糠醛抽出油再生沥青的流变和感温性能研究

吴文亮，代生林，斯 李

(华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510641)

0 引言

世界范围内的道路网铺筑材料绝大部分为沥青，沥青路面的性能会在使用中不断下降，直至需要维护或重建。随着沥青老化，沥青微观结构的多相态破坏变得严重，导致宏观性能的衰减[1]。沥青的老化还表现为部分轻质组分向重质组分的转化。沥青的再生技术旨在恢复老化沥青的流变性能，使其能用于沥青混合料的再生，提高材料的可持续性和环境效益[2]。沥青的再生需要使用再生剂，它通过增添老化沥青中缺失的轻质组分，使再生沥青恢复或接近基质沥青的性能[3]。Koudelka等[4]比较了欧洲市面上的10种再生剂，均不能同时满足老化沥青的多个指标。

糠醛抽出油是润滑油生产过程中的一种副产品，含有较多的轻质芳香烃[5]，可明显调节老化沥青中轻重组分的比例[6]。道路沥青的研究中，糠醛抽出油可作为低标号沥青调配到高标号沥青的添加剂[7]，还可辅助生产SBS、SEBS、SIS等改性沥青[8]，与聚磷酸混合能够降低改性沥青中SBS的含量[9]。当糠醛抽出油与树脂混合的质量比为6∶1时，对老化沥青的再生效果较好[10]。糠醛抽出油与AH-90直馏沥青混合调制的再生剂能恢复改性沥青的性能[11]。将糠醛抽出油、橡胶填充油和醇基苯甲酯增塑剂混合制备再生剂，当糠醛抽出油质量分数为10%时，基质沥青可再生，当糠醛抽出油质量分数为5%时，SBS改性沥青可再生[12]。这些研究表明糠醛抽出油具有较好的再生潜力。但实际的路面维护中，废沥青都处于不同程度的老化状态，沥青组分比例失调的程度不同，再生的难度也不同[13]。

鉴于此，本文选择糠醛抽出油作为再生剂，制备了3种不同老化程度的沥青，研究糠醛抽出油对老化沥青流变与感温性能的影响规律，探究不同指标对其性能评价的适用性，并分析糠醛抽出油作为再生剂的再生效果与应用潜力。

1 材料与试验方法

1.1 材料

1.1.1 再生剂

糠醛抽出油为黑色黏稠液体，主要技术指标如表1所示。

表1 糠醛抽出油主要技术指标

1.1.2 沥青

(1)基质沥青与老化沥青。采用壳牌70 #沥青作为基质沥青(O)，在实验室条件下使用旋转薄膜烘箱(RTFOT)和压力老化容器(PAV)制备3种不同老化程度的沥青以供使用，分别是：轻度(D)、中度(M)、重度(L)。制备方法：轻度老化沥青使用RTFOT老化2.5 h，中度老化沥青使用RTFOT老化5 h，重度老化沥青使用RTFOT老化85 min+PAV老化20 h。

(2)再生沥青。糠醛抽出油的掺量是根据针入度、软化点、延度、旋转黏度确定的，这些指标值越接近基质沥青，沥青的再生效果越好。首先在135 ℃下以质量分数为1%的掺加梯度比例将糠醛抽出油加入老化沥青中，使用剪切机搅拌15 min，制备再生沥青并检验其性能。基质沥青、老化沥青、再生沥青的技术指标如表2所示，沥青编号后的数字代表掺量(质量分数，如D2表示糠醛抽出油质量分数为2%的轻度老化沥青)。

表2 沥青的主要技术指标

1.2 试验方法

1.2.1 流变性能测试

采用Kinexus动态剪切流变仪(DSR)测试再生沥青的流变性能。

(1)频率扫描。频率扫描的试验温度分别为4、24、44、64 ℃，采用0.5%应变控制，扫描频率为0.01～30 Hz。室内试验难以测定沥青在瞬时荷载与长期蠕变下的力学响应，Williams-Lanbel-Ferry(WLF)时温等效原理[14]认为，黏弹行为在升温与延时下等效，则低温下的力学响应可转换为短时/高频下，高温下则转换为长时/低频下。通过WLF时温等效原理，设定参考温度为25 ℃，并利用Sigmoidal模型[15]将频率扫描结果绘制成复数剪切模量-加载频率主曲线，如图1所示。

图1 复数剪切模量-加载频率主曲线

(2)温度扫描和多重应力蠕变(MSCR)试验。为了更准确地预测糠醛抽出油再生沥青的高温性能，选择温度扫描试验的车辙因子G*/sinδ和MSCR试验的不可恢复蠕变柔量Jnr进行评价，并分析2种指标的关系。

