沥青老化再生低温性能及微观机理研究

王 磊，张淑仙

（1.乌兰察布市交通运输服务保障中心，内蒙古 乌兰察布 012000；2.内蒙古自治区交通运输教育中心，内蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

沥青是由多种不同分子链长度的高聚物组成[1]。沥青的有机属性决定了其在生产和使用过程中不可避免地会产生各种老化现象[2]，老化过程中轻质组分的短链聚合物转化为长链聚合物，同时带来了沥青硬化和脆化[3]。随着沥青性能的衰退，在自然和行车荷载的循环作用下路面病害随之而来，进而缩短了路面的使用寿命。同时，随着能源的紧缺，再生的浪潮愈演愈高，而提升废旧沥青混合料掺量的最大制约因素就是废旧沥青的再生还原[4]。因此研究沥青老化和再生过程中宏观性能和微观变化机理尤为重要[5]。

国内外对于沥青老化的研究比较深入，例如李宁等利用流变试验和凝胶色谱试验对比分析了热氧、光氧老化前后沥青的宏观性能变化和微观分子结构变化，结果显示沥青分子量与宏观性能存在线性关系[6]。而用凝胶渗透色谱（GPC）被认为是测量沥青分子量最有效的分析方法之一[7，8]。同时有研究表明，沥青的老化和再生的评价标准多集中于低温抗裂性能的下降[9]，而国际上沥青低温性能通用评价指标是指美国AASHTO规范中利用弯曲梁流变仪（BBR）测量不同温度条件下的S值和m值[10，11]。

为此本文通过室内制备不同老化状态的老化沥青，利用弯曲梁流变仪（BBR）测试分析不同老化再生过程中基质沥青的低温性能，同时利用凝胶色谱法测试了老化再生前后沥青分子量分布变化规律，从宏观性能上分析了老化和再生对沥青低温性能的影响，并探究了沥青老化再生的微观机理。

2 材料与方法

2.1 沥青

选用90 号基质道路石油沥青作为原样沥青，其基本性能指标见表1。

表1 试验用90号基质沥青技术性能

2.2 再生剂

试验选用的再生剂共有三种，再生剂的添加量与添加方式见表2。

表2 再生剂的添加量与添加方式

2.3 老化试验方案

为全面、科学地模拟及分析沥青胶结料的老化再生性能，拟采取旋转薄膜老化、压力老化、紫外老化、紫外+水喷淋复合老化等四种方式来提供模拟老化环境。各阶段老化后，分别用一组样品进行再生还原测试，分析影响沥青老化的关键条件及不同再生剂的还原效果；用另一组样品进行下阶段的老化。具体老化再生样品制备路线如图1所示。

图1 沥青老化再生样品制备路线图

RTFOT 薄膜老化与PAV 压力老化为规范试验，紫外老化试验的光照时间为200h，紫外老化I为单纯紫外光照，紫外老化II加入了喷淋程序，一次试验共喷淋四次，每次喷淋30min。为了对比分析紫外老化与压力老化的差异，分别对旋转薄膜老化后的试样进行了这两种老化，并对老化后的试样进行了三种再生剂的再生及相应的物理化学表征试验。

3 试验结果分析

3.1 老化再生对沥青低温性能的影响

为探究沥青老化和再生微观机理，选用弯曲梁流变仪（BBR）测试了不同温度条件下不同样品60s 时的蠕变劲度S 值和蠕变速率m，具体结果如图2 和图3 所示。一般认为BBR 试验所得出的蠕变劲度模量S＜300 MPa，且S值越小，低温性能越好；蠕变速率m＞0.3，且m越大沥青的低温性能越好。

图2 不同温度条件下蠕变劲度S值的变化

图3 不同温度条件下蠕变速率m值的变化

由图2 可知，无论在-12℃还是-18℃，原样沥青旋转薄膜老化会提高沥青的S 值，但是提升的比例不大，一般为10%左右；在旋转薄膜老化基础上，压力老化与紫外老化均会提高沥青的劲度模量，但是紫外老化不如压力老化提高的明显，这是因为紫外老化没有压力的作用，其老化主要发生在沥青的表面层，在表面形成一层老化膜后，会延缓内部的老化，而压力老化在压力的作用下，会更多地作用到沥青的内部，导致沥青整体老化程度加深。与其他老化方式相比，复合老化对沥青S值的提升幅度最大，表明紫外老化与水共同作用会加剧沥青的老化。由图2（b）可知，原样沥青的S值在-18℃时已经超过一般规定的极限值300 MPa，说明该沥青在-18℃时已经超过其低温等级，极易产生温度裂缝。

