瀝青老化及高復(fù)原率瀝青再生性能研究

閆瑾，惠嘉，田苗苗，馬前程，李亞非，朱逢超

（交通運輸部科學(xué)研究院，北京 100029）

0 引言

目前，北京地區(qū)存在廢舊瀝青路面材料廠拌熱再生利用比例不高的問題，一般為20%左右。如果廢舊瀝青路面材料回收利用率能夠達(dá)到90%以上，則大部分舊料需采用冷再生或填筑路基的方式處理，即舊料作為礦料處理，無法有效激活舊料中的老化瀝青，造成了瀝青資源的浪費。因此，亟需開展廢舊瀝青路面材料高舊料摻量的熱再生技術(shù)研究與示范，提升北京地區(qū)瀝青路面廠拌熱再生技術(shù)水平。本文從高性能、高舊料摻量的再生劑開發(fā)，老化瀝青與再生劑之間轉(zhuǎn)移、擴(kuò)散、相容及復(fù)合的規(guī)律出發(fā)，開展老化瀝青、再生瀝青微觀及宏觀性能研究，研究瀝青老化及再生組分及性能的變化規(guī)律，為再生瀝青性能評價體系的提出奠定基礎(chǔ)。

1 瀝青老化性能研究

1.1 不同老化條件下的瀝青宏觀性能研究

老化試驗所用原樣基質(zhì)瀝青為90號道路石油瀝青，其性能符合現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求。RTFO 薄膜老化與PAV 壓力老化為規(guī)范試驗，紫外老化分為有水和無水兩種情況，無水紫外老化的光照時間為200h，有水紫外老化的噴淋分四階段完成，每階段分別噴淋30min。

（1）不同老化條件對瀝青高溫性能的影響

分別對樣品進(jìn)行了不同老化條件下的軟化點測試。試驗得出：薄膜老化會使原樣瀝青的軟化點升高7.5℃，壓力老化會進(jìn)一步提高軟化點3℃。與壓力老化相比，有水條件下的紫外老化會提高軟化點1.5℃，而無水條件下的紫外老化則會降低5.5℃。由可說明紫外老化與水損害是耦合關(guān)系，二者共同作用會加劇瀝青性能退化。而無水紫外老化作用對已經(jīng)歷壓力老化的瀝青有軟化作用，因此降低了其高溫性能。

（2）不同老化條件對瀝青低溫性能的影響

通過彎曲梁流變儀（BBR）測試，以勁度模量S值和勁度模量變化率m值為指標(biāo)，對不同老化條件影響低溫性能的規(guī)律進(jìn)行研究。試驗得出：旋轉(zhuǎn)薄膜老化與壓力老化會降低瀝青的低溫性能；在有效服役溫度范圍內(nèi)，有水條件下的紫外老化會進(jìn)一步降低瀝青的低溫性能，而無水條件的紫外老化則會起到軟化作用，進(jìn)而改善其低溫性能。因此，應(yīng)綜合考慮特殊環(huán)境下瀝青的高低溫性能來選擇合適的瀝青種類。

（3）不同老化條件對瀝青全溫域黏彈特性的影響

對瀝青試樣進(jìn)行了不同溫度下的頻率掃描試驗，然后通過時溫等效原理平移得到復(fù)數(shù)模量G*主曲線，動態(tài)剪切流變試驗的參數(shù)選擇為：溫度25℃、35℃、45℃、55℃和65℃；頻率為0.01～100rad/s；0.015%應(yīng)變控制模式。試驗得出：旋轉(zhuǎn)薄膜老化會增加瀝青的復(fù)數(shù)模量，在此基礎(chǔ)上，壓力老化會進(jìn)一步增大瀝青的復(fù)數(shù)模量；與壓力老化相比，無水紫外老化對瀝青復(fù)數(shù)模量的影響較小，這是由于紫外老化主要發(fā)生在瀝青的表皮，而對整體的復(fù)數(shù)模量影響甚微；有水條件下的紫外老化也體現(xiàn)出了相似的結(jié)果，即并沒有提高壓力老化瀝青的復(fù)數(shù)模量。

1.2 不同老化條件下的瀝青微觀性能研究

（1）基于紅外光譜法的瀝青化學(xué)組成研究

對不同老化條件下的瀝青進(jìn)行紅外光譜分析，通過化學(xué)鍵的變化情況研究老化條件對瀝青化學(xué)組成的影響。試驗得出：瀝青經(jīng)過老化后，C=O 鍵、C=C鍵和S=O 鍵都會增多，而由于老化模式不同，C=O 鍵、C=C鍵和S=O 鍵振動吸收峰的高度也不同，即老化程度不同。其中，旋轉(zhuǎn)薄膜老化和紫外老化的老化程度相當(dāng)，壓力老化和壓力（PAV）+紫外+水老化的程度相當(dāng)。需要說明的是，PAV+紫外+水老化的模式是壓力老化后樣品再進(jìn)行紫外+水的老化。由此可知，經(jīng)過壓力老化后，紫外和水的作用基本可以忽略不計，分析其原因主要是紫外老化是針對樣品表面的老化。因此，紅外試驗結(jié)果得出壓力（PAV）老化是瀝青老化程度最大的老化模式。