测试沥青的高温性能常采用温度扫描，以正弦振荡的模式对沥青进行固定应变的加载，得到复数剪切模量G*、相位角以及车辙因子。扫描温度为46～76 ℃，升温间隔为6 ℃，角频率为10 rad/s。

MSCR试验设置样品试验温度为60 ℃，加载频率为10 rad/s。分别在0.1 kPa和3.2 kPa的应力水平下，进行加载1 s后卸载恢复9 s的加载过程，循环10次。

(3)疲劳因子指标和线性扫描振幅(LAS)试验：疲劳因子G*sinδ为评估沥青在常温下抗疲劳破坏能力的指标，其作为线性黏弹性模量类指标不能表征沥青混合料的疲劳损伤特性，但可用于基质沥青的抗疲劳性能评价[16]。

线性扫描振幅试验则采用动态的频率、应变，能更好地模拟路面的实际荷载，试验得到的疲劳寿命Nf可以较好地反映沥青混合料的抗疲劳性能[17]。试验过程包括频率扫描和振幅扫描：先进行频率扫描，在25 ℃下，采用0.1%应变控制，扫描频率为0.2～30 Hz；再进行振幅扫描，在25 ℃的温度和10 Hz的频率下，应变从0.1%线性增加到30%，循环3 100次得到沥青的疲劳寿命。

1.2.2 弯曲蠕变(BBR)试验

采用TE-BBR-F型弯曲梁流变仪进行BBR试验以探究各沥青的低温抗裂性能，评价指标为蠕变劲度S和蠕变速率m。选取的温度为-18、-12、-6 ℃，加载时间为60 s，试验温度为低温等级加10 ℃，则该试验温度可分别代表-28、-22、-16 ℃的低温等级。

2 分析与讨论

2.1 宽频域下动力学性能

复数剪切模量-加载频率主曲线如图1所示，复数剪切模量与加载频率均取对数。由图1可知，复数剪切模量从高频(低温)至低频(高温)呈减小趋势，符合升温时沥青从弹性体变为流体的规律，且低频时越大的模量表征越好的高温性能，高频时越大的模量表征越差的低温性能。沥青的老化表现为复数剪切模量的增大，老化沥青与基质沥青的模量差值在低频时比高频时大，表明沥青老化能较明显地提升高温性能，略降低低温性能，且老化程度越高，高温性能越强，低温性能越差。

掺加糠醛抽出油后，同频率下模量随掺量的增大而减小。这是因为糠醛抽出油补充了沥青老化损失的轻质组分，会降低老化沥青的高温性能，但增大了低温下的流动性，减小了低温脆性破坏的可能。由图1可知，D4、M5、M7、L8再生沥青性能较为接近基质沥青水平。

2.2 高温抗变形性能

2.2.1 车辙因子

车辙因子G*/sinδ可用于评价沥青的高温性能，其值越大，高温下的抗剪切变形能力越强，高温性能越好。沥青的车辙因子随温度的变化曲线如图2所示。

由图2可知，车辙因子随温度的增加而减小，这是因为高温使沥青变软，降低了抗变形能力。沥青老化程度越高，车辙因子越大，高温性能越好，这也验证了频率扫描的试验结果。掺加糠醛抽出油后，车辙因子呈减小趋势，掺量越大车辙因子减小越明显。在46～76 ℃下，再生沥青在D4、M7、L8掺量下的车辙因子与基质沥青基本相同。

图2 车辙因子随温度的变化曲线

2.2.2 多重应力蠕变(MSCR)试验

MSCR试验采用应变恢复率R、不可恢复蠕变柔量Jnr和不可恢复蠕变柔量的应力敏感性参数Jnrdiff评价沥青的高温性能。R表示沥青蠕变过程中弹性变形量的占比，Jnr表示不可恢复的变形量。R越大、Jnr越小时，表示沥青在高温下的变形容易恢复，高温性能好。样品在0.1 kPa和3.2 kPa下的MSCR试验结果如表3所示。

表3 MSCR试验结果

由表3可知，基质沥青的Jnr在2种应力条件下均最大，R均最小。这是因为基质沥青在蠕变过程中变形多为不可恢复的黏性变形，不具有较好的抗永久变形能力。各沥青的Jnr在3.2 kPa时比0.1 kPa时的大，R则相反。这是因为应力水平较高时的变形不易恢复，弹性变形量也较小。

掺加糠醛抽出油后，再生沥青的Jnr随掺量的增加而增大，但始终小于基质沥青；R随掺量的增加而减小，但始终大于基质沥青。这是因为糠醛抽出油增加了沥青中黏性小分子的比例，会减小沥青的弹性变形量，掺量越大高温性能降低越多，但总体上再生沥青抗永久变形能力比基质沥青好。

