【摘要】介紹了老化瀝青結(jié)合料再生研究發(fā)展?fàn)顩r，分析了再生研究發(fā)展趨勢(shì)及針對(duì)性研發(fā)的重要性，簡(jiǎn)述了再生機(jī)理，總結(jié)了再生劑開(kāi)發(fā)的成分選擇思路，闡述了目前使用的再生性能預(yù)估模型，并指出了現(xiàn)有研究階段所存在的問(wèn)題。當(dāng)前再生效果研究不夠微觀(guān)細(xì)化；下階段研究應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程和使用因素進(jìn)行分析研究；缺乏再生瀝青長(zhǎng)期路用性能研究；生物質(zhì)重油作為瀝青再生劑具有潛在研究?jī)r(jià)值；預(yù)估模型不夠深化。

【關(guān)鍵詞】老化瀝青；再生劑；綜述

近年來(lái)，我國(guó)高速公路普遍接近大修期限，或?qū)a(chǎn)生大量瀝青廢料。簡(jiǎn)單的丟棄和常規(guī)降級(jí)再利用會(huì)對(duì)瀝青資源造成大量浪費(fèi)，因而瀝青混合料再生劑的研發(fā)工作具有重要意義。國(guó)內(nèi)外已有眾多研究者對(duì)此進(jìn)行過(guò)研究，成果豐碩，但依然有不少問(wèn)題值得深化研究。因此，本文對(duì)該方向研究進(jìn)行綜述，以供研究者參考。

1、老化瀝青結(jié)合料再生研究進(jìn)展

瀝青結(jié)合料性能的優(yōu)劣關(guān)系到整個(gè)瀝青道路性能，而老化瀝青的再生恢復(fù)則是整個(gè)瀝青混合料再生利用的關(guān)鍵。早在40年前，國(guó)外就開(kāi)始了瀝青結(jié)合料再生劑的研制。美國(guó)SHRP計(jì)劃曾對(duì)瀝青化學(xué)成分進(jìn)行分析，但由于瀝青化學(xué)成分過(guò)于復(fù)雜，在花費(fèi)大量精力之后還是以失敗告終。解明成分失敗之后，學(xué)者轉(zhuǎn)而以組分的形式把瀝青中性質(zhì)相似的化學(xué)成分統(tǒng)合分類(lèi)。這種組分形式逐漸演變成今天的組分遷移理論和組分調(diào)節(jié)理論。目前國(guó)際上通常以三組分或者四組分的分類(lèi)方法，我國(guó)使用四組分分類(lèi)法。

在研究發(fā)展過(guò)程中，隨著對(duì)瀝青結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的深化，相容性理論和現(xiàn)代膠體理論相繼出現(xiàn)。相容性理論把瀝青看做一種高分子溶液，并認(rèn)為，瀝青質(zhì)與軟瀝青質(zhì)之間的相容性決定了瀝青結(jié)合料性能表現(xiàn)?，F(xiàn)代膠體理論把瀝青看做一種膠體分散體系，并認(rèn)為，瀝青的各項(xiàng)性能取決于其膠體結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。目前研究人員所開(kāi)發(fā)的再生劑主要是以相容性理論和現(xiàn)代膠體理論為核心，借助組分調(diào)節(jié)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

國(guó)外再生劑發(fā)展較早，針對(duì)不同應(yīng)用需求進(jìn)行細(xì)致深入研究，可調(diào)配基本滿(mǎn)足各種再生需求的再生劑。而我國(guó)在八十年代初期開(kāi)始研制再生劑，且當(dāng)時(shí)的再生劑主要針對(duì)低等級(jí)道路，此后的再生劑發(fā)展一直處于停滯狀態(tài)。直到現(xiàn)在我國(guó)高等級(jí)路面接近大修期限，不少高校和研究機(jī)構(gòu)借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)重新開(kāi)始對(duì)再生劑的研發(fā)。

由于高等級(jí)路面大量使用摻入橡膠、樹(shù)脂、納米粒子[1]、高分子聚合物等以及多種材料復(fù)合[2-5]制成的改性瀝青，一般改性劑已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足工程需求，所以更進(jìn)一步的研發(fā)工作遂逐步開(kāi)展。研究者對(duì)改性瀝青老化機(jī)理分析、再生試驗(yàn)探討（如表1.1）并據(jù)此研制出各種有針對(duì)性的再生劑（如專(zhuān)利CN103819912A[6]與CN103804936A[7]）。而近年來(lái)，模塊化研發(fā)思路的提出，為瀝青再生劑進(jìn)行更針對(duì)更深化的研究提供了新的指導(dǎo)思想。此外，生物質(zhì)熱裂解技術(shù)的興起也拓寬了研究視野：由于生物瀝青抗車(chē)轍和抗疲勞性能較差，難以直接替代石油瀝青，而作為石油瀝青的改性劑或者再生劑具有可行價(jià)值[8-10]。目前，生物質(zhì)重油作為再生劑的研究正處于起步階段，有大量問(wèn)題尚未探討。

