岩沥青/植物油复合再生沥青的流变性能

陈冬，张志强 ，段鑫明，张亮亮，李志宏，胡照广

(1.中交路桥北方工程有限公司，北京 100027；2.黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院，哈尔滨 150050；3.河北省交通规划设计院，石家庄 050000；4.郑州航空工业管理学院 土木建筑学院，郑州 450046)

0 引言

目前我国公路建设已经进入建设和养护相结合的阶段。公路沥青路面在长期使用过程中的老化会造成路面出现裂缝、坑槽等病害，需要进行铣刨并重新翻修，从而会产生大量废旧沥青混合料(reclaimed asphalt pavement，RAP)[1-3]。考虑到沥青价格较高且可用资源越来越少，研究学者通过对RAP改性再生以减少石油沥青消耗和建筑垃圾的产生。传统的石油基类再生剂主要通过补充老化沥青的轻质组分来实现再生效果，但其价格普遍偏高、再生效率低，且其部分成分中可能含具有致癌性的多环芳香烃(PAHs)而危害人体和自然环境[4-5]。植物油(Plant oil，PO)含有大量不饱和脂肪酸和轻质油，用于再生沥青时可通过补充长期老化损失的轻质芳香烃组分，以恢复老化沥青的抗裂性、抗老化性能和流变性能[6-7]。Gong等[8]研究认为植物油能通过降低沥青内高氧化组分的聚集并增强沥青分子扩散能力，以改善老化沥青的流变性能和湿敏性。然而对于高温抗变形能力和弹性恢复性能，纯植物油再生沥青与基质沥青相比有一定差距，需要进一步改进。岩沥青(Rock bitumen，RB)作为一种天然沥青，其含蜡量较低且内部氮元素以官能团形式存在，因而具有很强的浸润性和对自由氧化基的高抵抗性，用于改性沥青可极大改善沥青胶浆的高温和力学性能，减缓沥青老化速度[9-10]。Yan等[11]研究发现岩沥青的O-Si-O能促进基质沥青交联聚合，改变沥青分子网状结构排列，增强胶浆黏结力和耐候性，从而提高沥青路面的耐久性。

本研究将采用旋转薄膜烘箱老化试验(RTFOT)获得老化沥青，通过不同比例以三大指标和布氏黏度(Rotation Viscosity, RV)恢复情况作为评价指标确定再生剂比例，再通过频率扫描(Frequency sweep，FrS)、温度扫描(Temperature sweep，TeS)和多重应力蠕变恢复(Multiple Stress Creep Recovery test, MSCR)试验对再生沥青的高温流变性能和弹性恢复性能进行研究；然后通过低温弯曲梁流变(Bending Beam Rheological test, BBR)试验对再生沥青的低温流变性能进行分析；最后通过线性振幅扫描(Linear Amplitude Sweep, LAS)试验测试再生沥青的抗疲劳性能。

1 材料与方法

1.1 原材料

基质沥青选择SK-90#道路沥青，其技术指标见表1，同时依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，利用RTFOT老化方式对基质沥青进行老化处理，得到老化沥青；岩沥青选用聚合程度高、分子量很大、软化点较高的青川岩沥青，其基本性能指标见表2；植物油选用市场上购买的新鲜大豆油，其基本物化指标见表3。

表1 90#沥青的技术指标检测结果

表2 岩沥青技术指标

表3 植物油基本物化指标

1.2 沥青的改性工艺

首先制备植物油再生沥青。参照文献[12], 将基质沥青放入163 ℃±1 ℃旋转薄膜烘箱进行5 h的老化，即得到老化沥青；将一定量的老化沥青在烘箱中加热至155 ℃，并按照4%、6%、8%、10%、12%掺量的植物油加入沥青中，然后将油浴系统控温至150 ℃，并利用WRH270型高速剪切机以5 000 r/min的转速持续剪切25 min，得到植物油再生沥青。

