基于分层老化的旧沥青整体老化程度评价及分级

2023-11-09丁龙亭丛波日张梦媛王选仓

内蒙古公路与运输 2023年5期

丁龙亭，丛波日，张梦媛，哈图，王选仓

（1.山东高速集团有限公司创新研究院，山东济南 250001；2.长安大学公路学院，陕西西安 710064）

0 引言

光、氧等自然因素会对服役的沥青路面产生影响，导致路面沥青产生老化，减弱其使用性能和服役年限，沥青的再生与老化互为逆过程，研究沥青老化规律、老化程度评价及分级对提升路面再生技术具有重要意义[1，2]。

旧路沥青老化一直是国内外众多道路工作者研究的热点问题。Fang C Q等[3]通过对基质沥青进行老化试验，得出沥青老化后针入度降低60%，软化点升高13 ℃。Vargas X A等[4]通过在反应器中模拟基质沥青的热氧老化，得出随热氧老化温度的升高，沥青质集料黏度和粒径分布表现出逐渐增大的趋势。Nivitha M R等[5]采用红外光谱跟踪了老化过程中沥青化学官能团的变化，表明羰基和亚砜基含量会表现出增加的趋势。叶奋等[6]研究了旧路铣刨料表面裹附沥青在路面深度方向的差异老化，提出旧路沥青的老化沿厚度方向大体呈线性关系，并通过红外光谱试验证明了轻质组分挥发程度沿路面厚度逐渐降低，最外层沥青中基本不含芳香族化合物。王珺卓等[7]研究了老化时间对SBS改性沥青性能的影响，综合分析了沥青老化后残留针入度比、软化点增量、延度和黏度老化指数的变化规律。王民等[8]采用傅里叶变换红外光谱法（FTIR）和凝胶渗透色谱法（GPC）研究了不同超热温度时SBS 改性沥青分子基团的细观结构变化规律，得到了不同温度对SBS 改性沥青老化影响的微观机理。张恒龙等[9，10]采用傅里叶红外光谱、凝胶渗透色谱和原子力显微镜（AFM）探讨了基质沥青和SBS 改性沥青长期老化过程中化学组成与形貌的变化，发现老化后两种沥青黏度均增大，抗剪切变形能力提高，沥青中的弹性成分增加，老化后沥青表面的典型蜂状结构遭到破坏，蜂状结构的数量和尺寸有较大变化。

虽然国内外相关学者在旧路沥青老化方面做了大量工作，但系统的研究主要集中在沥青老化机理、老化过程中的性能预测及抗老化剂的开发等，很少有学者基于旧路沥青分层老化研究旧沥青整体老化程度，并提出老化程度分级及应用层位。本文基于三大指标、四组分试验及红外光谱测试，得到旧路面层沥青分层老化规律，以此为基础确定了基于分层老化的旧沥青整体老化程度评价方法，并提出沥青老化程度分级标准，根据老化程度分级推荐了再生混合料的应用层位。研究成果为再生铣刨料的精准化利用奠定了基础。

1 试验设计

1.1 三大指标及四组分试验

依托工程为内蒙古省际通道（白音察干至安业段公路），原路面结构为上面层3 cm 细粒式沥青混凝土+下面层4 cm 中粒式沥青混凝土+20 cm 水泥稳定碎石基层，2005 年底前建成通车后，经多年运行局部路段出现路面病害。考虑到旧路面上下面层受光、氧等环境作用影响情况不同，其相同使用年限回收料性能会有所不同，故对上下面层分层铣刨料及整体铣刨料分别进行抽提，抽提后测试回收沥青的三大指标及四组分。

铣刨料进行破碎，放入三氯乙烯溶剂中浸泡半小时，然后采用离心机分离沥青与集料，获得沥青溶液后，采用高速离心分离法将溶液中的矿粉分离，之后用旋转蒸发器法对沥青溶液蒸馏回收得到旧沥青，试验过程如图1所示。

图1 抽提旧料沥青

为研究回收旧沥青基本性能及微观结构变化情况，将抽提出的沥青放入60 ℃烘箱30 min，取出后成型试件，依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011），对抽提沥青进行三大指标试验并测试其四组分。

1.2 红外光谱试验

四组分测试试验操作复杂，测试结果变异性大，故采用简单快捷的红外光谱法对抽提沥青的化学成分进行分析。傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）是基于傅里叶变换原理对干涉后的红外光进行变换而开发的红外光谱仪[11]。本文采用BRUKER TENSOR II 型傅里叶变换红外光谱仪测定各沥青试样（不同铣刨层位抽提沥青等）的含氧官能团，如图2 所示，光谱测试范围为4000 cm-1～500 cm-1，分辨率0.5 cm～1.0 cm，室温25 ℃。相关研究表明[12，13]，沥青的老化主要体现在吸收峰1700 cm-1峰值的含氧官能团羰基（C=O），以及吸收峰1030 cm-1峰值的含氧官能团亚砜基（S=O）的变化上，沥青老化情况越严重，其含氧官能团峰位变化越显著。因此可以通过计算羰基指数（IC=O）与亚砜基指数（IS=O）对抽提沥青中的含氧官能团进行定量分析，确定沥青老化状况，计算公式[14]见式（1）和式（2）。