分析再生剂的作用，从图2可以看出三种再生剂均可以延缓沥青的老化，降低沥青的S值，其中再生剂I的作用效果相比较再生剂II 和再生剂III，在-18℃条件下，无论是压力老化、紫外老化或复合老化，起作用都比较明显，S 值均为最低，其添加后，作用效果最优；再生剂III 与再生剂II 相比，不论是在-12℃还是-18℃条件下，再生剂III 作用效果更优。因此从劲度模量的角度分析再生剂的应用效果可知，再生剂I 较好，再生剂III次之，最后为再生剂II。

由图3 分析可知，原样沥青无论在任何温度、任何老化方式的作用下，其蠕变速率m 值均满足一般要求，均大于0.3，说明该沥青本身的低温抗老化性能较佳。

老化后沥青的m值均会出现不同程度的降低，表明老化作用会不同程度降低沥青的低温性能，紫外老化后，m 值变化不大，在-12℃时反而超过原样沥青的值，说明常规的紫外老化对沥青的低温性能影响较小；复合老化的m 值变化最大，超过压力老化和紫外老化，其老化程度最深。

在三种再生剂的作用下，沥青的劲度模量变化率m值均有不同程度的提高，说明在再生剂作用下，沥青低温抗老化性能均得到提升，分析具体数据可知，再生剂的作用效果为：再生剂I较好，再生剂III次之，最后为再生剂II，与S值的变化分析相一致。

综合分析蠕变劲度S值和蠕变速率m值可知，老化均会不同程度降低沥青的低温性能，常规条件的紫外老化对沥青劲度模量和其变化率的影响有着相反的规律，表明单纯的紫外老化只发生在沥青表面，并不能很好地起到老化的效果；但是在水的作用下，水与紫外复合老化后，老化程度得到进一步加深，沥青低温性能进一步降低，更符合老化的实际情况。再生剂均能够改善沥青的老化低温性能，综合分析可知，再生剂I性能最优，再生剂II的改善作用最差。

3.2 沥青老化再生前后凝胶渗透色谱分析

采用凝胶色谱法测试老化再生前后沥青分子量分布变化规律，通过计算重均分子量Mw、数均分子量Mn、Z均分子量Mz以及分子量多分散性D，分析老化前后的变化，具体结果如图4所示。

图4 不同样品沥青分子量及分散性变化规律

从图4（a）中可以看出，老化均会增加沥青的数均分子量，复合老化的作用最为明显，紫外老化的作用最差。分析再生剂的作用可以发现，再生剂作用下沥青的数均分子量均会不同程度的降低，说明在再生剂的作用下，沥青老化低温性能得到改善，改善效果为：再生剂I最优，再生剂II的改善作用最差。

从图4（b）中可以看出，老化及再生剂的作用对沥青重均分子量和Z 均分子量的影响规律与数均分子量类似，但不同种再生剂之间的区分度更为明显。

从图4（d）中可以看出，随着沥青老化程度的加深，沥青中分子量多分散性不断增大，沥青中的大分子不断出现，导致分子量分布不均一性进一步增强。加入再生剂后，分子量分布的不均一性有所降低，但仍明显高于原样沥青。通过试验表明，沥青的再生过程并不完全是老化过程的一个逆过程，虽然添加再生剂后沥青的物理力学性能与原样沥青相类似，但是这种再生一部分是由于再生剂与沥青的化学反应改变了沥青的化学组成，一部分是由于再生剂的软化、溶解作用。沥青老化过程与再生过程分子组成改变的机制不同，导致其不能完全恢复成原样沥青。

4 结语

①通过沥青低温蠕变劲度S 值和蠕变速率m 值的分析可知，老化作用后会降低沥青的低温性能；其中复合老化对沥青的低温性能降低最多，而无水条件的紫外老化则对沥青劲度模量和其变化率的影响有着相反的规律，表明紫外老化只发生在沥青表面，对沥青整体老化影响不大。

②再生沥青的低温抗裂性能表明，再生剂I对老化沥青低温性能的改善作用明显优于再生剂II与再生剂III，再生剂II的改善作用最差。

③沥青发生老化的本质是内部共系聚合物的单方面转化，其中光和水耦合老化对沥青老化影响最大，紫外老化只发生在表面，对整体老化效果并不明显。

④沥青分子量分布表明，沥青的再生过程并不完全是老化过程的一个逆过程，沥青的物理、力学性能可以恢复与原样沥青类似，但沥青老化过程与再生过程分子组成改变的机制不同，导致其不能完全恢复成原样沥青。