沥青老化及高复原率沥青再生性能研究

闫瑾，惠嘉，田苗苗，马前程，李亚非，朱逢超

（交通运输部科学研究院，北京 100029）

0 引言

目前，北京地区存在废旧沥青路面材料厂拌热再生利用比例不高的问题，一般为20%左右。如果废旧沥青路面材料回收利用率能够达到90%以上，则大部分旧料需采用冷再生或填筑路基的方式处理，即旧料作为矿料处理，无法有效激活旧料中的老化沥青，造成了沥青资源的浪费。因此，亟需开展废旧沥青路面材料高旧料掺量的热再生技术研究与示范，提升北京地区沥青路面厂拌热再生技术水平。本文从高性能、高旧料掺量的再生剂开发，老化沥青与再生剂之间转移、扩散、相容及复合的规律出发，开展老化沥青、再生沥青微观及宏观性能研究，研究沥青老化及再生组分及性能的变化规律，为再生沥青性能评价体系的提出奠定基础。

1 沥青老化性能研究

1.1 不同老化条件下的沥青宏观性能研究

老化试验所用原样基质沥青为90号道路石油沥青，其性能符合现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求。RTFO 薄膜老化与PAV 压力老化为规范试验，紫外老化分为有水和无水两种情况，无水紫外老化的光照时间为200h，有水紫外老化的喷淋分四阶段完成，每阶段分别喷淋30min。

（1）不同老化条件对沥青高温性能的影响

分别对样品进行了不同老化条件下的软化点测试。试验得出：薄膜老化会使原样沥青的软化点升高7.5℃，压力老化会进一步提高软化点3℃。与压力老化相比，有水条件下的紫外老化会提高软化点1.5℃，而无水条件下的紫外老化则会降低5.5℃。由可说明紫外老化与水损害是耦合关系，二者共同作用会加剧沥青性能退化。而无水紫外老化作用对已经历压力老化的沥青有软化作用，因此降低了其高温性能。

（2）不同老化条件对沥青低温性能的影响

通过弯曲梁流变仪（BBR）测试，以劲度模量S值和劲度模量变化率m值为指标，对不同老化条件影响低温性能的规律进行研究。试验得出：旋转薄膜老化与压力老化会降低沥青的低温性能；在有效服役温度范围内，有水条件下的紫外老化会进一步降低沥青的低温性能，而无水条件的紫外老化则会起到软化作用，进而改善其低温性能。因此，应综合考虑特殊环境下沥青的高低温性能来选择合适的沥青种类。

（3）不同老化条件对沥青全温域黏弹特性的影响

对沥青试样进行了不同温度下的频率扫描试验，然后通过时温等效原理平移得到复数模量G*主曲线，动态剪切流变试验的参数选择为：温度25℃、35℃、45℃、55℃和65℃；频率为0.01～100rad/s；0.015%应变控制模式。试验得出：旋转薄膜老化会增加沥青的复数模量，在此基础上，压力老化会进一步增大沥青的复数模量；与压力老化相比，无水紫外老化对沥青复数模量的影响较小，这是由于紫外老化主要发生在沥青的表皮，而对整体的复数模量影响甚微；有水条件下的紫外老化也体现出了相似的结果，即并没有提高压力老化沥青的复数模量。

1.2 不同老化条件下的沥青微观性能研究

（1）基于红外光谱法的沥青化学组成研究

对不同老化条件下的沥青进行红外光谱分析，通过化学键的变化情况研究老化条件对沥青化学组成的影响。试验得出：沥青经过老化后，C=O 键、C=C键和S=O 键都会增多，而由于老化模式不同，C=O 键、C=C键和S=O 键振动吸收峰的高度也不同，即老化程度不同。其中，旋转薄膜老化和紫外老化的老化程度相当，压力老化和压力（PAV）+紫外+水老化的程度相当。需要说明的是，PAV+紫外+水老化的模式是压力老化后样品再进行紫外+水的老化。由此可知，经过压力老化后，紫外和水的作用基本可以忽略不计，分析其原因主要是紫外老化是针对样品表面的老化。因此，红外试验结果得出压力（PAV）老化是沥青老化程度最大的老化模式。

（2）基于凝胶色谱法的沥青分子量研究

通过对不同老化条件下沥青GPC 的分析，研究平均分子量、峰值分子量情况，进而得出沥青老化后化学成分的变化规律。试验得出：沥青老化后，平均分子量、分散性均增加，峰值分子量变化不大，说明沥青中高分子量的组分（沥青质）增多，与红外试验结果相似。此外，四种老化模式对沥青的老化程度比较PAV+紫外+水老化＞PAV 老化＞RTFOT 老化＞紫外老化。其中，PAV+紫外+水老化与PAV 老化的程度接近，综合考虑红外分析结果，PAV 老化是老化作用中最大的老化模式。

2 高复原率再生沥青性能研究

对各组分的不同材料种类和用量的原材料进行复配，最终优选出再生剂Ⅰ和再生剂Ⅱ，两者再生组分与渗透组分材料一致，再生剂I 加了苯乙烯类橡胶和热塑性弹性体类改性剂。再生剂原材料性能试验结果见表1。

表1 再生剂原材料性能试验结果

2.1 高复原率再生剂对老化沥青微观性能的影响

本文采用红外光谱法、凝胶色谱法，针对不同老化条件下，两种自主研发的再生沥青微观性能进行对比和分析。再生剂I 的掺量为沥青质量的10%，再生剂II的掺量为沥青质量的5%。结果如图1和表2所示。

