硬质沥青对老化沥青及沥青混合料性能的影响

崔 鹏

(1.甘肃公航旅建设集团有限公司, 甘肃 兰州 730030; 2.甘肃公航旅路业有限公司，甘肃 兰州 730030)

0 引言

对回收沥青路面(Reclaimed Asphalt Pavement, RAP)材料进行循环再利用，既可以节省资源，降低投资，又可以达到环保的目的[1-4]。RAP中的沥青与基质沥青的相比，其抗裂性、抗水损害能力和耐疲劳性均有所下降，但耐高温性有所提高[5]。传统的再生技术是利用再生剂(或软沥青)来恢复老化沥青的变形能力、降低其黏度[6-8]；但同时也会降低老化沥青的高温性能[9-10]，在常用的5%～10%左右的再生剂掺量情况下，可使再生混凝土的抗车辙能力下降30%～80%。正是由于常规的再生工艺有其自身的缺陷，使RAP的掺配比例受到了限制。美国对各个州RAP掺量的调查表明[11]，虽然美国的RAP利用率达到 90%以上，并且许多州交通部的规范允许RAP的掺量超过25%，但较高RAP掺量运用在实际工程中仍较为罕见，大部分都在20%以下。国内规范尽管并未对 RAP的掺量进行明确规定，但提出了15%～30%的建议值[12],即每使用1 t RAP，需要添加 2～5 t新沥青混合料。所以，在常规的再生工艺中仍然需要耗费很多珍贵的资源。

本研究应用高模量沥青混合料(High-modulus Asphalt Mixture, HMAM)的设计思想对其进行再生。高模量沥青混合料于20世纪80年代首先在法国出现[13]，它与一般的沥青混凝土的不同体现在以下几个方面：硬质沥青(针入度约为10～20),细级配,高油石比(约6%)和低孔隙率(通常为3%)，混合料的高模量是由硬质沥青自身的高模量特性得到的[14-16]。马涛等[17]指出，与传统的密实沥青混凝土相比，HMAM具有更高的油石比、更低的空隙率和更细的矿料级配。由于RAP中的老化沥青与硬质沥青具有相似的针入度，因此高模量化再生大幅提高了RAP的掺量。然而现有的再生沥青混合料大多采用传统方法进行再生，以硬质沥青作为再生胶结料的研究尚不多见。通过特立尼达湖沥青(Trinidad Lake Asphalt, TLA)对老化沥青进行改性的机理研究，研制出满足使用条件的再生沥青胶结料。采用50%和100%RAP掺量的再生沥青混合料进行与AC-20高温、低温、疲劳性能的对比试验，验证利用高模量沥青混合料的设计思想对RAP进行再生的可行性。

1 原材料和试验方法

1.1 原材料

研究采用的基质沥青为新疆生产的TH-70#沥青，其性能见表1。为了获得大量的不同程度的老化沥青，同时缩短试验时间，节省人力物力，采用大托盘模拟沥青薄膜烘箱加热试验的方法进行沥青老化。试验的方法和步骤如下：测量大托盘的内长和内宽计算得到托盘的底面积为；在薄膜烘箱老化试验(Thin Film Oven Test, TFOT)中，沥青膜的厚度为3.2 mm，对各托盘中的沥青进行定量计算，保证沥青薄膜的厚度相同。将注入好沥青的托盘放入(163±0.5) ℃的烘箱中进行规定时间的老化，得到不同老化程度的沥青。加热持续时间为0，5，1，19，26 h，得到针入度分别为64.2，48.6，42.4，34.2，27.5(0.1 mm)的老化沥青。