（2）基于凝膠色譜法的瀝青分子量研究

通過對不同老化條件下瀝青GPC 的分析，研究平均分子量、峰值分子量情況，進(jìn)而得出瀝青老化后化學(xué)成分的變化規(guī)律。試驗得出：瀝青老化后，平均分子量、分散性均增加，峰值分子量變化不大，說明瀝青中高分子量的組分（瀝青質(zhì)）增多，與紅外試驗結(jié)果相似。此外，四種老化模式對瀝青的老化程度比較PAV+紫外+水老化＞PAV 老化＞RTFOT 老化＞紫外老化。其中，PAV+紫外+水老化與PAV 老化的程度接近，綜合考慮紅外分析結(jié)果，PAV 老化是老化作用中最大的老化模式。

2 高復(fù)原率再生瀝青性能研究

對各組分的不同材料種類和用量的原材料進(jìn)行復(fù)配，最終優(yōu)選出再生劑Ⅰ和再生劑Ⅱ，兩者再生組分與滲透組分材料一致，再生劑I 加了苯乙烯類橡膠和熱塑性彈性體類改性劑。再生劑原材料性能試驗結(jié)果見表1。

表1 再生劑原材料性能試驗結(jié)果

2.1 高復(fù)原率再生劑對老化瀝青微觀性能的影響

本文采用紅外光譜法、凝膠色譜法，針對不同老化條件下，兩種自主研發(fā)的再生瀝青微觀性能進(jìn)行對比和分析。再生劑I 的摻量為瀝青質(zhì)量的10%，再生劑II的摻量為瀝青質(zhì)量的5%。結(jié)果如圖1和表2所示。

（1）老化條件下再生前后瀝青紅外光譜分析

由圖1（a）可知，加入再生劑Ⅰ后，瀝青的C=C鍵數(shù)量減少，基本與原樣瀝青一致，C=O鍵和S=O鍵數(shù)量減少，但還是明顯高于原樣瀝青。這是由于瀝青老化過程不只是輕組分的揮發(fā)，膠質(zhì)向瀝青質(zhì)的轉(zhuǎn)變等化學(xué)變化是瀝青老化的主要形式，加入再生劑僅能調(diào)節(jié)其輕組分的含量，改善凝膠結(jié)構(gòu)，其化學(xué)變化是不可逆的。由圖1（b）可知，經(jīng)過壓力老化后，再生劑I和再生劑II基本起不到降低瀝青老化程度的作用，加入再生劑I 后的紅外圖譜與原樣瀝青更接近，說明再生劑I 將氧化C=O 鍵和S=O 鍵還原的能力略優(yōu)于再生劑II。圖1（c）老化結(jié)果與圖1（a）相似，說明再生劑I無法改變老化瀝青的微觀結(jié)構(gòu)組成。圖1（d）結(jié)果與圖1（b）相似，再生劑I 加入后能明顯改善瀝青的老化程度，且再生效果優(yōu)于再生劑II。

圖1 不同老化-再生條件下瀝青紅外光譜分析

從整體紅外試驗結(jié)果來看，壓力老化是老化作用最大的老化模式。加入再生劑主要是增加瀝青中輕組分的含量，改善其凝膠結(jié)構(gòu)，但不能改善老化瀝青的化學(xué)組成，再生劑I的再生效果略優(yōu)于再生劑II。

（2）老化條件下再生前后瀝青分子量分布分析

①RTFOT 老化再生試驗得出：直接使用再生劑I后，再生瀝青的數(shù)均分子量Mn小于原樣瀝青，重均分子量和黏均分子量均大于原樣瀝青，但明顯小于老化瀝青，分散性較老化瀝青改善很少，明顯大于原樣瀝青。從分散性來看，加入再生劑僅能調(diào)節(jié)瀝青的平均

分子量，但無法改變?yōu)r青質(zhì)增多的化學(xué)變化。②PAV老化再生GPC分析結(jié)果見表2。

表2 PAV老化再生GPC分析結(jié)果

由表2可知，再生瀝青的數(shù)均分子量略大于原樣瀝青，但重均和黏均分子量改善很小，更接近老化瀝青。再生瀝青II 的平均分子量略大于再生瀝青I，可忽略不計，但重均、黏均和峰值分子量、分散系數(shù)均小于再生瀝青I。