然后制备岩沥青/植物油复合再生沥青。将确定比例的植物油再生沥青的温度控制在155 ℃，再将2%、4%、6%、8%掺量(岩沥青占老化沥青质量比)的岩沥青粉末分别加入再生沥青中，在155 ℃环境温度下利用高速剪切机以2 500 r/min的转速持续剪切20 min至充分融合，再在150 ℃的恒温烘箱内发育1 h，静置备用以备后续试验。将其中10%植物油掺量下0%、2%、4%、6%、8%岩沥青掺量的再生沥青分别记为10PO+0RB、10PO+2RB、10PO+4RB、10PO+6RB、10PO+8RB。具体制备过程如图1所示。

图1 岩沥青/植物油复合再生沥青的制备过程

1.3 试验测试方法

1.3.1 三大指标和黏度试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)[13]，对基质沥青、老化沥青及再生沥青胶浆的25 ℃针入度、软化点、15 ℃延度进行测试；依据文献[14]，利用Brookfield 旋转黏度仪测试再生沥青胶浆135 ℃黏度特性。

1.3.2 FrS和TeS试验

依据文献[15]，采用FrS试验通过 Anton Parr SmartPave-102 DSR仪研究不同加载频率和温度的沥青流变特性，扫描范围为0.1～10 Hz，使用应变控制模式，试验温度分别为16、28、40、52、64 ℃，选用25 mm转子，剪应变幅值取0.1%，间距为1 mm；采用TeS试验对沥青的感温性能进行研究，试验时频率设定为10 rad/s，选用25 mm的转子，间距为1 mm，测试温度范围为20～80 ℃，以分析在再生沥青的温度敏感性和流变特性。

1.3.3 MSCR试验

依据文献[16]，MSCR试验选用25 mm转子，两平行板的间距设置1 mm，在58 ℃试验温度，并在0.1 kPa和3.2 kPa应力水平下进行10个加载卸载循环，通过计算平均蠕变恢复率R(τ)、不可恢复蠕变柔量Jnr(τ)和不可恢复蠕变柔量差值比Jnr-diff，以评价沥青胶浆的变形恢复性能。

1.3.4 LAS试验

依据文献[17]，利用LAS试验评价沥青的疲劳寿命。试验时采用控制应变加载方式，加载振幅为0.1%～30%，扫描时间为300 s，选用8 mm平行板，上下板间距设定为2 mm，试验温度为16 ℃。

1.3.5 BBR试验

依据文献[18]，将标准梁(127 mm×6.35 mm×12.7 mm)放在BBR试验仪上进行101.6 mm跨径的3点弯曲，试验时分别确定-12、-18、-24 ℃下不同时刻的挠度，计算蠕变劲度模量Sm和蠕变速率m以评价低温开裂性能和松弛性能。

2 结果与分析

2.1 三大指标和黏度分析

对老化前后及再生前后的沥青胶浆进行针入度、软化点、延度和旋转黏度(Brookfield)试验，其性能试验结果如图2所示。由图2可以看出，老化作用使得沥青胶浆的针入度和延度降低，软化点和黏度升高，即胶浆逐渐变硬变脆，这主要是由老化使得沥青中的轻质油性组分挥发或发生热氧化成为胶质，而胶质成分部分热氧化为沥青质所致[19-20]。当植物油掺量由4%升至12%时，再生沥青的针入度值会逐渐增大，即表明掺加植物油可以使老化沥青变软，进而使其稠度和黏度降低；软化点则呈逐渐减小的趋势，且当植物油掺量为12%时再生沥青的软化点已远低于基质沥青，但软化点过小不利于胶浆高温性能；延度随植物油掺量增加而增大，即掺入植物油可优化老化沥青低温柔韧性和低温抗裂性，且10%掺量基本能将延性恢复到老化前水平；再生沥青的黏度随植物油掺量的增加而减小，说明植物油的掺入降低了沥青胶浆的黏度。结合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[21]要求和沥青胶浆的各项性能，推荐植物油的掺量为10%，然而可以发现10%掺量的植物油再生沥青针入度与软化点与基质沥青仍有一定差距，即再生沥青与集料的黏附性较低，抗剪切破坏能力较弱，高温稳定性较低，因而需要对植物油再生沥青的高温性能进行增强。