表1 TH-70#沥青基本性能Tab.1 Typical characteristics of TH Pen 70 asphalt binder

通过在再生混凝土中添加湖沥青改性沥青来改善其复数模量，采用 TLA与基质沥青配制湖沥青改性沥青。TLA是一种常温下呈固态、模量高的天然沥青，是制备硬质沥青常用的改性剂。根据英国BS 3690和美国ASTM D5710提出的TLA和TLA改性沥青的技术参考指标，对TLA和硬质沥青进行基本性能试验。TLA的基本性能见表2。制备湖沥青改性沥青时先将TLA打碎成直径为1 cm左右的块状颗粒，然后加入到熔融状态的基质沥青中，TLA用量占湖沥青改性沥青的40%。为了实现两者均匀的混合，采用高速剪切搅拌机在165 ℃下进行15 min的搅拌，制备好的硬质沥青性能见表3。

表2 TLA基本性能Tab.2 Basic properties of TLA

表3 硬质沥青基本性能Tab.3 Basic properties of hard asphalt

为了对比研究基质沥青、不同程度老化沥青和硬质沥青的性能，试验总共制备了11种不同类型的沥青胶结料，其代号和组成如表4所示。

表4 不同种类沥青代号和组成Tab.4 Marks and compositions of different types of asphalt

研究结果显示，较细的矿料级配、较高的沥青含量的沥青混凝土在低温度下的抗裂性能较好，其使用寿命也较长[18]。因此，针对不同RAP掺量的沥青混合料进行了级配设计，再生料的级配随 RAP的增大而逐渐细化。采用3种不同的油石比和级配进行了试验，分别是：传统的密级配沥青混合料AC-20、法国沥青混合料设计指南推荐的高模量沥青混合料EME20(50% RAP和100% RAP)，具体级配如图1所示。根据马歇尔试验结果，确定3种沥青混合料AC-20，50% RAP和100% RAP掺量EME-20的最佳油石比分别为4.2 %，5.5%，6.1%。

图1 级配曲线Fig.1 Gradation curves

本研究试验所用的RAP是旧路面养护工程中铣刨回收所得，并分为0～8 mm，8～12 mm，12～20 mm 3档，RAP矿料级配测试结果如图2所示，对试验用RAP中的老化沥青进行抽提回收，测试其3个指标。老化沥青基本性能见表5。

图2 不同RAP矿料级配测试结果Fig.2 Test result of aggregates gradation of different RAP minerals

表5 回收老化沥青的基本性能Tab.5 Basic performance of extracted aged asphalt

1.2 试验方法1.2.1 红外光谱

傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR)分析指利用红外光谱对物质分子进行的分析和鉴定。试验采用的是美国某公司生产的Nicolet iS10型傅里叶红外光谱仪进行红外光谱测试，光谱分辨率为0.4 cm-1，测试光谱范围为4 000～400 cm-1。

分别制作基质沥青、硬质沥青、12 h老化沥青、26 h老化沥青、硬质沥青+12 h老化沥青、硬质沥青+26 h老化沥青红外光谱试样。其中硬质沥青为40%质量分数的湖沥青加入到基质沥青中制备而成，硬质沥青和老化沥青的质量比为1∶1。由于湖沥青在常温状态下为固体，因此可以采用溴化钾压片的方法进行测试，即将微量的湖沥青粉末与溴化钾晶体放在玛瑙研钵中充分研磨混合后，采用YP-2型压片机进行压片制得样品。

1.2.2 原子力显微镜

原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)为一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。试验采用Dimension ICON型号的原子力显微镜。扫描范围为90 um×90 um×10 um，数据采样率50 MHz，分辨率为原子级。成像温度-35～250 ℃。

为研究沥青老化以及湖沥青的加入对再生沥青胶结料表面结构和性质的影响，分别制作基质沥青、硬质沥青、12 h老化沥青、26 h老化沥青、硬质沥青+12 h老化沥青、硬质沥青+26 h老化沥青原子力显微镜试样。由于湖沥青常温呈固态，无法做到试样的表面平整，与其他的沥青试样没有对比意义，所以制备了上述6种沥青试样。