③紫外老化再生試驗得出：再生瀝青的數(shù)均分子量Mn小于原樣瀝青，重均分子量和黏均分子量均大于原樣瀝青，再生劑I的再生效果略優(yōu)于再生劑II。

④PAV+紫外+水老化再生試驗得出：再生瀝青的數(shù)均、重均、黏均分子量及分散系數(shù)均大于原樣瀝青，再生效果不明顯，再生劑I的再生效果略優(yōu)于再生劑II。

從整體GPC 試驗結(jié)果來看，壓力老化是老化程度最大的老化模式，再生劑I的再生效果略優(yōu)于再生劑II，這一結(jié)果與紅外分析結(jié)果一致。

2.2 高復(fù)原率再生劑對老化瀝青宏觀性能的影響

（1）老化—再生循環(huán)對瀝青高溫性能的影響

為進(jìn)一步研究老化—再生循環(huán)對瀝青高溫性能的影響，分別對15 種樣品進(jìn)行了軟化點測試，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 老化—再生循環(huán)對瀝青軟化點的影響

由圖2 可知，兩種再生劑均會降低瀝青的軟化點，只是降低的程度有所不同。按照降低軟化點的能力排序為：再生劑I＞再生劑II，但再生劑II 的還原效果更接近原樣瀝青。此外，在薄膜老化后就開始使用再生劑I，降低軟化點幅度要明顯高于壓力老化之后，這說明越早使用再生劑，再生還原的效果越好。（2）老化—再生循環(huán)對瀝青低溫性能的影響

對樣品進(jìn)行了彎曲梁流變儀（BBR）測試，并以勁度模量S值和勁度模量變化率m值為指標(biāo)對老化—再生循環(huán)影響低溫性能的規(guī)律進(jìn)行研究，如圖3所示。

圖3 不同老化-再生循環(huán)對瀝青勁度模量的影響

由圖3可知，兩種再生劑均會不同程度地降低老化瀝青的勁度模量。其中再生劑I 的作用比再生劑II 明顯。通過再生劑I 作用后的瀝青勁度模量較低，再生劑I 再生后的瀝青在-24℃時勁度模量小于300MPa，而再生劑II 只有在-12℃時可以滿足要求。同理，當(dāng)溫度高于-18℃時，兩種再生劑均會不同程度地提高瀝青的勁度模量變化率m值。其中再生劑I 的作用明顯強(qiáng)于再生劑II。綜上可知，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。

（3）老化—再生循環(huán)對瀝青全溫域黏彈特性的影響

對瀝青試樣進(jìn)行了不同溫度下的頻率掃描試驗，然后通過時溫等效原理平移得到復(fù)數(shù)模量G*主曲線，如圖4、圖5所示。

圖4 再生劑I對旋轉(zhuǎn)薄膜老化后瀝青復(fù)數(shù)模量主曲線

圖5 不同再生劑對壓力老化后瀝青復(fù)數(shù)模量主曲線的影響

由圖4 可知，再生劑I 可以降低旋轉(zhuǎn)薄膜老化瀝青的復(fù)數(shù)模量，達(dá)到軟化的效果。由圖5 可知，再生劑I、再生劑II 均會不同程度地降低壓力老化瀝青的復(fù)數(shù)模量。其中，再生劑I 的作用效果更為明顯，再生后的瀝青復(fù)數(shù)模量甚至低于原樣瀝青；再生劑II作用后的瀝青復(fù)數(shù)模量在高頻時與原樣瀝青最為接近。同理，研究不同再生劑對紫外老化瀝青復(fù)數(shù)模量的影響得出，兩種再生劑均會不同程度地降低無水紫外老化后瀝青的復(fù)數(shù)模量。其中，再生劑I 優(yōu)于再生劑II。但再生劑II作用后瀝青的復(fù)數(shù)模量與原樣瀝青最為接近；再生劑對有水紫外老化后瀝青復(fù)數(shù)模量的影響與對壓力老化后瀝青的影響規(guī)律相同，但是兩種再生劑的再生效果均沒有對壓力老化瀝青明顯。其原因可能是紫外老化在壓力老化基礎(chǔ)上進(jìn)一步破壞了瀝青的分子結(jié)構(gòu)，使再生過程更加困難。

3 結(jié)語

本文通過微觀與宏觀性能研究相結(jié)合的方式，采用紅外光譜測試、分子量測試和宏觀高溫、低溫及黏彈性分析等方式，研究了不同老化條件下瀝青主要特性的變化情況，得出對瀝青性能影響因素最大的老化形式。同時，對比分析了兩種優(yōu)選的高復(fù)原率再生劑宏、微觀性能，得出其再生效果及適用性基本滿足要求。然而，對再生劑性能的研究還不夠全面、深入，可進(jìn)一步驗證并優(yōu)化再生劑組成，提升其復(fù)原率。