瀝青老化及再生對自愈合性能的影響

徐 浩，張文武，何兆益，*，孔 林，黃佳興

（1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.山東高速集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

疲勞開裂是瀝青路面的主要破壞形式，對路面性能具有顯著的負(fù)面影響.瀝青作為一種典型的黏彈性材料，具有自愈合性能，即自動修復(fù)疲勞裂紋的能力，從而延長路面疲勞壽命［1-3］.1965 年Deacon［4］發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土的使用壽命隨間歇時間增加而延長.從此，學(xué)者們對瀝青自愈合機(jī)理、自愈合表征方法及影響因素等展開了大量研究.Wool 等［5-6］將瀝青自愈合過程歸結(jié)為裂縫界面的潤濕及分子的擴(kuò)散.程耀飛等［7］研究表明自愈合指標(biāo)與愈合時間t0.25具有較高的線性擬合度.羅蓉等［8］在現(xiàn)有自愈合指標(biāo)基礎(chǔ)上作了進(jìn)一步修正，得到了考慮愈合前后動態(tài)剪切模量和加載時間變化的新指標(biāo).崔亞楠等［9］通過正交試驗分析表明老化是影響SBS 改性瀝青自愈合性能的最大因素.

瀝青在長期服役過程中會逐漸老化，自愈合性能也會降低，添加再生劑能恢復(fù)老化瀝青自愈合性能.中國大部分路面超過設(shè)計使用年限而逐漸進(jìn)入大中修期，廢舊瀝青混合料的再生技術(shù)是環(huán)保經(jīng)濟(jì)的道路修復(fù)方法，國內(nèi)外對再生瀝青混合料的使用量也逐年增加，因此研究再生瀝青自愈合性能十分必要.本文通過動態(tài)剪切流變（DSR）試驗和紅外光譜（IR）試驗，研究老化及再生對瀝青自愈合性能的影響，并分析瀝青自愈合性能與其化學(xué)組成的相關(guān)性.

1 試驗

1.1 原材料及試樣制備

采用70#基質(zhì)瀝青，通過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化（RTFOT）試驗?zāi)M瀝青不同程度的老化，將70#基質(zhì)瀝青經(jīng)RTFOT 老化85、170、340 min 后的試樣分別表示為70#R85、70#R170 和70#R340.基質(zhì)瀝青和老化瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1 所示.再生劑選用課題組自主研發(fā)的R、S、Y 型3 種再生劑，R 型為礦物油再生劑，S和Y 型為生物油再生劑，其性能指標(biāo)如表2所示.

表1 基質(zhì)瀝青和老化瀝青的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indicators of matrix asphalt and aging bitumen

表2 再生劑的性能指標(biāo)Table 2 Properties of the regenerant

再生瀝青制備過程如下：將不同程度老化瀝青在烘箱中預(yù)熱至160 ℃，按試驗所需質(zhì)量倒入杯中；按設(shè)計摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）稱取再生劑并加入到老化瀝青中；將老化瀝青與再生劑混合試樣杯放置在160 ℃恒溫油浴鍋中，采用攪拌機(jī)以1 000 r/min 的速率持續(xù)攪拌30 min，使再生劑與老化瀝青混合均勻，得到再生瀝青.

再生瀝青編號以“老化瀝青編號+再生劑摻量和類型”來表示，如70#R85+5%Y 表示向老化瀝青70#R85 中添加5%Y 型再生劑后制備的再生瀝青.針對不同的問題，采用控制變量法進(jìn)行分組，當(dāng)研究不同老化程度再生瀝青的自愈合性能時，以老化時間為變量，固定再生劑類型和摻量；當(dāng)研究不同再生劑摻量對老化瀝青自愈合性能的影響時，以向70#R340 中摻加Y 型再生劑的再生瀝青為研究對象，變量為Y 型再生劑摻量（5%，7%，9%）；當(dāng)研究不同再生劑類型對老化瀝青自愈合性能的影響時，以向70#R340 中摻加9%再生劑的再生瀝青為研究對象，變量為再生劑類型（Y、S、R）.

1.2 試驗方法

1.2.1 自愈合試驗方法及評價指標(biāo)

“疲勞-愈合-疲勞”循環(huán)加載試驗是研究瀝青自愈合性能的常用方法.試驗采用DSR 時間掃描模式，選取平行板直徑和間距分別為8、2 mm，控制應(yīng)變?yōu)?%，加載頻率為10 Hz，試驗溫度為30 ℃，間歇時間t分別設(shè)置為10、20、40、60、80 min.試驗流程如圖1 所示，圖中各參數(shù)定義同式（1）.

