瀝青老化再生低溫性能及微觀機理研究

王 磊，張淑仙

（1.烏蘭察布市交通運輸服務(wù)保障中心，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運輸教育中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

瀝青是由多種不同分子鏈長度的高聚物組成[1]。瀝青的有機屬性決定了其在生產(chǎn)和使用過程中不可避免地會產(chǎn)生各種老化現(xiàn)象[2]，老化過程中輕質(zhì)組分的短鏈聚合物轉(zhuǎn)化為長鏈聚合物，同時帶來了瀝青硬化和脆化[3]。隨著瀝青性能的衰退，在自然和行車荷載的循環(huán)作用下路面病害隨之而來，進而縮短了路面的使用壽命。同時，隨著能源的緊缺，再生的浪潮愈演愈高，而提升廢舊瀝青混合料摻量的最大制約因素就是廢舊瀝青的再生還原[4]。因此研究瀝青老化和再生過程中宏觀性能和微觀變化機理尤為重要[5]。

國內(nèi)外對于瀝青老化的研究比較深入，例如李寧等利用流變試驗和凝膠色譜試驗對比分析了熱氧、光氧老化前后瀝青的宏觀性能變化和微觀分子結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果顯示瀝青分子量與宏觀性能存在線性關(guān)系[6]。而用凝膠滲透色譜（GPC）被認(rèn)為是測量瀝青分子量最有效的分析方法之一[7，8]。同時有研究表明，瀝青的老化和再生的評價標(biāo)準(zhǔn)多集中于低溫抗裂性能的下降[9]，而國際上瀝青低溫性能通用評價指標(biāo)是指美國AASHTO規(guī)范中利用彎曲梁流變儀（BBR）測量不同溫度條件下的S值和m值[10，11]。

為此本文通過室內(nèi)制備不同老化狀態(tài)的老化瀝青，利用彎曲梁流變儀（BBR）測試分析不同老化再生過程中基質(zhì)瀝青的低溫性能，同時利用凝膠色譜法測試了老化再生前后瀝青分子量分布變化規(guī)律，從宏觀性能上分析了老化和再生對瀝青低溫性能的影響，并探究了瀝青老化再生的微觀機理。

2 材料與方法

2.1 瀝青

選用90 號基質(zhì)道路石油瀝青作為原樣瀝青，其基本性能指標(biāo)見表1。

表1 試驗用90號基質(zhì)瀝青技術(shù)性能

2.2 再生劑

試驗選用的再生劑共有三種，再生劑的添加量與添加方式見表2。

表2 再生劑的添加量與添加方式

2.3 老化試驗方案

為全面、科學(xué)地模擬及分析瀝青膠結(jié)料的老化再生性能，擬采取旋轉(zhuǎn)薄膜老化、壓力老化、紫外老化、紫外+水噴淋復(fù)合老化等四種方式來提供模擬老化環(huán)境。各階段老化后，分別用一組樣品進行再生還原測試，分析影響瀝青老化的關(guān)鍵條件及不同再生劑的還原效果；用另一組樣品進行下階段的老化。具體老化再生樣品制備路線如圖1所示。

圖1 瀝青老化再生樣品制備路線圖

RTFOT 薄膜老化與PAV 壓力老化為規(guī)范試驗，紫外老化試驗的光照時間為200h，紫外老化I為單純紫外光照，紫外老化II加入了噴淋程序，一次試驗共噴淋四次，每次噴淋30min。為了對比分析紫外老化與壓力老化的差異，分別對旋轉(zhuǎn)薄膜老化后的試樣進行了這兩種老化，并對老化后的試樣進行了三種再生劑的再生及相應(yīng)的物理化學(xué)表征試驗。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 老化再生對瀝青低溫性能的影響

為探究瀝青老化和再生微觀機理，選用彎曲梁流變儀（BBR）測試了不同溫度條件下不同樣品60s 時的蠕變勁度S 值和蠕變速率m，具體結(jié)果如圖2 和圖3 所示。一般認(rèn)為BBR 試驗所得出的蠕變勁度模量S＜300 MPa，且S值越小，低溫性能越好；蠕變速率m＞0.3，且m越大瀝青的低溫性能越好。

圖2 不同溫度條件下蠕變勁度S值的變化

圖3 不同溫度條件下蠕變速率m值的變化

由圖2 可知，無論在-12℃還是-18℃，原樣瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜老化會提高瀝青的S 值，但是提升的比例不大，一般為10%左右；在旋轉(zhuǎn)薄膜老化基礎(chǔ)上，壓力老化與紫外老化均會提高瀝青的勁度模量，但是紫外老化不如壓力老化提高的明顯，這是因為紫外老化沒有壓力的作用，其老化主要發(fā)生在瀝青的表面層，在表面形成一層老化膜后，會延緩內(nèi)部的老化，而壓力老化在壓力的作用下，會更多地作用到瀝青的內(nèi)部，導(dǎo)致瀝青整體老化程度加深。與其他老化方式相比，復(fù)合老化對瀝青S值的提升幅度最大，表明紫外老化與水共同作用會加劇瀝青的老化。由圖2（b）可知，原樣瀝青的S值在-18℃時已經(jīng)超過一般規(guī)定的極限值300 MPa，說明該瀝青在-18℃時已經(jīng)超過其低溫等級，極易產(chǎn)生溫度裂縫。

