)減弱，在宏觀上即表現(xiàn)為延度和蠕變速率的下降、勁度模量的上升.由圖6可以看出，木焦油基再生劑可降低老化瀝青中大分子物質(zhì)的相對(duì)含量，使各物質(zhì)相對(duì)含量趨于原樣瀝青，從而恢復(fù)老化瀝青的低溫抗裂性能.

2.6 FTIR試驗(yàn)結(jié)果

各瀝青結(jié)合料FTIR試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.選取可表征瀝青老化程度的羰基（C＝O）和亞砜基（S＝O）官能團(tuán)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，驗(yàn)證再生劑對(duì)老化瀝青低溫性能的恢復(fù)作用.由圖7可見(jiàn)，與原樣瀝青相比，老化瀝青在760、1 028、1 650、2 850 cm-1附近存在明顯的吸收峰.其中：760 cm-1附近為苯環(huán)三取代的吸收峰；1 028 cm-1附近為亞砜的吸收峰；1 650 cm-1附近為酮類的吸收峰；2 850 cm-1附近的—CH2—對(duì)稱收縮和—CH3對(duì)稱收縮增強(qiáng)明顯，表明在老化過(guò)程中這幾種基團(tuán)的振動(dòng)都有不同程度的增強(qiáng).因此，瀝青老化過(guò)程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，使分子鏈斷裂或雙鍵、三鍵發(fā)生加成反應(yīng)，形成了—CH3.—CH2—峰強(qiáng)度的提高說(shuō)明瀝青在老化過(guò)程中有較多的短鏈碳?xì)浠衔锇l(fā)生加成聚合反應(yīng)，生成了長(zhǎng)鏈化合物，即芳香族化合物向?yàn)r青質(zhì)轉(zhuǎn)變［18］.

圖7 各瀝青FTIR試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 FTIR test result of each asphalt

與老化瀝青相比，再生瀝青在720～880 cm-1附近的C—H鍵振動(dòng)強(qiáng)度減弱明顯，代表亞砜基的S＝O鍵（1 030 cm-1處）振動(dòng)強(qiáng)度和代表羰基的C＝O鍵（1 745 cm-1處）振動(dòng)強(qiáng)度均減弱明顯，表明2種再生劑均與老化瀝青發(fā)生了化學(xué)反應(yīng).再生劑中的芳香類物質(zhì)與瀝青有很好的相容性，能充分溶解瀝青質(zhì)，起到再生老化瀝青的作用.此外，再生瀝青在2 850～3 000 cm-1附近的O—H鍵振動(dòng)強(qiáng)度也有明顯變化，這是因?yàn)樵偕鷦┲泻休^多輕質(zhì)油分，可補(bǔ)充老化瀝青中缺失的小分子組分，因而起到降低黏度、提高黏附性的效果.

為進(jìn)一步明確瀝青老化/再生前后羰基（C＝O）和亞砜基（S＝O）峰強(qiáng)度的變化，根據(jù)下式計(jì)算特征官能團(tuán)的峰強(qiáng)度［19］：

式中：IS＝O為亞砜指數(shù)；IC＝O為羰基指數(shù)，其值越大，瀝青老化程度越深.

各瀝青特征官能團(tuán)指數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7.

表7 各瀝青特征官能團(tuán)指數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 7 Characteristic functional group index of each asphalt

由表7可知，與原樣瀝青相比，老化瀝青的IC＝O值和IS＝O值分別提高了17.22%和38.23%，表明老化作用可顯著提高亞砜基和羰基峰強(qiáng)度.再生劑的加入可顯著降低2種特征官能團(tuán)的峰強(qiáng)度.與老化瀝青相比，木焦油基再生瀝青的IC＝O值和IS＝O值分別降低了5.71%和15.55%，RA-102再生瀝青的對(duì)應(yīng)值分別降低了5.47%和18.01%.因此，2種再生劑都可降低老化瀝青的亞砜基和羰基峰強(qiáng)度，有效抑制碳鍵和硫鍵的氧化，進(jìn)而恢復(fù)瀝青的低溫抗裂性能.

2.7 灰色關(guān)聯(lián)度分析

為評(píng)價(jià)瀝青各性能指標(biāo)與低溫抗裂性能間的相關(guān)性，采用灰色關(guān)聯(lián)度分析各指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)程度.選取試驗(yàn)得到的-12°C勁度模量S值、蠕變速率m值和延度作為向量的母序列，各瀝青玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg、結(jié)晶度FC、凝膠指數(shù)IC、瀝青質(zhì)含量、膠質(zhì)含量、飽和分含量、芳香分含量、重均相對(duì)分子質(zhì)量Mw、分散系數(shù)d、亞砜指數(shù)IS＝O和羰基指數(shù)IC＝O作為子序列進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析.分析結(jié)果見(jiàn)表8.