圖1 瀝青“疲勞-愈合-疲勞”循環(huán)加載試驗流程Fig.1 Test procedure for‘fatigue-healing-fatigue’cycle loading of asphalt

本文采用羅蓉等［8］提出的愈合指數(shù)HI 對瀝青自愈合性能進(jìn)行表征，如式（1）所示：式中：G*a為瀝青自愈合后的初始動態(tài)剪切模量，MPa；G*b為瀝青自愈合前的終止動態(tài)剪切模量，MPa；G*0為瀝青自愈合前的初始動態(tài)剪切模量，MPa；t1、t2表示加載時間，s.

此外，根據(jù)毛細(xì)擴(kuò)散理論可知，瀝青自愈合由毛細(xì)力引起的瞬時自愈合和分子擴(kuò)散形成的擴(kuò)散愈合組成，愈合指數(shù)HI 可以通過愈合溫度和愈合時間的函數(shù)來表征［10］，如式（2）所示：

式中：HI(θ，t)為溫度θ下間歇時間為t時的愈合指數(shù)；HI0為瞬時自愈合強(qiáng)度；K為愈合速率；t0.25為愈合時間.

1.2.2 紅外光譜試驗

采用NEXUS EU-RO 紅外光譜儀，以薄膜法測定瀝青的化學(xué)官能團(tuán)，掃描次數(shù)為32 次/s，分辨率為4 cm-1.采用特征官能團(tuán)吸收峰面積比來定量分析官能團(tuán)組成與含量對瀝青自愈合性能的影響［11］，如式（3）所示.

式中：Ii為官能團(tuán)i的指數(shù)；Ai為官能團(tuán)i的吸收峰面積；∑A為600～2 000 cm-1波段范圍內(nèi)所有吸收峰面積之和.

2 結(jié)果與分析

2.1 自愈合行為方程擬合

對不同類型瀝青進(jìn)行“疲勞-愈合-疲勞”循環(huán)加載試驗，采用式（2）對各瀝青愈合指數(shù)HI 進(jìn)行擬合，得到各瀝青在30 ℃下愈合指數(shù)與愈合時間的關(guān)系，如圖2 所示.

由圖2 可知：各瀝青愈合指數(shù)HI 均隨著愈合時間的延長而增大，充分的間歇時間有利于瀝青自愈合修復(fù)；除重度老化瀝青（RTFOT 老化340 min 的瀝青）以外，瀝青愈合指數(shù)HI 與愈合時間t0.25擬合相關(guān)度較高（R2＞0.9），說明基于毛細(xì)擴(kuò)散理論的自愈合模型（式（2））能夠較好地描述瀝青愈合指數(shù)隨愈合時間的發(fā)展變化，重度老化瀝青擬合相關(guān)性較差的原因可能是30 ℃時重度老化瀝青的流動性較差，自愈合現(xiàn)象不明顯；擬合曲線斜率為瀝青愈合速率K，反映了瀝青愈合過程中的恢復(fù)速率，擬合曲線的截距為瀝青的瞬時自愈合強(qiáng)度HI0，圖2 中所有瀝青擬合曲線的截距均為負(fù)數(shù)，說明瀝青瞬時自愈合并不能恢復(fù)其承受荷載作用的能力［11］；圖2（b）～（d）中，不同狀態(tài)再生瀝青自愈合擬合曲線之間存在交叉點(diǎn)，因為瀝青愈合指數(shù)隨時間變化，以某一個時間點(diǎn)的愈合指數(shù)進(jìn)行瀝青自愈合性能的對比會比較片面.因此，本文以平均愈合指數(shù)HIa對原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青的自愈合能力進(jìn)行評價，結(jié)合愈合速率K分析瀝青老化及再生過程中自愈合性能的變化規(guī)律.

2.1.1 老化程度對瀝青自愈合性能的影響

圖3 為不同老化程度瀝青再生前后的自愈合參數(shù).由圖3 可見：隨瀝青老化程度加重（老化時間延長），平均愈合指數(shù)HIa減小，愈合速率K降低；70#R85、70#R170、70#R340 的平均愈合指數(shù)HIa分別為基質(zhì)瀝青的72.6%、53.4%、26.9%，愈合速率K分別降低至基質(zhì)瀝青的77.1%，59.5%，20.8%，表明老化對于瀝青自愈合性能具有顯著的負(fù)面影響.原因在于老化后瀝青中輕質(zhì)組分減少，瀝青質(zhì)增加，分子間作用力增大，分子擴(kuò)散運(yùn)動能力減弱.