图2 不同再生沥青的三大指标和黏度变化

2.2 DSR分析

2.2.1 FrS分析

根据时温等效原理，将各试验温度测试数据进行平移、叠加和最小二乘法拟合可得到特定温度下主曲线，即更宽时间或频率范围的数据。各个测试温度下的数据沿对数坐标轴移动的距离为移位因子αT，由Williams-Landel-Ferry(WLF)方程[22](即公式(1))得到，计算结果见表4。本研究分别选取16、28、40、52、64 ℃温度的动态剪切模量G*和相位角δ数据，以40 ℃为参考温度值T。通过将大于T的点向左平移，小于T的点向右平移，以移位因子为平移距离，得到G*和δ的主曲线，如图3所示，其中图内频率和G*均为对数值。

表4 主曲线移位因子

图3 不同再生沥青的频扫主曲线

(1)

式中：T0为参考温度，℃；C1、C2为位移因子参数。

在低频段(高温域)内，沥青胶浆的G*越大而δ越小，其硬度越大，高温抗变形能力越强；反之高频段(低温域)内沥青胶浆的G*越小而δ越大，低温抗变形能力越强。由图3可以看出，无论任何频域范围，老化沥青的G*主曲线均位于再生沥青的上方，而δ主曲线则位于再生沥青的下方，说明老化沥青的黏弹性程度均高于基质沥青和再生沥青，这主要是由长期老化导致沥青内大量轻质组分挥发所致[20]；同时，不同频域内基质沥青和再生沥青的G*主曲线接近，而随着岩沥青的增加δ逐渐减小，说明植物油对老化沥青的再生效果显著，而岩沥青进一步增强了植物油再生沥青的弹性恢复性能；此外，与基质沥青相比，4%、6%和8%岩沥青掺量的复合再生沥青的G*在低频域内较高而在高频域内较低，表明这几种再生改性沥青的低频段(高温域)弹性恢复性能，在高频段(低温域)变形能力均优于基质沥青。

2.2.2 TeS分析

图4为不同的岩沥青/植物油复合再生沥青的TeS试验结果，需要指出老化沥青的G*和车辙因子(G*/sinδ)远大于复合再生沥青和基质沥青，因而其变化曲线单独绘制。由图4可以看出，随着温度的升高，沥青的G*逐渐降低，这是因为沥青内部组成中的黏性成分逐渐增多而弹性成分减少，胶浆逐渐从弹性态向黏流态转化，且温度越高胶浆G*的差异性越小。植物油的掺加可降低老化沥青的G*和G*/sinδ，一定程度上恢复其弹性变形能力；同时，随着岩沥青掺量的增加，胶浆的G*和G*/sinδ逐渐增大，即说明增加岩沥青掺量，可明显提升再生沥青的高温抗变形性能和弹性恢复性能。当岩沥青掺量超过6%时，老化沥青的高温抗流动变形能力可恢复甚至超过老化前水平，这可能是因为岩沥青的沥青质含量高，芳香环结构含量多，沥青质与胶质分子量大，其掺入将使沥青变硬从而改善高温性能[19]。此外结合2.1的试验结果，只利用植物油再生老化沥青，仅恢复了沥青胶浆的三大指标，而G*/sinδ仍与基质沥青有一定差距，因而证明了本研究利用岩沥青/植物油对老化沥青进行复合再生的必要性。

图4 不同再生沥青的温度扫描

利用方程G*/sinδ=AeBT(A,B为拟合参数)对G*/sinδ和温度变化曲线进行拟合，并通过计算确定出沥青G*/sinδ=1 000 Pa时的温度即临界温度Tc，计算结果见表5。由表5可以看出，老化沥青的Tc最高，也与前述老化沥青的软化点最高的结果一致；此外，植物油的添加可一定程度上恢复老化沥青高温性能，而随着岩沥青增加，沥青胶浆的Tc逐渐上升；当10PO+6RB和10PO+8RB复合再生沥青的Tc甚至分别比基质沥青高0.3、1.9 ℃，即已达到甚至高于老化前水平，说明岩沥青可以有效改善再生沥青的高温抗车辙性能，这是岩沥青良好的高温性能且与石油沥青相容性较好的共同作用结果[23]。