2、老化瀝青性能再生機(jī)理

2.1瀝青老化

瀝青老化是影響瀝青路面破壞的重要因素之一。老化是瀝青在制煉、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、施工以及使用過(guò)程中受到高溫、紫外線(xiàn)照射、氧氣反應(yīng)和水的作用下發(fā)生的一系列性能劣化現(xiàn)象。主要表現(xiàn)為粘度增大、軟化點(diǎn)升高、針入度減小、延度顯著降低、流變性能降低等。其內(nèi)在原因是，受到各種不利人工和自然因素作用，發(fā)生了包括氧化、輕質(zhì)組分揮發(fā)和流失、聚合和團(tuán)聚等一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，瀝青各組分比例會(huì)產(chǎn)生一定改變。通常情況是在老化過(guò)程中起塑性作用的軟組分（飽和分及芳香分）減少，起稠化作用的硬組分（膠質(zhì)及瀝青質(zhì)）增加[20]。

對(duì)于改性瀝青，其老化過(guò)程中改性劑也同時(shí)會(huì)發(fā)生氧化和裂解，對(duì)老化瀝青性質(zhì)產(chǎn)生影響。對(duì)于SBS改性瀝青，陳華鑫等[21]在實(shí)驗(yàn)中甚至發(fā)現(xiàn)改性劑在老化過(guò)程中會(huì)全部降解。

2.2再生機(jī)理

目前，支持老化瀝青再生劑選擇的理論主要有三個(gè)：現(xiàn)代膠體理論、相容性理論與組分調(diào)節(jié)理論[22]。瀝青再生劑的開(kāi)發(fā)通常是以現(xiàn)代膠體理論和相容性理論為指導(dǎo)，以組分調(diào)節(jié)為手段進(jìn)行的。

2.2.1現(xiàn)代膠體理論

現(xiàn)代膠體理論把瀝青膠體結(jié)構(gòu)看做以固態(tài)細(xì)微粒瀝青質(zhì)為核心，將膠質(zhì)吸附在表面，逐漸擴(kuò)散使瀝青質(zhì)膠核溶解于介質(zhì)油分中。瀝青膠體結(jié)構(gòu)可以通過(guò)其流變學(xué)特性和膠體結(jié)構(gòu)類(lèi)型分為三個(gè)種類(lèi)：溶膠型、溶凝膠型以及凝膠型。只有當(dāng)瀝青中瀝青質(zhì)含量、膠質(zhì)含量與介質(zhì)油分含量維持在一個(gè)相對(duì)匹配的范圍內(nèi)時(shí)，瀝青才會(huì)有較好的路用性能，此時(shí)瀝青一般表現(xiàn)為溶凝膠型結(jié)構(gòu)。

2.2.2相容性理論

瀝青可以被看做一種極其復(fù)雜的高分子混合物，它是由大量化合物組成的濃溶液，具有溶液的各種性質(zhì)，在此類(lèi)研究中一般考察其溶液相容性。瀝青的相容性通常能用溶解度參數(shù)差或者相對(duì)溶解度來(lái)判定。

溶液相容性理論認(rèn)為，溶劑的溶解度參數(shù)和溶質(zhì)的溶解度參數(shù)之間存在溶解度參數(shù)差，當(dāng)溶解度參數(shù)差小于某一定值時(shí)，就能形成穩(wěn)定溶液。呂偉明[23]指出，溶解度參數(shù)在1.0以上的為老化瀝青，而溶解度參數(shù)在0.7以下的則一般認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)瀝青。在瀝青從制煉到使用過(guò)程中，瀝青各組分都會(huì)產(chǎn)生各種化學(xué)物理變化，導(dǎo)致瀝青質(zhì)和其溶劑組分的溶解度參數(shù)產(chǎn)生變化。但是瀝青質(zhì)溶解度參數(shù)與其溶劑組分溶解度參數(shù)的變化速率存在差異，因此破壞了瀝青內(nèi)部組分的相容性。