由表8可知，與各瀝青低溫抗裂性能指標(biāo)關(guān)聯(lián)度最大的指標(biāo)分別為芳香分含量、瀝青質(zhì)含量、IC＝O值、IS＝O值和IC值，表明這些參數(shù)可較好地反映瀝青低溫抗裂性能.具體而言，蠕變速率m與芳香分含量的關(guān)聯(lián)度可達(dá)0.976 1，延度與芳香分含量的關(guān)聯(lián)度為0.918 5，表明芳香分有利于改善瀝青的蠕變速率和延度，能很好地反映瀝青的低溫性能，這一結(jié)論與已有的研究［20］相一致.結(jié)合SARA測(cè)試結(jié)果，木焦油基再生瀝青中含有較多的芳香分，而芳香分有利于提升瀝青的相容性，且從溶解度參數(shù)的角度來(lái)看，芳香分與瀝青質(zhì)有相似的溶解度參數(shù)和溶解其他組分的能力［21］，可顯著降低老化瀝青中溶質(zhì)與溶劑的溶解度參數(shù)差，從而使瀝青維持均勻穩(wěn)定的狀態(tài).

表8 瀝青勁度模量、蠕變速率和延度的影響因素關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果Table 8 Cor r elation analysis r esults of influence factor s of stiffness modulus，creep r ate and ductility of asphalt

羰基指數(shù)IC＝O和亞砜指數(shù)IS＝O與各低溫指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度均在0.64以上，表明這2個(gè)指標(biāo)均可在一定程度上反映瀝青的低溫性能.結(jié)合FTIR測(cè)試結(jié)果，木焦油基再生劑可與老化瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，抑制碳鍵和硫鍵的氧化，降低瀝青的老化程度，使得瀝青在低溫下的應(yīng)力松弛能力和流動(dòng)性得到恢復(fù)，從而恢復(fù)瀝青的低溫性能.

勁度模量S與瀝青質(zhì)含量、膠質(zhì)含量、凝膠指數(shù)IC、結(jié)晶度FC有較高的關(guān)聯(lián)度，表明瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量的提高會(huì)影響瀝青的勁度模量.瀝青質(zhì)和膠質(zhì)在低溫下呈脆性，其極性官能團(tuán)對(duì)瀝青分子間的排列起支配作用［15］.結(jié)合SARA測(cè)試結(jié)果可以判斷，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量的提高使得瀝青分子間的作用力增強(qiáng)，流動(dòng)性減弱，進(jìn)而削弱瀝青的低溫抗裂性能.綜合DSC測(cè)試結(jié)果，老化瀝青中加入再生劑后，其Tg值顯著降低，瀝青分子在低溫下“凍結(jié)”的溫度也隨之降低，其變形能力增強(qiáng)，從而降低了瀝青在低溫下開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn).而S值與FC間較高的關(guān)聯(lián)度驗(yàn)證了將FC作為評(píng)價(jià)瀝青低溫性能指標(biāo)的可行性，且瀝青分子在低溫下因結(jié)晶導(dǎo)致分子間運(yùn)動(dòng)受阻，溫度應(yīng)力不可分散，導(dǎo)致溫度應(yīng)力較大，瀝青的勁度模量也隨之增大.

綜上，木焦油再生劑可有效抵抗老化對(duì)瀝青低溫性能的影響.從宏觀角度來(lái)看，再生劑的加入改善了瀝青的流動(dòng)性，提高了瀝青的應(yīng)力松弛能力，調(diào)和了瀝青的組分［22］，從而提高了瀝青的低溫抗裂性能.從微觀角度來(lái)看，再生劑的加入可有效抵抗瀝青的氧化反應(yīng)，增強(qiáng)瀝青分子鏈間的柔韌性并降低分子間的作用力，進(jìn)而降低低溫對(duì)瀝青的不利影響.另外，木焦油基再生劑可在老化瀝青中發(fā)揮增溶作用，降低其表面張力，提高二者的相容程度，促使瀝青中的分子團(tuán)分散、流動(dòng)、相容，進(jìn)而與老化瀝青發(fā)生反應(yīng)，形成較為穩(wěn)定的體系［3］.這種體系可有效抵抗低溫對(duì)瀝青的破壞作用，防止瀝青中輕質(zhì)組分的揮發(fā)，從而提高結(jié)構(gòu)瀝青含量，增強(qiáng)瀝青的低溫抗裂性能.

3 結(jié)論

（1）再生劑的加入可有效恢復(fù)老化瀝青的低溫變形能力及應(yīng)力松弛能力，較大程度地抵抗低溫對(duì)老化瀝青產(chǎn)生的不利影響，但難以完全恢復(fù)至原樣瀝青水平.

（2）木焦油基再生劑可顯著降低老化瀝青的脆性與結(jié)晶度，且可在低溫下抑制瀝青結(jié)晶并提高分子鏈的柔韌性，進(jìn)而改善應(yīng)力松弛效應(yīng)，提高瀝青延度.

（3）木焦油基再生劑可調(diào)和老化瀝青組分并調(diào)節(jié)其膠體結(jié)構(gòu)，有效改善瀝青相對(duì)分子質(zhì)量的集中程度，減弱分子間的作用力，降低大分子物質(zhì)的相對(duì)含量.

（4）木焦油基再生劑可與老化瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低其亞砜指數(shù)和羰基指數(shù)，并抑制碳鍵和硫鍵的氧化.

（5）再生瀝青各性能參數(shù)與其低溫性能間的關(guān)聯(lián)度差異較大，因此，未來(lái)需建立再生劑類型和性能、再生瀝青配比和再生瀝青低溫性能恢復(fù)間的多參數(shù)綜合評(píng)價(jià)體系和指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同再生瀝青低溫抗裂性能的定向調(diào)控.