图2 傅里叶变换红外光谱仪及定量分析方法

式中，AC为含氧官能团羰基（峰值1700 cm-1）特征峰面积；AS为含氧官能团亚砜基（峰值1030 cm-1）特征峰面积；AT为峰值2000 cm-1～600 cm-1之间的总峰区间面积。

2 旧沥青分层老化规律及整体老化程度评价

2.1 基于多指标分析的分层老化规律

2.1.1 基于三大指标及四组分的老化规律分析

对分层铣刨料进行三指标及四组分试验，试验结果如图3所示。

图3 三指标、四组分试验结果

由图3三大指标变化的数据分析可以看出，相比于原样基质沥青，抽提沥青三大指标变化明显，尤其延度指标，仅为原样基质沥青的10%左右，针入度降低了40%左右，软化点增加约45%。不同层位沥青老化程度不同，各层沥青检测指标表现出了较大的差异，相比于表面层，下面层软化点较低，针入度与延度更大，从三大指标数据可以说明，旧路整体老化严重，且上面层老化程度明显高于下面层。说明沥青老化程度受原路面结构影响，不同层位沥青在自然环境和荷载作用下，受阳光、紫外线照射程度不同，会表现出不同的老化规律。

从图3四组分试验结果可以看出，与原样基质沥青相比，沥青老化后轻质组分减少，沥青质和胶质增加，饱和分与芳香分含量分别减少了约2%、8%，而沥青质含量增加了6%以上，说明老化过程中芳香分逐渐向沥青质进行转变，与沥青老化机理一致。上面层饱和分指标变化区别于下面层，但相差不大，这是因为老化初期，饱和分含量会快速减少，此时上下面层之间饱和分含量会有所差别。而随着老化进程不断持续，饱和分减少的速度会逐步下降。沥青老化时性质稳定的饱和分会因为部分受热而挥发，导致其含量减少，老化过程不断持续其易挥发成分含量逐渐降低，部分还会缓慢聚合成胶质或沥青质，所以饱和分含量后期下降速率逐渐减小，长时间的老化过程导致上下面层之间饱和分减少含量相差不大。通过试验结果及分析可以看出，相比于三大指标的变化，沥青老化后四组分变化不是很明显。

综合三大指标及四组分结果来看，用三大指标评价沥青老化，试验操作简单，数据结果离散性小且变化更加明显。而四组分试验操作复杂，试验结果受操作影响较大，且规律变化相对不大，所以评价旧路沥青老化确定分级指标时可以重点考虑三大指标，四组分可作为辅助指标。

2.1.2 基于红外光谱的老化规律分析

测试得到上下面层铣刨料抽提沥青的红外光谱图像，并与基质沥青、改性沥青的红外光谱图像进行对比，如图4所示。

图4 红外光谱试验结果对比分析

分析图4光谱结果得出，除在某些特殊峰位吸光率不同外，不同沥青光谱特征吸收峰出现位置基本相同，主要区别是SBS 改性沥青在1200 cm-1～600 cm-1范围处波动幅度相对剧烈，可能是苯环上C-H 振动摇摆而出现吸收峰，一定程度上说明相比于基质沥青，改性沥青抵抗老化的性能更强。特定官能团吸收峰的大小可以反映沥青的老化程度，对比基质沥青与抽提沥青可以发现，基质沥青在1700 mm-1峰位处几乎没有波动，而上下面层抽提沥青在此峰位处出现吸收峰，说明沥青老化后羰基增加，沥青老化过程中生成了醛、酮、酯或羧酸类等含氧组分。另外，沥青老化后1030 mm-1附近的亚砜基增大，说明硫元素对沥青老化过程有重要影响。沥青老化过程中，官能团与氧结合形成的羰基、亚砜基等极性或两性基团，使沥青分子间的相互作用增强，从而使沥青变硬，劲度增大。

计算各沥青试样的老化指数结果如图5所示，羰基指数和亚砜基指数增加幅度越大，沥青老化越严重。从图5 中可看出，不同层位老化程度不同，下面层羰基指数和亚砜基指数为0.00998和0.01446，上面层羰基指数和亚砜基指数比下面层分别高31.8%、8.9%，上面层老化程度大于下面层。这与三指标、四组分的结论一致，说明利用羰基和亚砜基指数的变化幅度能有效区分沥青的老化程度。

