再生剂对老化沥青性能恢复的影响*

王希壮，袁 梦，刘 攀

(1 甘肃省兰州公路局榆中公路段，甘肃 兰州 730000；2 重庆交通大学，重庆 400074；3 重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 400067)

目前，全国公路养护里程为514.40万km[1]，沥青路面作为我国主要的路面形式，路面养护工作十分重要。在经过氧化、紫外线照射、雨水冲刷、车辆反复碾压等环境作用下，沥青这种有机结合料发生了腐蚀以及老化[2]，路用性能有所下降，甚至严重的危及公路行车安全。沥青老化问题是重中之重，实现再生利用，对经济和环保状况都将带来巨大收益，降低沥青路面原材料开采和运输过程中消耗的能量和排放的污染物[3-4]，当前国际国内形势，实现资源循环利用和适应碳达峰、碳中和等环保政策，聚焦沥青再生问题目前仍是研究热点。而美国公路合作研究项目(NCHRP)(09-46)指出，沥青再生剂的掺入是老化沥青再生的主要方式[5]。因此，本文将进行不同再生剂对老化沥青性能恢复的影响。

1 沥青老化再生机理

1.1 老化机理

沥青自然老化程度以及衰减规律对其路用性能有直接影响，从微观老化机理方面加以分析，主要有组分移行理论和溶液相容性理论等理论[6]。

(1)组分移行理论

沥青里所含的化合物种类较多，其老化过程可看做是多种化合物发生复杂物理化学反应引起的。根据四组分理论认为，沥青中的非饱和分三大组分一般由芳香分—胶质—沥青质的方向转化，但饱和组分相对较为稳定。因此，沥青的老化过程可以视作是其各组分移行的过程。

(2)溶液相容性理论

溶剂和溶质处于一个相对平衡的状态，由于沥青在老化过程中发生一系列的物理化学变化，使得沥青的溶度参数变大，从而导致沥青的溶度参数差值也相应变大。因此，沥青的老化过程就可以大致看作为是由于溶液组分的固溶度参数差值逐渐增大，组分相容性逐步变差，稳定性降低的过程，从而导致沥青的路用性能严重衰减。

1.2 再生机理

(1)化学组分的恢复

沥青在高温老化降解过程中，其中含有C、S、N多种元素组成的有机官能团分别被高温氧化还原生成了羰基，即亚砜基和亚硝酸脂，从而进一步形成出了多种新分子结构的高分子化合物，同时又造成了链烷、环烷基与环芳香烃等的缩合和环结构物质的进一步增加，形成出了一些大分子痕量的环状结构物，并且在空间上形成稳定的网状结构，难以产生物理化学反应，强度提高、韧性降低。

从化学组分来看，加入再生剂恢复老化分子的性能是一种途径[7]。再生剂分子的某一端也可以直接和表面极性电荷较强的沥青质紧密结合，在该沥青质分子的周围表面形成一个有序对称的，排列比较紧密均匀且相对具有一定化学强度的单分子膜，可间接对周围沥青质结构起到保护作用，减少沥青因环境因素变化时内部颗粒间产生相对运动而出现结团现象。再生剂的另一端又可以选择性和与极性能相对活性较弱高分子的芳香分和饱和分相结合，降低到了高分子化合物之间的聚合的程度，使沥青迅速恢复到了老化以前的状态，同时它又也能很好的地解决沥青相容性问题。

再生剂的作用机理[8]可以分为两种吸附过程，即化学吸附和物理吸附。化学吸附：再生剂与老化沥青后发生一系列反应，将极性差异较大的组分胶溶在一起。物理吸附：通过电荷吸引的方式来降低沥青溶液中溶质与溶剂的表面引力，形成沥青的稳定溶液。

(2)流变性能的恢复

图1 沥青材料流变行为变化过程示意图Fig.1 Schematic diagram of changes in rheological behavior of asphalt materials

从流变学的角度来看，沥青在使用过程中逐渐老化，通过某种途径再生后使其流变性能有所恢复，再生利用后又开始新一轮的老化过程，沥青在整个过程中的流变行为变化情况如图1所示。