圖3 不同老化程度瀝青再生前后的自愈合參數(shù)Fig.3 Self-healing parameters of asphalt with different aging degrees before and after regeneration

由圖3還可見：老化瀝青添加再生劑后自愈合性能明顯恢復(fù)，平均愈合指數(shù)HIa提高，愈合速率K增大；再生 后70#R85+5%Y、70#R170+5%Y、70#R340+5%Y的平均愈合指數(shù)HIa分別恢復(fù)至基質(zhì)瀝青的100.9%、96.4%、63.2%，愈合速率K分別恢復(fù)至基質(zhì)瀝青的89.7%，94.7%，40.7%.原因是再生劑補(bǔ)充了瀝青在老化過程中缺失的輕質(zhì)組分，溶解并分散了老化過程中生成的強(qiáng)極性物質(zhì)，改善了老化瀝青的膠體結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了瀝青自愈合.

2.1.2 再生劑摻量對老化瀝青自愈合性能的影響

圖4 為不同再生劑摻量下再生瀝青的自愈合參數(shù).由圖4 可見：隨著再生劑摻量的增加，再生瀝青自愈合性能明顯提高；70#R340 老化瀝青添加5%、7%、9%的Y 型再生劑后，平均愈合指數(shù)HIa分別恢復(fù)到基質(zhì)瀝青的63.2%、78.5%、100.9%，愈合速率K分別恢復(fù)至基質(zhì)瀝青的40.7%，56.7%，84.9%，再生劑對愈合速率K的恢復(fù)作用弱于平均愈合指數(shù)HIa；70#R340 添加9%Y 型再生劑后的自愈合性能與基質(zhì)瀝青較為接近，說明70#R340 重度老化瀝青需要更大摻量的再生劑才能補(bǔ)充其老化過程中損失的輕質(zhì)組分，恢復(fù)膠體結(jié)構(gòu).

圖4 不同再生劑摻量下再生瀝青的自愈合參數(shù)Fig.4 Self-healing parameters of recycled asphalt with different regenerant content

2.1.3 再生劑類型對老化瀝青自愈合性能的影響

圖5 為不同再生劑類型下再生瀝青的自愈合參數(shù).由圖5 可見：3 種再生劑均能恢復(fù)老化瀝青自愈合性能，向70#R340 老化瀝青中添加9%的Y 型、S 型、R 型再生劑后平均愈合指數(shù)HIa分別恢復(fù)到基質(zhì)瀝青的100.9%、91.5%、80.3%，愈合速率K分別恢復(fù)至基質(zhì)瀝青的84.9%，76.1%，90.9%；3 種再生劑對老化瀝青平均愈合指數(shù)HIa的恢復(fù)效果排序為Y＞S＞R，對老化瀝青愈合速率K的恢復(fù)效果排序為R＞Y＞S.3 種再生劑均能提高老化瀝青的自愈合性能，因再生劑組分不同，對老化瀝青的化學(xué)組成影響存在差異，改善效果不同.

圖5 不同再生劑類型下再生瀝青的自愈合參數(shù)Fig.5 Self-healing parameters of recycled asphalt under different regenerant types

2.2 紅外光譜分析

圖6 為再生劑、原樣瀝青、老化瀝青及再生瀝青的紅外光譜.

由圖6（a）可知：在2 830～2 982 cm-1波段內(nèi)3 種再生劑均出現(xiàn)高強(qiáng)度的CH3和CH2反對稱與對稱伸縮振動峰，表明再生劑中均存在含有非極性甲基和亞甲基官能團(tuán)的烷烴；3 種再生劑均包含多種極性官能團(tuán)，1 740、1 169 cm-1處分別出現(xiàn)酯羰基C=O 和鏈酸酐C—O 極性基團(tuán)吸收峰，1 030 cm-1處出現(xiàn)微弱的亞砜基S=O 吸收峰，表明3 種再生劑均含有一端由親水基（極性部分）、一端由憎水基（非極性部分）組成的表面活性劑成分［12］.

由圖6（b）可知：70#基質(zhì)瀝青經(jīng)過老化后在1 700 cm-1附近出現(xiàn)了羰基特征峰，并隨著老化程度的加重而增強(qiáng)；另外，1 030 cm-1附近的亞砜基S=O伸縮振動峰和3 420 cm-1附近的O—H 吸收峰均在原有基礎(chǔ)上有所增強(qiáng).