（1）老化条件下再生前后沥青红外光谱分析

由图1（a）可知，加入再生剂Ⅰ后，沥青的C=C键数量减少，基本与原样沥青一致，C=O键和S=O键数量减少，但还是明显高于原样沥青。这是由于沥青老化过程不只是轻组分的挥发，胶质向沥青质的转变等化学变化是沥青老化的主要形式，加入再生剂仅能调节其轻组分的含量，改善凝胶结构，其化学变化是不可逆的。由图1（b）可知，经过压力老化后，再生剂I和再生剂II基本起不到降低沥青老化程度的作用，加入再生剂I 后的红外图谱与原样沥青更接近，说明再生剂I 将氧化C=O 键和S=O 键还原的能力略优于再生剂II。图1（c）老化结果与图1（a）相似，说明再生剂I无法改变老化沥青的微观结构组成。图1（d）结果与图1（b）相似，再生剂I 加入后能明显改善沥青的老化程度，且再生效果优于再生剂II。

图1 不同老化-再生条件下沥青红外光谱分析

从整体红外试验结果来看，压力老化是老化作用最大的老化模式。加入再生剂主要是增加沥青中轻组分的含量，改善其凝胶结构，但不能改善老化沥青的化学组成，再生剂I的再生效果略优于再生剂II。

（2）老化条件下再生前后沥青分子量分布分析

①RTFOT 老化再生试验得出：直接使用再生剂I后，再生沥青的数均分子量Mn小于原样沥青，重均分子量和黏均分子量均大于原样沥青，但明显小于老化沥青，分散性较老化沥青改善很少，明显大于原样沥青。从分散性来看，加入再生剂仅能调节沥青的平均

分子量，但无法改变沥青质增多的化学变化。②PAV老化再生GPC分析结果见表2。

表2 PAV老化再生GPC分析结果

由表2可知，再生沥青的数均分子量略大于原样沥青，但重均和黏均分子量改善很小，更接近老化沥青。再生沥青II 的平均分子量略大于再生沥青I，可忽略不计，但重均、黏均和峰值分子量、分散系数均小于再生沥青I。

③紫外老化再生试验得出：再生沥青的数均分子量Mn小于原样沥青，重均分子量和黏均分子量均大于原样沥青，再生剂I的再生效果略优于再生剂II。

④PAV+紫外+水老化再生试验得出：再生沥青的数均、重均、黏均分子量及分散系数均大于原样沥青，再生效果不明显，再生剂I的再生效果略优于再生剂II。

从整体GPC 试验结果来看，压力老化是老化程度最大的老化模式，再生剂I的再生效果略优于再生剂II，这一结果与红外分析结果一致。

2.2 高复原率再生剂对老化沥青宏观性能的影响

（1）老化—再生循环对沥青高温性能的影响

为进一步研究老化—再生循环对沥青高温性能的影响，分别对15 种样品进行了软化点测试，试验结果如图2所示。

图2 老化—再生循环对沥青软化点的影响

由图2 可知，两种再生剂均会降低沥青的软化点，只是降低的程度有所不同。按照降低软化点的能力排序为：再生剂I＞再生剂II，但再生剂II 的还原效果更接近原样沥青。此外，在薄膜老化后就开始使用再生剂I，降低软化点幅度要明显高于压力老化之后，这说明越早使用再生剂，再生还原的效果越好。（2）老化—再生循环对沥青低温性能的影响

对样品进行了弯曲梁流变仪（BBR）测试，并以劲度模量S值和劲度模量变化率m值为指标对老化—再生循环影响低温性能的规律进行研究，如图3所示。

图3 不同老化-再生循环对沥青劲度模量的影响

由图3可知，两种再生剂均会不同程度地降低老化沥青的劲度模量。其中再生剂I 的作用比再生剂II 明显。通过再生剂I 作用后的沥青劲度模量较低，再生剂I 再生后的沥青在-24℃时劲度模量小于300MPa，而再生剂II 只有在-12℃时可以满足要求。同理，当温度高于-18℃时，两种再生剂均会不同程度地提高沥青的劲度模量变化率m值。其中再生剂I 的作用明显强于再生剂II。综上可知，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。

（3）老化—再生循环对沥青全温域黏弹特性的影响

对沥青试样进行了不同温度下的频率扫描试验，然后通过时温等效原理平移得到复数模量G*主曲线，如图4、图5所示。

图4 再生剂I对旋转薄膜老化后沥青复数模量主曲线

图5 不同再生剂对压力老化后沥青复数模量主曲线的影响

由图4 可知，再生剂I 可以降低旋转薄膜老化沥青的复数模量，达到软化的效果。由图5 可知，再生剂I、再生剂II 均会不同程度地降低压力老化沥青的复数模量。其中，再生剂I 的作用效果更为明显，再生后的沥青复数模量甚至低于原样沥青；再生剂II作用后的沥青复数模量在高频时与原样沥青最为接近。同理，研究不同再生剂对紫外老化沥青复数模量的影响得出，两种再生剂均会不同程度地降低无水紫外老化后沥青的复数模量。其中，再生剂I 优于再生剂II。但再生剂II作用后沥青的复数模量与原样沥青最为接近；再生剂对有水紫外老化后沥青复数模量的影响与对压力老化后沥青的影响规律相同，但是两种再生剂的再生效果均没有对压力老化沥青明显。其原因可能是紫外老化在压力老化基础上进一步破坏了沥青的分子结构，使再生过程更加困难。

3 结语

本文通过微观与宏观性能研究相结合的方式，采用红外光谱测试、分子量测试和宏观高温、低温及黏弹性分析等方式，研究了不同老化条件下沥青主要特性的变化情况，得出对沥青性能影响因素最大的老化形式。同时，对比分析了两种优选的高复原率再生剂宏、微观性能，得出其再生效果及适用性基本满足要求。然而，对再生剂性能的研究还不够全面、深入，可进一步验证并优化再生剂组成，提升其复原率。