1.2.3 流变性能试验

根据 AASHTO T315，使用动态剪切流变仪 (Dynamic Shear Rheometer, DSR) 评估沥青胶结料的高温性能。采用温度扫描模式研究沥青样品在 58～82 ℃ 下的性能，记录复数模量G*和相位角δ，并计算疲劳系数 (G*sinδ) 和车辙因子(G*/sinδ)。 此外，使用弯曲梁流变仪 (Bending Beam Rheometer, BBR) 研究沥青胶结料的低温性能，其中记录蠕变刚度S和蠕变速率M以评估制备样品的低温抗裂性，试验温度为-12 ℃。

1.2.4 再生沥青混合料性能试验

采用60 ℃车辙试验、-10 ℃低温小梁弯曲试验和控制应力的三点弯曲疲劳试验来评价再生沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和疲劳性能。其中小梁弯曲试验采用断裂能指标来评价再生沥青混合料的低温性能。三点弯曲疲劳试验的试验温度为15 ℃，加载频率10 Hz。采用控制应力的加载模式，沥青混合料的疲劳特征计算见式(1)。

(1)

式中，Nf为试件破坏时的加载次数；σ为时间施加的常量应力的最大幅值；K和n为沥青混合料材料组成及特性的常量。

2 结果与讨论

2.1 红外光谱分析2.1.1 基质沥青

不同老化时间情况下基质沥青红外光谱试验结果如图3所示。由图3可见，波数3 500～3 800 cm-1处出现的大范围的小型波峰可能是由空气中的水蒸气和CO2引起的；2 852～2 922 cm-1附近的透过率较低，主要与沥青中脂肪链的拉伸振动有关。沥青老化后在1 692 cm-1处的吸收峰面积增大，此处对应的是羰基C=O伸缩振动吸收峰；1 600 cm-1处的峰值代表C=C在苯环中的振动；1 462 cm-1和1 376 cm-1处的吸收峰与脂肪链的变形振动有关；1 031 cm-1处的吸收率峰值表示的是亚砜基团(S=O)的拉伸振动；芳香环中C-H的弯曲振动导致了863，811，747 cm-1处的吸收峰。特定官能团处的透过率可以表示沥青的老化程度。3个沥青样品之间的显著差异是，在基质沥青老化后，C=C,C=O和S=O官能团的透过率降低。C=O的增加表明沥青在老化过程中内部碳元素与空气中的氧气发生反应形成了含氧官能团，如醛、酮、酯和羧酸等。此外，S=O的增加表明硫元素与氧反应形成极性功能性亚砜基。

图3 基质沥青红外光谱试验结果Fig.3 Infrared spectra test result on matrix asphalt

2.1.2 湖沥青和硬质沥青

基质沥青、湖沥青、40%湖沥青+60%基质沥青混合而成的硬质沥青红外光谱试验结果如图4所示。通过比较JZ和TLA的FTIR光谱图4，发现湖沥青大部分吸收峰都在基质沥青吸收峰的附近，仅在535，467，428 cm-1处发现了新的吸收峰，是由湖沥青中的萘官能团所引起的。萘官能团的存在对改善沥青的分子结构强度起到了促进作用。在TLA的1 031 cm-1处，亚砜基S=O的透射率波峰面积明显大于普通沥青的透射率波峰面积。这是因为 TLA是自然生成的，长期接触大气会加快 TLA的氧化。硫和氧有足够的时间发生化学反应形成更多的亚砜基。此外，YZ和TLA具有相同的特征峰，其中YZ中各官能团的透射率小于TLA。上述结果证实TLA的加入只改变了JZ中各组分的比例，2种沥青混合过程中没有发生化学反应。