以相容性理論為基礎(chǔ)，把瀝青相容性破壞的逆過(guò)程作為老化瀝青再生思路。以化學(xué)的角度來(lái)講，就是要給溶質(zhì)參入某種溶劑，使得溶劑與溶質(zhì)（主要是瀝青質(zhì)）之間有較小的溶解度參數(shù)差，從而讓溶質(zhì)和溶劑具有良好的相容性，能夠形成一種穩(wěn)定溶液，從而使其路用性能得到再生。

2.2.3瀝青組分調(diào)節(jié)理論

按照四組分分組，瀝青包括飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)。瀝青老化過(guò)程對(duì)瀝青組分產(chǎn)生影響，導(dǎo)致輕質(zhì)組分損失[24]及組分間平移：芳香分→膠質(zhì)→瀝青質(zhì)[25]。組分調(diào)節(jié)理論認(rèn)為，補(bǔ)全老化瀝青損失的組分，將組分比例重新調(diào)整到與新瀝青相當(dāng)比例，以此恢復(fù)其路用性能。夏明等認(rèn)為[26]，重質(zhì)礦物油能夠增加老化瀝青芳香分的含量，有效改善老化瀝青的組分配比，恢復(fù)路用性能。

組分調(diào)節(jié)是目前最主要的瀝青性能恢復(fù)研究方式。況棟梁等[27]應(yīng)用瀝青四組分調(diào)節(jié)的方法，對(duì)不同老化程度的瀝青進(jìn)行再生試驗(yàn)研究，并發(fā)現(xiàn)芳香分和瀝青質(zhì)含量是主要影響瀝青性能的因素。

3、再生劑開(kāi)發(fā)

3.1再生劑開(kāi)發(fā)思路

瀝青再生通常需要針對(duì)不同老化程度和不同種類(lèi)的瀝青，使用富芳香性低粘度油分做基質(zhì)，再加入特定的滲透分散劑、改性劑、老化改性劑恢復(fù)劑、抗老化劑等的混合物作為改性再生劑，以達(dá)到對(duì)各種不同老化瀝青進(jìn)行再生和改性的目的。實(shí)際運(yùn)用的時(shí)候，可以使用新瀝青和老化瀝青進(jìn)行共混，也可以直接用再生劑對(duì)老化瀝青進(jìn)行調(diào)和再生，還可以以再生劑和新瀝青相結(jié)合的方式進(jìn)行再生。

3.2再生劑成分選擇

3.2.1瀝青組分比例調(diào)節(jié)成分

大量研究表明，芳香族油分是瀝青再生劑的基礎(chǔ)。芳香分是瀝青中低分子量化合物，具有分散溶解瀝青質(zhì)的作用。增加瀝青中芳香分含量，有利于隔斷瀝青質(zhì)分子鏈間鏈接點(diǎn)，促進(jìn)凝膠態(tài)瀝青溶脹，在瀝青質(zhì)分子外形成良好溶劑化層，從而恢復(fù)瀝青溶凝膠結(jié)構(gòu)。因此，再生劑中的芳香分含量應(yīng)不低于一個(gè)基礎(chǔ)值。

早期的再生劑大部分使用石油化工生產(chǎn)出來(lái)的輕質(zhì)油，例如柴油、機(jī)油、潤(rùn)滑油等。但是經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，其使用效果并不理想。研究者認(rèn)為[29]主要原因有兩個(gè)：其一，由于采用輕質(zhì)油與共聚樹(shù)脂混合物作為再生劑的成本過(guò)于昂貴，再生瀝青造價(jià)逼近甚至超過(guò)新瀝青，導(dǎo)致施工中寧愿使用新瀝青重新鋪筑，也不使用再生瀝青；其二：抗老化性及感溫性較差，輕質(zhì)組分過(guò)多，再生瀝青缺乏一定的穩(wěn)定性。

因此，為了解決成本和穩(wěn)定性問(wèn)題，使用石化工業(yè)廢油成為較好選擇。目前，國(guó)內(nèi)外研究者已使用各種富含芳香烴的煉廠(chǎng)廢油進(jìn)行試驗(yàn)研究，并開(kāi)發(fā)出不少具有優(yōu)良效用的瀝青再生劑。