车辙因子评价结果已表明，糠醛抽出油掺量为D4、M7、L8时，车辙因子基本恢复到基质沥青水平。对比同掺量下的Jnr评价结果，发现0.1 kPa时，D4、M7、L8再生沥青的Jnr分别为基质沥青的53.5%、66.5%、35.1%，R分别为基质沥青的4.8、4.7、5.5倍；3.2 kPa时，Jnr分别为基质沥青的55.1%、67.9%、35.0%，R分别为基质沥青的5、7、15倍。表明此掺量下再生沥青的高温性能比基质沥青有较大提升。从以上2种评价方法的试验原理和结果来看，MSCR试验更符合路面实际荷载状况，所以更适合用来评价再生沥青的高温性能。

2.3 中温抗疲劳性能

2.3.1 疲劳因子

沥青在常温下的抗疲劳性能可用疲劳因子G*sinδ评价，G*sinδ越大，沥青受荷载作用造成的性能损失越快，抗疲劳性能越弱。疲劳因子随温度的变化曲线如图3所示。

由图3可知，疲劳因子随温度的降低呈线性增大，说明降温会使沥青的抗疲劳性能大幅下降。相同温度下，糠醛抽出油的掺量越大，疲劳因子越小，说明糠醛抽出油能够改善沥青的抗疲劳性能，改善效果随掺量增加而增强。在D4、M5、L6时，再生沥青的抗疲劳性能已优于基质沥青，再加大掺量对抗疲劳性能的改善仍可提高，但效果相对减弱。

图3 疲劳因子随温度的变化曲线

2.3.2 线性扫描振幅(LAS)试验

沥青受剪切应力，应变从0.1%线性增加到30%的过程中应力也在增大，当达到一定的应变时，应力出现峰值，即表示沥青发生疲劳破坏。LAS应力-应变曲线如图4所示。

由图4可知，应力峰值均出现在10%应变附近。随糠醛抽出油掺量的增加，再生沥青的应力峰值右移且峰值减小，说明掺加糠醛抽出油使沥青变软，能承受的应力峰值降低了，但能承受的应变水平增强，这可减缓应力增加时对沥青的疲劳损害。在D4、D6、M7、L8、L10时，再生沥青应力峰值、疲劳破坏时的应变均接近基质沥青水平。

图4 LAS应力-应变曲线

LAS试验还可获得沥青疲劳寿命Nf，Nf越大，沥青的抗疲劳寿命越长。各沥青在应变水平为2.5%、5%时的疲劳寿命Nf如图5所示。

图5 沥青疲劳寿命

由图5可知，2种应变水平下，随着糠醛抽出油掺量的增加，Nf提高，这印证了疲劳因子的评价结果，即糠醛抽出油可以使沥青的抗疲劳性能改善。2.5%的应变水平下，D6、M5、L8掺量的再生沥青Nf与基质沥青相当，再加大掺量，Nf提高，抗疲劳性能更优；5%的应变水平下，除M5、L6掺量的再生沥青Nf低于基质沥青，其余再生沥青的Nf均高于基质沥青，表明糠醛抽出油提升老化沥青抗疲劳性能的能力在高应变水平下的效果更好。以2种应变水平下的Nf均较接近基质沥青水平为标准，适宜的掺量为D4、D6、M7、L8。

2.4 低温抗开裂性能

弯曲蠕变(BBR)试验获得的指标为蠕变劲度S和蠕变速率m。S表示沥青在低温时抵抗荷载的能力，S越小沥青越软，低温下不易开裂。m表示沥青在荷载作用下S的变化快慢，m越大时S变化越慢，沥青在低温荷载作用下内部拉应力越小，低温下也不易开裂。沥青的BBR试验结果如图6所示。

由图6可知，再生沥青蠕变劲度均小于基质沥青，蠕变速率均大于基质沥青；随着温度升高，各沥青蠕变劲度均减小，蠕变速率均增大，表明掺加糠醛抽出油能改善沥青在低温时的柔韧性和应力松弛能力，提高低温抗开裂性能，改善效果随掺量增加而提高。SUPERPAVE[18]中认为S<300 MPa且m>0.3时可防止沥青的低温开裂现象。由图6可知，基质沥青的蠕变劲度和蠕变速率在-12 ℃时可达标，其低温等级为-22 ℃。掺加糠醛抽出油后，在掺量为D6、M9、L8、L10时可将再生沥青的低温等级提升至-28 ℃，其余掺量下低温等级仍保持-22 ℃。