分析再生劑的作用，從圖2可以看出三種再生劑均可以延緩瀝青的老化，降低瀝青的S值，其中再生劑I的作用效果相比較再生劑II 和再生劑III，在-18℃條件下，無論是壓力老化、紫外老化或復(fù)合老化，起作用都比較明顯，S 值均為最低，其添加后，作用效果最優(yōu)；再生劑III 與再生劑II 相比，不論是在-12℃還是-18℃條件下，再生劑III 作用效果更優(yōu)。因此從勁度模量的角度分析再生劑的應(yīng)用效果可知，再生劑I 較好，再生劑III次之，最后為再生劑II。

由圖3 分析可知，原樣瀝青無論在任何溫度、任何老化方式的作用下，其蠕變速率m 值均滿足一般要求，均大于0.3，說明該瀝青本身的低溫抗老化性能較佳。

老化后瀝青的m值均會出現(xiàn)不同程度的降低，表明老化作用會不同程度降低瀝青的低溫性能，紫外老化后，m 值變化不大，在-12℃時反而超過原樣瀝青的值，說明常規(guī)的紫外老化對瀝青的低溫性能影響較?。粡?fù)合老化的m 值變化最大，超過壓力老化和紫外老化，其老化程度最深。

在三種再生劑的作用下，瀝青的勁度模量變化率m值均有不同程度的提高，說明在再生劑作用下，瀝青低溫抗老化性能均得到提升，分析具體數(shù)據(jù)可知，再生劑的作用效果為：再生劑I較好，再生劑III次之，最后為再生劑II，與S值的變化分析相一致。

綜合分析蠕變勁度S值和蠕變速率m值可知，老化均會不同程度降低瀝青的低溫性能，常規(guī)條件的紫外老化對瀝青勁度模量和其變化率的影響有著相反的規(guī)律，表明單純的紫外老化只發(fā)生在瀝青表面，并不能很好地起到老化的效果；但是在水的作用下，水與紫外復(fù)合老化后，老化程度得到進一步加深，瀝青低溫性能進一步降低，更符合老化的實際情況。再生劑均能夠改善瀝青的老化低溫性能，綜合分析可知，再生劑I性能最優(yōu)，再生劑II的改善作用最差。

3.2 瀝青老化再生前后凝膠滲透色譜分析

采用凝膠色譜法測試?yán)匣偕昂鬄r青分子量分布變化規(guī)律，通過計算重均分子量Mw、數(shù)均分子量Mn、Z均分子量Mz以及分子量多分散性D，分析老化前后的變化，具體結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同樣品瀝青分子量及分散性變化規(guī)律

從圖4（a）中可以看出，老化均會增加瀝青的數(shù)均分子量，復(fù)合老化的作用最為明顯，紫外老化的作用最差。分析再生劑的作用可以發(fā)現(xiàn)，再生劑作用下瀝青的數(shù)均分子量均會不同程度的降低，說明在再生劑的作用下，瀝青老化低溫性能得到改善，改善效果為：再生劑I最優(yōu)，再生劑II的改善作用最差。

從圖4（b）中可以看出，老化及再生劑的作用對瀝青重均分子量和Z 均分子量的影響規(guī)律與數(shù)均分子量類似，但不同種再生劑之間的區(qū)分度更為明顯。

從圖4（d）中可以看出，隨著瀝青老化程度的加深，瀝青中分子量多分散性不斷增大，瀝青中的大分子不斷出現(xiàn)，導(dǎo)致分子量分布不均一性進一步增強。加入再生劑后，分子量分布的不均一性有所降低，但仍明顯高于原樣瀝青。通過試驗表明，瀝青的再生過程并不完全是老化過程的一個逆過程，雖然添加再生劑后瀝青的物理力學(xué)性能與原樣瀝青相類似，但是這種再生一部分是由于再生劑與瀝青的化學(xué)反應(yīng)改變了瀝青的化學(xué)組成，一部分是由于再生劑的軟化、溶解作用。瀝青老化過程與再生過程分子組成改變的機制不同，導(dǎo)致其不能完全恢復(fù)成原樣瀝青。

4 結(jié)語

①通過瀝青低溫蠕變勁度S 值和蠕變速率m 值的分析可知，老化作用后會降低瀝青的低溫性能；其中復(fù)合老化對瀝青的低溫性能降低最多，而無水條件的紫外老化則對瀝青勁度模量和其變化率的影響有著相反的規(guī)律，表明紫外老化只發(fā)生在瀝青表面，對瀝青整體老化影響不大。

②再生瀝青的低溫抗裂性能表明，再生劑I對老化瀝青低溫性能的改善作用明顯優(yōu)于再生劑II與再生劑III，再生劑II的改善作用最差。

③瀝青發(fā)生老化的本質(zhì)是內(nèi)部共系聚合物的單方面轉(zhuǎn)化，其中光和水耦合老化對瀝青老化影響最大，紫外老化只發(fā)生在表面，對整體老化效果并不明顯。

④瀝青分子量分布表明，瀝青的再生過程并不完全是老化過程的一個逆過程，瀝青的物理、力學(xué)性能可以恢復(fù)與原樣瀝青類似，但瀝青老化過程與再生過程分子組成改變的機制不同，導(dǎo)致其不能完全恢復(fù)成原樣瀝青。