除石化油之外，研究者也嘗試用生物質(zhì)油進(jìn)行老化瀝青再生劑開(kāi)發(fā)研究，Majid Zargar[30]和Halliza Asli [31]等對(duì)廢棄食用油制作再生劑進(jìn)行了常規(guī)研究，發(fā)現(xiàn)廢棄食用油作為瀝青再生劑中組分調(diào)節(jié)成分具有一定可行性。Meizhu Chen[32]及Sang Yang[33]分別使用植物食用油和動(dòng)物食用油對(duì)老化瀝青進(jìn)行調(diào)和再生，并取得了初步成果。

3.2.2擴(kuò)散輔助成分

由于瀝青分子量大、分子狀態(tài)復(fù)雜、極性差異明顯，再生劑在瀝青中的自然擴(kuò)散速度較慢。在再生劑加入老化瀝青之中進(jìn)行熱拌和再生時(shí)，為使再生劑能夠迅速擴(kuò)散生效并提高再生瀝青材料均勻性，從而節(jié)約能源、提高材料性能、增加工程效率，在再生劑中應(yīng)加入一種能輔助再生劑快速分散的成分。

擴(kuò)散問(wèn)題通常使用Fick擴(kuò)散模型和傳質(zhì)模型進(jìn)行探討。Fick模型被認(rèn)為是發(fā)展比較成熟的模型，該模型認(rèn)為在距離x處，濃度隨時(shí)間變化率等于該處的擴(kuò)散通量隨距離變化率的負(fù)值，方程如下：

（3.1）

式中，t—擴(kuò)散時(shí)間（s）；

x—距離（m）；

C—擴(kuò)散物質(zhì)體積濃度（kg/m3）；

D—擴(kuò)散系數(shù)。

擴(kuò)散系數(shù)D是指當(dāng)濃度梯度為一個(gè)單位時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的物質(zhì)量，它表征組分在介質(zhì)中的擴(kuò)散快慢。擴(kuò)散系數(shù)D可以用Stoke-Einstein公式進(jìn)行估算：

（3.2）

式中，kB—玻爾茲曼常數(shù)；

T—絕對(duì)溫度；

F—溶質(zhì)摩擦力；

μ—擴(kuò)散媒介相粘度；

R0—擴(kuò)散分子半徑。

研究者[34]據(jù)上式進(jìn)行綜合分析，并認(rèn)為，分子量小、結(jié)構(gòu)近似球體的物質(zhì)具有較強(qiáng)的擴(kuò)散能力，該研究者進(jìn)一步指出分子極性較大的物質(zhì)會(huì)阻礙擴(kuò)散行為。因此，在選擇再生劑擴(kuò)散成分的時(shí)候，可據(jù)上述特點(diǎn)進(jìn)行擇優(yōu)。

3.2.3改性和其他成分

目前，普通瀝青再生劑的研究已經(jīng)取得大量成果，但是隨著我國(guó)高級(jí)路面更新翻修年限的到來(lái)，普通再生劑所再生的瀝青已經(jīng)難以滿(mǎn)足RAP摻量逐漸增加的趨勢(shì)以及不斷提高的性能要求。因此，對(duì)再生瀝青進(jìn)行改性對(duì)廢舊材料高效率利用以及滿(mǎn)足施工路面性能指標(biāo)具有重大意義。

研究表明經(jīng)過(guò)普通再生劑再生之后的再生瀝青通常在低溫性能方面表現(xiàn)不如新瀝青，據(jù)此，張道義等[35]經(jīng)新舊瀝青、再生劑和改性劑組分特點(diǎn)討論，并通過(guò)加入TPS、路孚8000、Sasobit進(jìn)行改性試驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3.1所示）證明了對(duì)再生瀝青進(jìn)行改性的可能性。

改性劑需要較長(zhǎng)時(shí)間的高速剪切與溶脹才能很好的分散到瀝青之中，而較短時(shí)間的拌合不能有效發(fā)揮改性劑作用，因此在再生劑之中額外加入針對(duì)改性劑的分散劑理論上可以有效減少拌合時(shí)間并提高改性劑分散均勻度。在張道義研究的基礎(chǔ)上，沈凡等[36]自制改性再生劑，并對(duì)改性再生劑的擴(kuò)散能力進(jìn)行擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)以及對(duì)AFM（原子力顯微鏡）圖像進(jìn)行直觀(guān)分析，發(fā)現(xiàn)“油溶性分散組分可通過(guò)分散瀝青質(zhì)并降低瀝青質(zhì)膠核尺寸的機(jī)理，提升改性再生劑的擴(kuò)散效果”。但該研究只針對(duì)了SBS改性劑，并不能完全涵蓋所有改性劑的情況，因此改性再生劑擴(kuò)散問(wèn)題值得進(jìn)一步擴(kuò)展研究。

