沥青老化过程研究

彭 勃，张杰峰，应徐昌

(1.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011；2.上海市市政规划设计研究院有限公司，上海 200030)

随着公路事业的发展，大量沥青路面面临翻修，如何利用沥青再生技术实现有效再利用回收沥青渐渐受到重视。但目前对沥青再生(包括沥青老化及再生过程)的机理研究尚不充分，故本文对沥青老化过程进行研究和明确，从而为再生机理和技术的研究奠定基础。

1 研究方法

为减少老化周期，本文采用模拟老化法替代自然老化法，利用旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)对产自盘锦(PJ)的90#基质沥青(基本性能见表1)分别模拟老化到不同程度(针入度为50、30、10)，并采用相关分析方法对组分、化学组成、微观结构、宏观性能的变化进行分析，以研究老化过程。

表1 90#基质沥青三大指标

2 研究过程

2.1 沥青老化时间与老化程度的关系

首先测定了沥青针入度与老化时间的对应关系并进行拟合，结果如下。

表2 针入度与老化时间的对应关系

(1)

式中：P-针入度(0.1 mm)；t-旋转薄膜烘箱老化时间(min)。

由此可知：老化过程刚开始时，针入度下降得较快，随后下降速度逐步放缓；针入度(0.1 mm)达到50，30和10对应的老化时间分别为80 min，170 min和600 min，由此可以在试验中获得不同老化程度的沥青。

2.2 组分分析

沥青组分分离提取结果见表3(数字表示针入度，PJ50的组分变化不显著、未测试组分情况)，可以看出，老化后沥青质明显增加、胶质少量增加、饱和分少量降低、芳香分明显降低，可知在这个过程中发生了芳香分向胶质转化、并随后继续转化为沥青质的过程。

表3 沥青组分分析结果

图1 沥青组分分析结果

2.3 化学组成分析

沥青红外光谱分析结果见图2。图中波数主要包含11种吸收峰：721 cm-1、745 cm-1、812 cm-1、869 cm-1、1 032 cm-1、1 376 cm-1、1 456 cm-1、1 602 cm-1、1 698 cm-1、2 851 cm-1和2 921 cm-1。参考标准图谱进行的吸收峰识别结果见表4，1 698 cm-1处吸收峰在新沥青、PJ50中不甚明显，在PJ30、PJ10中则明显加强；1 032 cm-1处吸收峰也出现类似情况，透射率随着老化而明显降低。

图2 沥青红外光谱图

表4 沥青红外光谱吸收峰分析情况

经对比，可以发现1 032 cm-1处的亚砜基(S=O)以及1 698 cm-1处的羰基(C=O)有较为明显的变化，对其吸收峰数据重新绘成图3可以发现，随着老化加深，亚砜基、羰基的吸收峰透射率降低，说明有亚砜基、羰基生成。

图3 亚砜基、羰基红外光谱图

根据光谱图中与对应峰区总面积的比例，目前研究提出了亚砜基、羰基指数的量化指标，计算公式及结果如下所示。

IS=O=

(2)

IC=O=

(3)

由表5及图4对比可得如下结论。

表5 亚砜基、羰基指数计算

图4 亚砜基、羰基指数变化情况

(1)老化过程中，亚砜基、羰基的含量均上升，前者在老化初期变化不明显、随后明显上升，后者变化则十分明显。(2)老化过程中沥青质、胶质增加，饱和分、芳香分减少。可知芳香分发生氧化反应生成了羰基、向沥青质和胶质转化。

2.4 微观结构分析

采用原子力显微镜(AFM)分析沥青薄膜试样，对老化前后的沥青进行表面相位图扫描，结果见图5、图6，不同颜色代表不同物质，深色对应黏度较大物质，则发现老化过程中深色部分明显增加(对应以沥青质为核心、外裹胶质的胶团结构)。

图5 沥青AFM相位图20 μm×20 μm

图6 沥青AFM相位图5 μm×5 μm

利用IPP软件分析深色区域的变化趋势(表6)可发现，随着沥青老化，胶团区域数量减少、单个面积增加、面积占比增加，其变化趋势与羰基指数接近，表明羰基的增加与胶团的增加有关。

表6 AFM图像分析结果

AFM分析也与组分分析结果一致，都显示老化时沥青质和胶质明显增加，说明AFM相位图可以较好地反映老化过程。此外，针入度为10的老化沥青，其扫描结果相比其它差异明显，也印证了规范对沥青混合料再生的规定、即回收混合料的针入度不应小于20。

2.5 宏观性能分析

三种老化沥青的指标见表7，可看出：

表7 老化沥青指标试验结果

(1)三大指标对应性能在老化初期变化显著，后变化速率逐渐放缓。

(2)老化后芳香分氧化向沥青质和胶质转化、沥青质和胶质增加，羰基和亚砜基增加、轻质组分减少，导致针入度降低、软化点提高、延度下降。

3 研究结论

经对沥青老化过程中各要素变化的研究，可总结如下。

(1)老化的本质在于四组分比例的改变，即沥青质和胶质增加、芳香分和饱和分减少。

(2)芳香分发生氧化形成羰基(C=O)并向沥青质和胶质转化是组分变化的原因。

(3)沥青质和胶质形成的胶团在沥青表面相位图中对应深色区域，由于沥青质和胶质增加，胶团聚集、面积增大，说明四组分的变化改变了胶体结构。

(4)沥青老化后宏观性能发生改变，针入度降低、软化点提高、延度降低。