图4 TLA和YZ红外光谱图Fig.4 Infrared spectra of TLA and YZ

采用差谱分析法，通过将硬质沥青中减去基质沥青的组分特征再与湖沥青的光谱图进行比较，分析是否发生变化。由于硬质沥青中含有60%质量分数的基质沥青，而基质沥青标准谱是100%的基质沥青，组分含量的不一致会导致谱图强度的不匹配，因此，需要首先计算基质沥青标准谱的60%，并根据标准图谱计算不同沥青之间的差谱。通过编程计算硬质沥青与基质沥青的差谱，再和湖沥青的光谱图进行对比，结果如图5所示。由图5可见，2条吸光度曲线几乎完全重合，表明从硬质沥青中除去基质沥青的组分特征后，能够得到另一组分纯湖沥青的光谱图，进一步证明在基质沥青中添加湖沥青，仅对其进行了物理改性，使其组成成分的比例发生改变，而不会产生化学作用。

图5 硬质沥青差谱图Fig.5 Difference spectra of hard asphalt

2.1.3 再生沥青胶结料

制备了含有50%老化沥青(LH12h，LH26h)和50% YZ的混合沥青样品，红外光谱试验结果如图6所示。由图6可见，与老化沥青相比，ZS12h和ZS26h中1 031 cm-1处的亚砜基S=O透过率更低，吸收峰更尖锐。这是因为亚砜基在高温下容易分解。此外，ZS12h和ZS26h中535，467，428 cm-1处出现的峰值表明，TLA中的萘官能团存在于再生沥青胶结料中。萘官能团可以促进沥青分子之间的交联聚合，使得沥青分子之间结构的节点和强度得到增强，从而使得湖沥青改性沥青软化点和黏度增大。

图6 不同再生沥青红外光谱试验结果Fig.6 Infrared spectra test result of different recycled asphalts

对再生沥青胶结料进行差谱分析，从再生沥青胶结料的红外光谱图中消除老化沥青的组分特征，并与硬质沥青的谱图进行对比分析。由于硬质沥青和老化沥青的质量比例为1∶1，所以差减系数为50%，不同再生沥青的差谱图如图7所示。对比分析结果表明，将硬质沥青作为新沥青加入到再生混合料中所得的再生混合料胶结料仅仅是硬质沥青与老化沥青的物理混合，没有发生化学改变。

图7 不同再生沥青差谱图Fig.7 Difference spectra of different recycled asphalts

2.2 原子力显微镜分析

沥青的胶体结构理论认为，大分子量的沥青质作为中心吸引极性较大的颗粒形成胶体，分散在沥青的轻质组分当中。因此，AFM形貌图中，明暗相间、高低不同、类似于蜜蜂尾部的结构被认为是沥青质。利用 AFM对JZ，LH12h，LH26h，YZ，ZS12h，ZS26h的沥青表面微观结构进行扫描，结果如图8所示。由图8可见，老化沥青的蜂型结构数量较未老化沥青增加，单个蜂型结构的面积较未老化沥青更大。

图8 AFM形貌图Fig.8 Topographies imaged by AFM

由于不同种类沥青AFM形貌中沥青表面蜂型结构的数量、大小和分布均不相同，沥青表面蜂型结构的特征可用来间接衡量沥青的基本性能。为定量研究不同因素对蜂型结构特征的影响程度，采用MATLAB软件对沥青AFM形貌图中蜂型结构的个数、最大面积、平均面积和总面积进行了识别和统计，结果如图9所示。

图9 不同沥青蜂型结构特征参数Fig.9 Characteristic parameters of bee-like structure of different asphalts