轻质油分对沥青中的大分子起到润滑和软化的作用，但沥青老化会导致大量轻质油分散失，再生剂的主要作用就是补充沥青损失的油分[9]。从流变性能上来看，再生剂的掺入使沥青的相位角增大，同时状态由粘性向弹性转变，从而使低温抗裂性能得到恢复。另一方面，再生剂中因为其富含轻质油分而阻断了高分子聚集成网状结构的相交点，继而降低了刚度[10]。

(3)溶解度参数差值的降低

根据相容性理论的阐述，溶质(沥青质)在溶剂(软沥青质)中的溶解度以及溶解能力是决定沥青成为稳定溶液的主要因素。再生剂的加入就是让其成分充当溶剂的作用，将沥青质与软沥青质之间的溶解度参数差值减小，也起到改善老化沥青路用性能的作用。

2 再生沥青试验分析

2.1 老化沥青常规性能

原材料采用70#基质沥青，分别将其进行旋转薄膜烘箱试验以及不同时间段(5 h、10 h、15 h和20 h)的压力老化试验，分别进行针入度、软化点、15 ℃延度以及135 ℃布氏粘度试验，试验结果如图2所示。

图2 不同老化条件下沥青的性能指标Fig.2 Performance indicators of asphalt under different aging conditions

由图2可知，老化后，沥青的针入度、15 ℃延度降低，软化点、135 ℃布氏粘度升高，符合沥青老化的一般规律。不同老化条件下沥青常规性能的变化程度不同，压力老化试验后的沥青试样比旋转薄膜烘箱试验后的试样在性能指标上的变化更大。根据上述数据计算各种老化前后沥青性能指标相对于原样沥青的变化率，结果如表1所示。

由表1可以看出，压力老化时间越长，沥青的性能指标变化率越大。压力老化5 h后，沥青的针入度、软化点和135 ℃布氏粘度分别变化了57.4%、15.6%和56.5%；压力老化20 h后，沥青的针入度、软化点和135 ℃布氏粘度分别变化了75.1%、29.7%和119.4%；旋转薄膜烘箱老化后，沥青的针入度、软化点和135 ℃布氏粘度分别变化了45.6%、10.2%和23.8%。老化时间越长，在高温的环境下沥青内部轻质组分散失越快，重组分增多，引起沥青内部组成结构发生变化，从而造成以上结果。

表1 不同老化条件下性能指标变化率Table 1 Change rate of performance indicators under different aging conditions

2.2 老化沥青性能恢复

选取了三种再生剂(分别为ZSJ1#、ZSJ2#和ZSJ3#)对沥青样品进行试验，主要比较了老化沥青主要指标的恢复效果，试验结果如表2所示。

由表2可知，掺入再生剂后，老化沥青的针入度和延度有较大的改善。再生剂的主要作用是为了补充老化沥青散失的轻质油分，而这些油分将会稀释沥青质，造成沥青的软化点降低、延度增大。其中，ZSJ3#在改善老化沥青低温延性方面稍优于另外两种再生剂。

表2 再生剂对老化沥青主要指标恢复的试验结果Table 2 Experimental results of the recovery of main indicators of aged asphalt by rejuvenators

2.3 再生沥青蠕变特性

为研究再生沥青抵抗车辆等重复荷载的能力，采用动态剪切流变仪(DSR)对以上三种再生沥青进行多应力下的重复蠕变恢复特性测试，分析不同再生沥青弹性恢复的影响，试验结果如表3所示。

表3 再生沥青平均恢复率试验结果Table 3 Test results of average recovery rate of recycled asphalt

可以看出，ZSJ1#和ZSJ2#两组再生沥青弹性恢复率基本接近，ZSJ3#再生沥青弹性恢复率最高。主要还是由于再生沥青弹性恢复率增加，粘性成分逐渐降低，弹性成分逐渐增多，使其整体弹性恢复率增大。

3 结 论

(1)不同老化条件下沥青常规性能的变化程度不同，压力老化试验后的沥青试样比旋转薄膜烘箱试验后的沥青试样在性能指标上的变化更大。压力老化时间越长，沥青内部轻质组分散失越快，其性能指标变化率越大。

(2)三种再生剂对老化沥青的针入度和延度均有较大的改善，软化点有所降低。其中，ZSJ3#在改善老化沥青低温延性方面稍优于其他两种再生剂，且ZSJ3#再生沥青的弹性恢复性能最佳。