表5 沥青临界温度

2.3 MSCR分析

MSCR试验的剪切应变-时间(ε-t)曲线如图5所示。由图5可以看出，老化沥青的ε-t曲线明显低于其他沥青，即说明在长期热氧老化作用造成沥青内部轻质组分挥发，从而表现出变得脆硬，弹性变形性能差；而植物油再生沥青的ε-t曲线高于老化沥青和基质沥青，表明其抗车辙性能较差，因而说明对植物油再生沥青的高温性能进行增强的必要性；同时随着岩沥青掺量的增加，复合再生沥青的ε-t曲线逐渐降低并接近基质沥青，即岩沥青对再生沥青改性效果良好，有效增强其抗变形能力。此外值得注意的是，10PO+0RB、10PO+2RB和10PO+4RB复合再生沥青的加载后应变较大且卸荷曲线呈平台状，即说明其在加载时主要产生蠕变变形，而卸荷恢复变形较小，主要产生永久变形；相比之下，10PO+6RB和10PO+8RB的加载变形较小且卸荷曲线呈下降趋势，即说明其卸荷后弹性恢复变形较大，弹性恢复性能较优。

图5 不同再生沥青的ε-t曲线

由图6不同植物油再生沥青的MSCR试验的R(τ)和Jnr(τ)结果可看出：随着应力水平的增加，沥青胶浆的R(τ)降低而Jnr(τ)增加，即说明较高的应力水平会使胶浆的变形恢复性变差，且不可恢复变形增加，这主要是因为高应力水平下沥青内部结构被破坏。同时，10PO+0RB的R(τ)最低，而Jnr(τ)最高，说明纯植物油再生沥青存在变形恢复能力不足、高温抗车辙能力较差的问题。然而，随着岩沥青掺量由2%增至8%，胶浆的R(τ)显著增加而Jnr(τ)显著减小，且逐渐接近甚至优于老化前水平。例如，相较于植物油再生沥青(10PO+0RB)，0.1 kPa应力水平下，胶浆的R(τ)分别增加了12.87%(10PO+2RB)、167.27%(10PO+4RB)、251.18%(10PO+6RB)和406.82%(10PO+8RB)；胶浆的R(τ)分别恢复到原样沥青的22.21%(10PO+0RB)、25.71%(10PO+2RB)、56.79%(10PO+4RB)、75.89%(10PO+6RB)和104.89%(10PO+8RB)。说明岩沥青添加后，再生沥青的黏流变形较基质沥青和10PO+0RB小，高温抗车辙性能更好，这可能是岩沥青分子量较大且黏度较高，增大了胶浆的模量，从而使胶浆弹性恢复能力增强而流动变形能力减弱。此外，老化沥青的R(τ)最高而Jnr(τ)最低，说明经过长期老化后胶浆已经接近弹性体，不可恢复变形很小且硬度和脆性很高，这也与2.1和2.2中的结果一致。

依据文献[24]，以Jnr-3.2和Jnr-diff为分级指标对沥青胶浆的适应交通量的划分要求，对不同的再生沥青胶浆的进行分级，其结果见表6。可以得出10PO+4RB和10PO+6RB可用作58 ℃下重交通及以下，10PO+8RB可用于58 ℃下特重交通及以下的桥面和路面层。不同再生沥青的MSCR结果如图6所示。

图6 不同再生沥青的MSCR结果

表6 沥青的交通量等级

2.4 LAS分析

图7和表7为不同沥青胶浆的LAS试验指标结果。结合图7(a)和表7可以看出，岩沥青/植物油复合再生沥青的峰值平台宽度大于老化沥青和纯植物油再生沥青，即说明岩沥青/植物油的复合再生使得老化沥青的应变敏感性降低，抗疲劳性能增强，这主要由于植物油有效补充了老化沥青的轻质组分且稀释了沥青质，而岩沥青同时又补充了重质成分[19-20]。剪切应变持续增加而剪切应力出现降低趋势时对应的应变为屈服应变(εf)。此外，与90#沥青相比，复合再生沥青的εf增加了-1.82%(10PO+0RB)、26.35%(10PO+2RB)、9.33%(10PO+4RB)、12.98%(10PO+6RB)和1.35%(10PO+8RB)。即纯植物油再生沥青的εf较小，这可能是由胶浆内轻质组分含量过多以致黏附性较低引起的，而岩沥青的加入可增大再生沥青的εf，从而增强其抗疲劳性能。需要指出10%PO+8%RB的εf小于基质沥青可能是由于颗粒状岩沥青掺入后影响了沥青胶浆的均质性，致使其应变变小。由图7(b)可以看出在相同应变水平下，老化沥青和90#沥青的Nf较低，同时岩沥青的掺加增强胶浆疲劳寿命(Nf)和抗疲劳性能，但随着岩沥青掺量的增加，复合再生沥青的Nf增长趋势逐渐减小。以5%应变水平为例，相较90#沥青，其Nf分别增加了16.43%(10PO+0RB)、87.47%(10PO+2RB)、73.14%(10PO+4RB)、55.91%(10PO+6RB)和40.53%(10PO+8RB)。需要指出，这一结果与其掺入会引起再生沥青εf减小并不冲突，即说明岩沥青掺入使得胶浆在应力峰值持续的范围较宽，对疲劳作用的耐受力变强。