由图9可见，随着老化时间的延长，沥青表面蜂型结构数量减少，最大面积和平均面积增大，蜂型结构总面积所占比例也随之增大。数量的减少是由于沥青质的相互胶结和聚集，可以从图9(c)中清晰看到，存在2～3个蜂型结构集合在一起；平均面积的增大是由于在老化过程中沥青的轻质组分转化为沥青质，导致了沥青质的增长从而使得平均面积增大；最大面积的增大是由于沥青质大分子在老化过程中与其他沥青质分子相交联形成更大的蜂型结构；蜂型结构总面积及其占比的增大进一步说明了沥青老化提高了沥青中沥青质的占比，沥青从溶胶结构过渡到凝胶结构，从宏观上看，主要是由于老化导致其黏度、稠度增加。比较图9(a)与9(d)可以看出，与JZ相比，TLA的掺加导致图中YZ表面的白色蜂型结构产生了明显的变化。反映在特征参数上是硬质沥青的蜂型结构数量增多，最大面积、平均面积和总面积都有所降低，表明湖沥青的掺加有助于沥青质的溶解，形成了更稳固的体系，这可能和湖沥青中的萘官能团有关。进一步观察图9可知，ZS12h与LH12h相比，蜂型结构的最大面积和平均面积几乎相同，总面积同样有所降低，但降低幅度减小，表明前面所提到的湖沥青加入的改变效果已经变得轻微，这可能是由于湖沥青质量占比的不同导致的，硬质沥青中湖沥青所占的质量分数为40%，而硬质+12h老化沥青中湖沥青所占的质量分数只有20%，湖沥青质量占比的下降导致改变效果的降低。硬质沥青加入26 h老化沥青带来的改变与前述大致相同，蜂型结构的最大面积和平均面积变化不大。

2.3 再生沥青胶结料流变性能

将制备好的硬质沥青胶结料与不同老化时间的沥青按照质量比为1∶1混合，并进行加热，通过长时间搅拌得到两者均匀混合状态下的再生沥青胶结料，测试其低温、高温和疲劳等流变性能。

2.3.1 低温性能

再生沥青胶结料低温流变性能试验结果如图10所示。由图10可知，再生沥青与老化沥青具有相同的低温特性，即随老化时间的增加，其蠕变劲度增加，蠕变速率下降，低温性能下降。这是由于占混合沥青一半质量的硬质沥青没有发生变化，改变的只有老化沥青，此时再生沥青胶结料的变化规律由老化沥青决定。此外，由蠕变劲度数据可知，向老化沥青中加入硬质沥青会降低再生混合料胶结料的低温性能，这是由于YZ比老化时间较短的LH低温性能要差。随着老化时间的延长，老化沥青的蠕变劲度逐渐趋于硬质沥青，表现在图10中就是两条曲线趋于相交。

图10 再生沥青胶结料低温性能试验结果(-12 ℃)Fig.10 Low temperature performance test result of recycled asphalt binder at -12 ℃

2.3.2 高温性能

分别测试不同程度老化沥青(0，7，12，19，26 h老化)混合的再生沥青胶结料的高温性能，并采用车辙因子G*/sinδ和相位角δ表征试验结果，如图11所示。由图11可见，随着LH老化时间的增加，ZS的车辙因子G*/sinδ也随之增加，耐高温性能得到提高；相位角δ降低，再生沥青胶结料的弹性比例增大，并逐步向弹性体靠拢。

图11 再生沥青结合料高温流变性能试验结果Fig.11 Test result of high temperature rheological properties of recycled asphalt binder

根据车辙因子G*/sinδ和相位角的试验结果，比较不同温度下ZS与LH沥青车辙因子G*/sinδ的变化规律，结果如图12所示。由图12可见，随着温度从58 ℃提高到64 ℃，ZS和LH的车辙因子减小，削弱了2种沥青抵抗变形能力。在再生沥青胶结料中添加硬质沥青后，其高温特性得到改善，而湖沥青的耐热稳定性更好。老化后的沥青在12 h内，其车辙因子与老化沥青基本一致。这是老化时间的延长导致老化沥青的高温性能逐渐增强，直到与硬质沥青相同。

图12 ZS与LH车辙因子对比Fig.12 Comparison of rutting factors between ZS and LH

2.3.3 疲劳性能

ZS沥青的疲劳性能的试验结果如图13所示。由图13可见，再生沥青胶结料与老化沥青的疲劳因子曲线几乎重合，表明硬质沥青的加入对再生混合料胶结料疲劳性能的影响不大，ZS的疲劳性能主要受不同老化程度LH的影响。因此如果要从胶结料方面改善再生混合料的疲劳性能，可以重点从老化沥青出发，采用老化程度较低的回收沥青。