對比圖6（b）、（c）可知，老化瀝青再生前后的官能團(tuán)吸收峰位置基本相同，但不同狀態(tài)再生瀝青均在1 740 cm-1附近出現(xiàn)了酯羰基C=O 伸縮振動峰.原因在于，再生劑的引入導(dǎo)致了再生瀝青中新吸收峰的出現(xiàn)，老化瀝青再生過程中并無新物質(zhì)產(chǎn)生.

圖6 再生劑、原樣瀝青、老化瀝青及再生瀝青的紅外光譜Fig.6 IR spectra of regenerant，base asphalt，aged asphalt and regenerated asphalt

2.3 瀝青愈合指數(shù)與微觀化學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性

現(xiàn)有研究［13-14］表明瀝青老化及再生過程中主要關(guān)注1 700 cm-1附近的羰基C=O 及1 030 cm-1附近的亞砜基S=O 等含氧官能團(tuán)的變化.采用OMNIC軟件中的基線法來計算紅外光譜中碳基和亞砜基特征峰的面積，進(jìn)而通過式（3）得到碳基C=O 和亞砜基S=O 的官能團(tuán)指數(shù)IC=O、IS=O，結(jié)果見表3.通過羰基和亞砜基官能團(tuán)指數(shù)來反映瀝青的老化及再生狀態(tài).

由表3 可知：隨著瀝青老化程度的加重，IC=O和IS=O逐漸增大，說明瀝青中羰基和亞砜基含量變大，瀝青發(fā)生氧化反應(yīng)生成羰基和亞砜基等極性基團(tuán)；老化瀝青添加3 種再生劑后均表現(xiàn)出IC=O和IS=O減小，表明瀝青再生后極性官能團(tuán)含量減少，再生劑能夠補(bǔ)充老化瀝青缺失的輕質(zhì)組分，稀釋溶解瀝青老化過程中產(chǎn)生的極性物質(zhì).

表3 再生瀝青官能團(tuán)指數(shù)Table 3 Functional group index of recycled asphalt

圖7 給出了瀝青自愈合參數(shù)與官能團(tuán)指數(shù)的關(guān)系.由圖7 可知，IS=O與瀝青平均愈合指數(shù)HIa具有一定程度的相關(guān)性（R2＞0.68），IS=O越大，瀝青中極性官能團(tuán)含量越高，分子間作用力越大，瀝青自愈合性能越低.考慮到再生劑種類不同會影響再生瀝青官能團(tuán)指數(shù)，排除添加R 型和S 型再生劑的試驗樣品后，將瀝青自愈合參數(shù)與官能團(tuán)指數(shù)的關(guān)系列于圖8.

圖7 瀝青自愈合參數(shù)與官能團(tuán)指數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between asphalt self-healing parameter and functional group index

圖8 排除添加R 型和S 型再生劑的試驗樣品后，剩余瀝青自愈合參數(shù)與官能團(tuán)指數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between self-healing parameters and functional group index of the remaining asphalts after excluding R and S types of recycled asphalt

由圖8 可見：排除添加R 型和S 型再生劑的試驗樣品后，自愈合參數(shù)與官能團(tuán)指數(shù)IC=O、IS=O的相關(guān)性明顯提高，瀝青平均愈合指數(shù)與IC=O的相關(guān)性超過0.7，表明再生劑種類影響了瀝青自愈合參數(shù)與官能團(tuán)指數(shù)的相關(guān)性；對于添加Y 型再生劑的瀝青，自愈合參數(shù)與IC=O、IS=O之間表現(xiàn)出較好的線性相關(guān)性.

3 結(jié)論

（1）通過不同間歇時間下的瀝青疲勞自愈合試驗得出，除重度老化瀝青外，其余瀝青的平均愈合指數(shù)HIa與愈合時間t0.25的線性相關(guān)性較高.老化導(dǎo)致瀝青K和HIa降低，添加再生劑能夠恢復(fù)老化瀝青的愈合性能，且再生劑摻量較高時效果更好；Y 型再生劑對恢復(fù)老化瀝青自愈合性能的效果最好.

（2）瀝青在老化過程中發(fā)生了氧化反應(yīng)，隨著老化程度的加重，羰基指數(shù)IC=O和亞砜基指數(shù)IS=O增大，瀝青中極性氧化物含量提高，導(dǎo)致分子間作用力增大，自愈合能力降低；老化瀝青再生后IC=O、IS=O減小，極性氧化物含量降低，分子間作用力減小，自愈合能力得到恢復(fù).

（3）再生劑組分差異會影響再生瀝青自愈合參數(shù)與官能團(tuán)指數(shù)的相關(guān)性，添加Y 型再生劑的再生瀝青自愈合參數(shù)與IC=O、IS=O均表現(xiàn)出較好的線性相關(guān)性.