图6 BBR试验结果

2.5 感温性能评价

沥青的感温性能即温度改变时，对黏滞性等性能产生影响的强弱，感温性能影响着沥青材料拌和、碾压和使用时的性能。不同使用条件下的温度不同，对感温性能的需求也不同。沥青再生中还存在黏度恢复较感温性能恢复滞后的情况[19],因此有必要对感温性能进行研究。本文选取车辙因子指数GTS和低温蠕变指数STS评价再生沥青的感温性能，GTS试验温度为46～76 ℃，STS试验温度为-18～-6 ℃。

2.5.1 车辙因子指数

车辙因子反映沥青高温抗变形的能力较好，与温度的线性关系也较好，GTS越大，感温性能越好。将车辙因子取对数后与温度进行线性拟合，其斜率可以反映车辙因子随温度的变化情况，计算式[20]为

lg(G*/sinδ)=GTS·T+K。

(1)

式中：G*/sinδ为车辙因子，kPa；T为温度，℃；GTS为车辙因子指数；K为常数。

采用式(1)进行拟合，结果如表4(第2、3列)所示。由表4可知，随着糠醛抽出油掺量增大，GTS增大，再生沥青在46～76 ℃时的感温性能增强，但仅M9、L10再生沥青的感温性能优于基质沥青，其余再生沥青的感温性能较基质沥青有1%～6%的削弱。

2.5.2 低温蠕变指数

(1)蠕变劲度指数STSS。在-18～-6 ℃的低温下，将蠕变劲度S取对数后与温度进行线性拟合，其斜率定义为蠕变劲度指数STSS。当STSS越大时，感温性能越好。计算式为

lgS=STSS·T+M。

(2)

式中：S为蠕变劲度，MPa；T为温度，℃；STSS为蠕变劲度指数；M为常数。

采用式(2)进行拟合，结果如表4所示(第4、5列)。由表4可知，糠醛抽出油掺量增大，中度老化沥青的STSS减小，感温性能下降；轻度和重度老化沥青的STSS则基本无变化，感温性能不受影响。各再生沥青的STSS都比基质沥青小，在-18～-6 ℃的低温下，感温性能弱于基质沥青。

(2)蠕变速率指数STSm。在-18～-6 ℃的低温下，将蠕变速率m与温度进行线性拟合，其斜率定义为蠕变速率指数STSm。STSm越小时，感温性能越好。计算式为

m=STSm·T+N。

(3)

式中：m为蠕变速率；T为温度，℃；STSm为蠕变速率指数；N为常数。

采用式(3)进行拟合，结果如表4所示(第6、7列)。由表4可知，糠醛抽出油掺量增大，重度老化再生沥青的STSm减小，感温性能增强；轻度和中度老化再生沥青的STSm增大，感温性能下降。以STSm评价，仅D6、M9时的感温性能弱于基质沥青。对比STSS和STSm对沥青感温性能的评价，发现两者表征的感温性能变化规律不同，但STSm与温度的相关系数比STSm大，本文以STSm的评价结果为准。

表4 感温性能线性拟合指标

2.6 确定糠醛抽出油最佳掺量

通过试验测定了再生沥青的各项性能，以再生沥青各项性能均基本恢复到基质沥青水平时的掺量作为最佳掺量。综合来看，在D4、M7、L8的掺量下效果最佳，此时再生沥青的施工和易性、抗疲劳性、疲劳寿命、抗开裂性均与基质沥青的表现基本相当；高温性能和-18～-6 ℃时的感温性能较基质沥青更优；46～76 ℃时的感温性能稍弱，但削弱均不足3%。可见糠醛抽出油在合适掺量下对于不同老化程度的沥青，能够恢复大部分性能至基质沥青水平，因此具有良好的再生潜力。

3 结论

(1)通过分析各沥青在宽频域下的主曲线，发现老化会使得沥青的复数剪切模量增大，高温抗变形性能增强。掺加糠醛抽出油后，模量随掺量的增加而减小，会削弱高温抗变形性能。车辙因子恢复至基质沥青水平时的掺量下，MSCR试验表明再生沥青的高温抗变形性能比基质沥青好。

(2)糠醛抽出油对老化沥青抗疲劳性能和抗开裂性能的改善效果均随掺量的增加而提升。

(4)随糠醛抽出油掺量增加，再生沥青的感温性能在46～76 ℃时增强；在-18～-6 ℃时，重度老化再生沥青增强，轻度和中度老化再生沥青下降。

(5)以各项指标基本恢复到基质沥青水平确定的最佳掺量为轻度老化4%，中度老化7%，重度老化8%，此掺量下大部分性能与基质沥青相当。