此外，還應(yīng)考慮改性劑老化、二次老化、穩(wěn)定性等影響，針對(duì)不同品種的瀝青在再生劑中考慮添加改性劑再生成分、抗老化成分、增塑劑、塑解劑、增溶劑等成分。

4、老化瀝青再生效果性能預(yù)估

通常把再生瀝青視為一個(gè)符合復(fù)合材料模型熱學(xué)性能、力學(xué)性能的多相系統(tǒng)，故而滿(mǎn)足復(fù)合律方程：

（4.1）

式中，PC為復(fù)合材料某項(xiàng)性能；Pi為組分材料i與PC相對(duì)應(yīng)的性能； Vi為組份材料i的體積分?jǐn)?shù)；k為復(fù)合效應(yīng)常數(shù)。

考慮再生劑和老化瀝青或新舊瀝青兩相復(fù)合，《瀝青路面再生技術(shù)手冊(cè)》給出粘度復(fù)合律方程：

（4.2）

式中，η、η1、η2分別為復(fù)合材料以及兩種組分材料的粘度；x1、x2分別為兩種組分材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；a為粘度偏離指數(shù)；A為回歸參數(shù)。

另有Grunberg方程也可以用來(lái)表達(dá)兩相復(fù)合的情況：

（4.3）

式中，G12是關(guān)于兩種材料粘度差值的函數(shù)，稱(chēng)為修正系數(shù)。

而對(duì)于針入度，可以用條件粘度的概念來(lái)表達(dá)，則：

（4.4）

式中，P、P1、P2分別為復(fù)合材料以及兩種組分材料的針入度。

根據(jù)《瀝青路面再生技術(shù)手冊(cè)》給出的針入度P和軟化點(diǎn)T的關(guān)系式可推知，軟化點(diǎn)復(fù)合律方程：

（4.5）

馬濤等[37]以新瀝青作為再生劑，研究了SHRP指標(biāo)的復(fù)合再生規(guī)律，并給出了車(chē)轍因子和低溫勁度復(fù)合律方程：

（4.6）

式中，G為車(chē)轍因子；X為新瀝青分?jǐn)?shù)。

而對(duì)于低溫勁度m則有：

（4.7）

甘新立等[38]建立復(fù)合律方程模型，對(duì)老化SBS改性瀝青進(jìn)行再生性能研究分析，認(rèn)為復(fù)合材料模型能較好的預(yù)估再生瀝青的各項(xiàng)性能，對(duì)瀝青再生研究具有一定幫助。

5、當(dāng)前問(wèn)題和未來(lái)展望

（1）當(dāng)前再生效果大多借助宏觀(guān)性能判定優(yōu)劣，顯得十分粗淺，尚不能很好認(rèn)識(shí)再生機(jī)理。應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)再生機(jī)理微觀(guān)細(xì)化研究，通過(guò)紅外光譜、原子力顯微鏡、凝膠色譜等現(xiàn)代化分析手段對(duì)再生過(guò)程中膠團(tuán)、官能團(tuán)等微觀(guān)變化進(jìn)行分析研究，構(gòu)筑完備的理論模型。

（2）目前的再生劑研發(fā)通常只考慮瀝青結(jié)合料的性能因素，但是缺乏對(duì)工程施工因素和實(shí)際使用因素的考慮。以后的發(fā)展應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程和使用的各種因素進(jìn)行綜合研究。

（3）生物瀝青已經(jīng)成為國(guó)外研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)該項(xiàng)研究也在逐漸起步。以此趨勢(shì)來(lái)看，生物質(zhì)重油作為再生劑具有巨大潛在研究?jī)r(jià)值。

（4）就瀝青路用性能恢復(fù)而言，目前再生劑研究取得了大量成果。但是對(duì)于再生瀝青長(zhǎng)期路用性能還有待考究。

（5）再生性能預(yù)估模型依然處于較淺層次的兩相系統(tǒng)復(fù)合模型。難以滿(mǎn)足目前及以后的結(jié)合各種摻加劑改性后的再生劑性能預(yù)估，應(yīng)當(dāng)深化發(fā)展更具備針對(duì)性的各種預(yù)估模型。

總之，老化瀝青結(jié)合料再生研究是路用瀝青材料研究的一個(gè)重要方面。開(kāi)發(fā)出經(jīng)濟(jì)而有效的產(chǎn)品將會(huì)節(jié)約大量工程成本、提高工程質(zhì)量，對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展同樣具有重要意義。

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