图13 ZS与LH疲劳因子对比Fig.13 Comparison of fatigue factors between ZS and LH

2.4 硬质沥青再生混合料性能研究

高模量沥青混合料具有高油石比(5.5%左右)、低孔隙率(3%左右)的特点，采用高模量化设计增强了再生沥青混合料的水稳定性，因此本研究重点对3种沥青混凝土的高温、低温和疲劳性能进行了试验研究，并比较了采用高模量设计理念的沥青混凝土与常规密级配沥青混凝土的性能差别，结果如图14所示。由图14(a)可见，尽管ZS具有较好的耐高温性能，依据高模量设计思想制备的再生混合料动稳定度较常规AC-20低，并且随 RAP用量的增加而进一步降低。由图14(b)可见，EME-20@50%与AC-20具有相似的断裂能，结果表明在低温度下，YZ及50% RAP不会对沥青混凝土的抗开裂性能产生负面影响。在细级配和高油石比作用下，当RAP含量增加到100%时，EME-20@100%的断裂能甚至比AC-20增加了23%。由图14(c)可见，EME-20@50%与EME-20@100%的疲劳寿命都高于AC-20混合料，这归功于ZS比JZ更靠近弹性体，变形后易恢复，与细料形成的大量胶浆能够有效地抵御荷载的反复作用。

图14 再生沥青混合料性能试验结果Fig.14 Test result of recycled asphalt mixture performance

综上，相比于AC-20，为了兼顾再生沥青混合料的低温性能和疲劳性能，根据高模量设计理念，硬质沥青再生混合料采用了更细的级配和更高的油石比，牺牲了部分高温性能，弥补了传统再生混合料低温性能和疲劳性能不足的特点，达到了高低温性能的统一。随着RAP用量的增大，其级配变得更细，油石比例也随之增大，变化规律更为显著。因此，采用高模量设计思想，在50%和100% RAP掺量下，可以同时兼顾再生料的高温与低温特性，并且其低温性能和抗疲劳性能均优于采用新沥青的AC-20混合料，实现了大RAP掺量和高性能的统一。

3 结论

本研究采用 FTIR，AFM，DSR， BBR研究了 TLA改性沥青与老化沥青混合后的改性机理、微观结构及流变性，并对硬质沥青再生混合料路用性能进行了试验研究，结论如下：

(1)随着老化时间的延长，沥青的低温性能和疲劳性能逐渐降低，抵抗变形的能力逐渐增强；红外光谱分析表明，基质沥青的老化主要是热氧老化；原子力显微镜试验结果表明，沥青的老化会导致沥青质含量提高并相互吸引、聚集乃至胶结，破坏了沥青原有的沥青质均匀分散在连续相中的胶体结构，使得沥青由溶胶型结构向凝胶型结构转变。

(2)红外光谱分析结果表明，TLA加入到基质沥青中及硬质沥青与不同程度老化沥青混合时，没有产生新的官能团，只进行了物理改性，导致沥青的各组分比例发生了变化，而没有化学反应；原子力显微镜分析结果表明，TLA的加入使蜂型结构数量增多，最大面积、平均面积和总面积都有所降低，表明湖沥青的掺加有助于沥青质的溶解，形成了更稳固的体系。

(3)再生沥青胶结料与老化沥青的性能变化规律基本一致。再生沥青胶结料的低温性能随老化时间的增加而下降，高温性能得到改善，疲劳破坏发展较快。

(4)通过级配优化和提高硬质沥青的含量，掺量为50%和100% RAP再生沥青混合料的低温性能和抗疲劳性能均优于AC-20混合料。因此应用高模量沥青混凝土设计思想提高RAP含量是切实可行的。