图7 不同再生沥青的LAS结果

表7 沥青的LAS试验指标

2.5 BBR分析

图8为不同沥青胶浆BBR试验指标S和m随温度变化规律。由图8可以看出，随着温度的降低，各沥青胶浆的Sm升高而m降低，即随着温度降低，胶浆的低温应力松弛性能降低，黏弹性特性显著。与基质沥青和再生沥青相比，老化沥青的S较大而m较小，说明老化沥青的低温柔韧性较差，这一结果也与TeS试验结果得出的高模量值易产生低温脆性断裂的结论一致。然而植物油的掺加显著改善了胶浆的低温变形性能，且BBR试验结果满足AASHTO M 332-14中沥青胶浆Smax=300 MPa和mmin=0.3的要求[24]，这可能是由于植物油补充了其中的轻质组分，同时于植物油内亚油酸与老化沥青之间具有良好的物理反应，因而恢复了其流动性和低温应力松弛性能[25]。此外，随着岩沥青掺量的增加，再生沥青的S增加而m减小，但影响程度较低，且均满足AASHTO性能要求。以-12 ℃为例，与10PO+0RB相比，S分别增长了48.46%(10PO+2RB)、76.52%(10PO+4RB)、87.47%(10PO+6RB)和98.41(10PO+8RB)，而m分别下降了4.84%(10PO+2RB)，10.17(10PO+4RB)、12.38%(10PO+6RB)和9.32%(10PO+8RB)。

图8 不同再生沥青的BBR结果

3 结论

(1)随着植物油掺量增加，再生沥青的针入度和延度呈上升趋势，而软化点和黏度则呈下降趋势；在10%植物油掺量下，再生沥青的常规物理指标基本恢复到原样沥青水平，但其高温性能仍有待进一步改善。

(2)FrS试验结果表明10PO+6RB和10PO+8RB再生沥青在低频段(高温域)弹性恢复性能和在高频段(低温域)变形能力均优于老化前水平；TeS试验结果表明10PO+6RB和10PO+8RB再生沥青的高温抗流动变形能力可恢复甚至超过原样沥青，其相应的Tc甚至分别比老化前高0.3 ℃和1.9 ℃。

(3)在多重应力水平(0.1 kPa和3.2 kPa)下，岩沥青与植物油复配可增强再生沥青胶浆的弹性变形恢复性能。随着岩沥青掺量增加，胶浆的R(τ)显著增加而Jnr(τ)显著减小，且逐渐接近甚至优于老化前水平，此外，10PO+4RB、10PO+6RB和10PO+8RB可分别用作58 ℃下重交通及以下和特重交通及以下的桥面铺装和路面层。

(4)随着岩沥青掺量的增加，复合再生沥青的εf的增长趋势逐渐减小，其中2%～6%岩沥青掺量的复合再生沥青的εf较90#沥青增加12%～27%左右；同时，复合再生沥青的抗疲劳性能随着岩沥青掺量增加而提高，但Nf增长趋势逐渐减小。

(5)植物油可以恢复老化沥青的低温柔韧性，而岩沥青在一定程度上降低再生沥青的低温蠕变性能，但其影响程度较低。各掺量下复合再生沥青胶浆低温性能均满足AASHTO性能要求。基于本研究的试验条件和研究结果，综合考虑沥青胶浆的高低温和疲劳性能，10%植物油和6%岩沥青对老化沥青的复合再生效果最佳。