图5 老化指数图

2.2 基于分层老化的整体老化程度评价

道路建设过程中是将各面层铣刨料进行统一混合使用，通过前文研究分析可知，在长期使用和环境影响作用下，路面每层混合料沥青老化程度和含量会有一定的差异，故对沥青整体老化程度的影响不同。为充分合理利用旧路铣刨料，进行再生使用时应考虑其老化程度，更应考虑不同层位沥青的老化程度不同对旧沥青整体老化程度的影响。综合各影响因素，提出基于旧路沥青分层老化的整体老化评价计算指标，在混合料中每层沥青指标计算见式（3）。

式中，Ni为第i层面层厚度；为第i层面层混合料密度；wi为第i层面层油石比；n为面层层数。

因抽提旧沥青来自于原路面面层，所以沥青混合料抽提出的旧沥青性能指标和各个面层沥青性能指标相关，可以通过式（4）计算。

式中，z为混合料中旧沥青的指标；γi为第i 层面层沥青指标；yi为第i层沥青占总沥青的比例。

以依托工程为例，对老化评价计算指标进行验证，以式（3）计算旧路各层沥青用量，结果见表1。

表1 沥青混合料回收沥青中各面层沥青比例

根据表1，由式（3）、式（4）计算可得铣刨料抽提旧沥青基于分层老化的各项技术指标整体老化评价，见表2。

表2 混合料中旧沥青各项指标值

由表2混合料抽提旧沥青的计算值与实测值可知，通过不同层位旧沥青指标计算得到的混合料整体老化评价值与实测值差别不大，说明提出的基于覆盖层影响的混合料整体老化评价指标计算公式是合理可靠的。实际再生工程中，可取典型点分层铣刨进行旧沥青取样并测试各指标，然后根据评价指标公式计算旧沥青整体老化指标，评价混合料老化程度。

3 旧沥青整体老化程度分级

3.1 沥青老化程度分级

基于旧路铣刨后的三指标、四组分及红外光谱试验结果分析，参考我国《公路沥青路面再生技术规范》（JTG/T 5521—2019）及相关研究成果[15]，以三大指标变化百分率为主要分级指标，老化系数为辅助分级指标，对旧沥青进行老化分级，见表3。各条道路原沥青指标不完全一致，则计算基准值各不相同，此方案基准值采用统一标准，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中道路石油沥青技术指标，取相应标号沥青指标规定值作为计算基准值。

表3 基于多指标分析的沥青老化分级

参考以上分级标准，结合基于沥青分层老化的整体老化评价指标，可以判断旧料沥青的老化程度，确定再生混合料的老化程度，进而可以根据老化程度确定合理的应用范围。

3.2 基于老化分级的旧料应用层位推荐

对于不同老化程度的沥青混合料选择合适的再生方案，才能充分利用旧路材料，达到最优的再生路面路用性能和效益。公路沥青路面再生技术规范（JTG/T 5521—2019）中对各再生方式的适用层位进行了明确规定，见表4。

表4 不同再生方式适用层位表

本文对旧料回收沥青的分层指标进行分析，建立了基于旧路面层分层老化的回收料整体老化评价指标，对照老化程度分级，可确定回收料的沥青整体老化程度。对于老化严重的旧料可能会出现再生效果不好或经济性差等情况，从技术性和经济性考虑，不同国家对用于再生的旧料老化程度都有一定的要求。日本在《废料再生技术指南》中对再生料的老化程度提出了适用条件，规定用于厂拌热再生的旧料沥青针入度不小于20（0.1mm），用于现场热再生的旧料沥青针入度不小于30（0.1mm）；对于厂拌热再生，美国规定旧料沥青针入度不小于15（0.1mm），我国要求旧料沥青针入度不小于20（0.1mm），各国对冷再生方式旧料老化程度无具体的规定。结合相关分析，为充分发挥旧料作用，达到最好的路用效果，厂拌热再生宜采用旧料沥青针入度20（0.1mm）以上的，就地热再生宜采用旧料沥青针入度30（0.1mm）以上的，冷再生方式可采用针入度较小的旧料。

基于以上分析，结合大量数据调研及相关研究成果[14]，本部分根据回收料旧沥青整体老化程度拟对不同老化程度旧料的再生层位进行细化，提出基于混合料老化程度的再生层位应用推荐，见表5，进而通过老化程度选择合理的再生层位及再生方式。

表5 基于老化程度的再生层位应用推荐

厂拌再生可以合理调整结合料含量及矿料级配，施工质量及路用性能相对可以保证。厂拌热再生具有较好的适用性，不同老化程度的再生混合料通过调整旧料掺量可以分别用于不同层位；采用厂拌冷再生时，轻度老化的再生混合料可用于中面层以下层位，中度老化的再生料可用于下面层或基层，厂拌冷再生应用于路面基层和下面层时可以保证施工质量。现场再生施工质量不易保证，难以满足高等级路面的路用性能要求，尤其对于就地冷再生，混合料轻、中度老化时可以视情况选用于基层或下面层，重度老化不推荐采用现场再生方式。