（1.齊魯交通材料技術(shù)開發(fā)有限公司，濟(jì)南 250101 2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

瀝青混凝土路面在長期使用后，在熱、氧、車載作用下會逐漸發(fā)生老化，出現(xiàn)路面裂縫、松散等病害，為了恢復(fù)路面性能，保持一定的道路服務(wù)水平，就必須對舊瀝青路面采取養(yǎng)護(hù)維修措施。在舊路改造中，瀝青混凝土再生技術(shù)能有效利用利用廢舊路面材料（RAP），降低生產(chǎn)成本，有利于環(huán)保減排，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，在工程中應(yīng)用日益廣泛[1]。

由于回收得到的RAP 料老化較為普遍嚴(yán)重，進(jìn)行熱再生時(shí)往往需添加一定比例瀝青再生劑以恢復(fù)老化瀝青性能[2]。國內(nèi)外學(xué)者對老化瀝青再生劑進(jìn)行了大量的研究與開發(fā)工作，經(jīng)廣泛調(diào)研，目前市場上大多數(shù)再生劑主體部分使用低黏度基礎(chǔ)油分進(jìn)行老化瀝青還原，輔以多種添加劑提升再生劑的擴(kuò)散性和抗老化性，因此，再生劑中基礎(chǔ)油分對再生瀝青的性能起決定作用[3]。

本文以六種可用于再生劑的基礎(chǔ)油為研究對象，對其再生機(jī)理與再生效果進(jìn)行評價(jià)，為老化瀝青再生劑的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供一定的理論參考。

1 試驗(yàn)部分

研究中首先參照實(shí)際工程瀝青老化情況，進(jìn)行模擬老化瀝青的制備，再從微觀角度對再生劑中基礎(chǔ)油分的還原機(jī)理進(jìn)行分析，并對基礎(chǔ)油分的還原效果進(jìn)行評價(jià)。以下詳細(xì)介紹了試驗(yàn)材料、制備方法和性能檢測方法。

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原材料包括基質(zhì)瀝青與多種基礎(chǔ)油分。

1.1.1 基質(zhì)瀝青

試驗(yàn)中選用70 號基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示。

1.1.2 基礎(chǔ)油分

再生劑中的基礎(chǔ)油分應(yīng)具備較低的黏度和較高的閃點(diǎn)，以保證熱再生過程中良好的擴(kuò)散性和安全性。本研究選用了幾種可用于再生劑的基礎(chǔ)油分，包括石油系油品： 60N 基礎(chǔ)油、150N 基礎(chǔ)油、光亮油150BS、芳烴油；塑化劑類油品：葵二酸二辛脂（DOS）、偏苯三酸三辛酯（TOTM），各原材料基本性質(zhì)如表2所示。

1.2 再生瀝青制備方法

將各基礎(chǔ)油分按一定比例摻入老化瀝青中，使用高速剪切機(jī)在 150 ℃下以2 000 r/min 左右速率剪切10 ～15 min，可得到再生瀝青。

表2 原材料基本性質(zhì)

1.3 性能檢測方法

三大指標(biāo)：再生瀝青的針入度、延度、軟化點(diǎn)均按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中T 0606、T 0605、T 0604 進(jìn)行測試。

紅外光譜：采用Bruker TENSOR 27 紅外光譜儀進(jìn)行試驗(yàn)，將不同的再生瀝青試樣置于折射臺，檢測器采集干涉光經(jīng)樣品后的干涉信號，經(jīng)過處理后即可得到再生瀝青的紅外光譜圖。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

研究中分別進(jìn)行了老化瀝青模擬試驗(yàn)、再生瀝青紅外光譜試驗(yàn)、再生瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)，具體分析如下。

2.1 老化瀝青模擬

瀝青老化的過程主要體現(xiàn)在輕質(zhì)組分的揮發(fā)與重質(zhì)組分的聚集，通常狀態(tài)下，大多數(shù)瀝青均處于穩(wěn)定的溶-凝膠型結(jié)構(gòu)，瀝青質(zhì)吸附部分膠質(zhì)構(gòu)成穩(wěn)定的膠束體系，均勻分散在以飽和分、芳香分為主體的輕質(zhì)組分中。當(dāng)瀝青發(fā)生老化時(shí)，瀝青中輕質(zhì)組分開始揮發(fā)并發(fā)生熱氧反應(yīng)，膠團(tuán)濃度不斷增加，重質(zhì)組分開始凝聚聯(lián)結(jié)，逐漸轉(zhuǎn)化成凝膠狀態(tài)，宏觀表現(xiàn)為瀝青硬化脆化，塑性大幅降低，使用性能變差[4]。瀝青老化過程示意圖見圖1。

圖1 瀝青老化過程示意圖

本次研究中對某自然老化9 a 后廢舊瀝青混合料進(jìn)行了抽提、回收，回收瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 回收瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

由表3試驗(yàn)結(jié)果可知，瀝青混合料經(jīng)過長期老化后，具體的物理指標(biāo)表現(xiàn)為針入度降低，軟化點(diǎn)增加，延度降低，因此進(jìn)行熱再生時(shí)必須添加再生劑，以保證再生瀝青混合料性能。

由于回收廢舊料舊瀝青存在時(shí)間漫長、操作復(fù)雜、設(shè)備不普及等特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行老化瀝青再生研究時(shí)往往選擇室內(nèi)模擬老化的方式。SHRP 研究認(rèn)為，經(jīng)PAV 老化20 h 可以模擬路面瀝青實(shí)際5 ～7 a 的老化[5]，故本文對70 號基質(zhì)瀝青進(jìn)行PAV 模擬老化，老化時(shí)間分別為20 h、25 h、30 h，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 不同時(shí)間PAV 下瀝青三大性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

由表4試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)PAV 老化30 h后瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度與實(shí)際自然老化9 a 后瀝青性能相近，由此可以看出PAV 老化能較好地模擬瀝青實(shí)際使用過程中的老化。故采取PAV老化30 h的方式制備老化瀝青，便于后續(xù)試驗(yàn)。

2.2 再生瀝青紅外光譜試驗(yàn)

瀝青的老化主要是由于輕質(zhì)油分的缺失，國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為可以通過向老化瀝青中補(bǔ)充輕質(zhì)油分的方式實(shí)現(xiàn)瀝青再生[6]。紅外光譜試驗(yàn)中瀝青不同的有機(jī)官能團(tuán)會選擇性吸收特定波長的紅外光，從而形成其特定的紅外光譜，能從微觀上分析再生油分摻入后老化瀝青其化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化。研究中按照再生油分摻量3%，分別制備再生瀝青試樣進(jìn)行紅外光譜試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 再生紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果

瀝青是一種復(fù)雜的混合物體系，再生瀝青的特征官能團(tuán)出現(xiàn)了多處較為明顯的特征峰，觀察不同油分摻入后再生瀝青紅外光譜吸收峰位置變化情況，只有在摻入葵二酸二辛酯時(shí)，1 740 cm-1處出現(xiàn)了新的吸收峰，此處為飽和脂肪族酯的C=O 吸收譜帶，分析是由于塑化劑中C=O 的加入使此處吸收峰增強(qiáng)。除此之外，在摻入再生油分前后瀝青樣本的紅外光譜吸收峰位置基本保持一致，說明在基礎(chǔ)油分加入瀝青中未發(fā)生化學(xué)變化，再生瀝青性能恢復(fù)主要是依靠輕質(zhì)油分的物理調(diào)合。

觀察紅外光譜的峰值變化，各再生劑油分加入后，1 032 cm-1處峰值出現(xiàn)了不同程度的下降，此處波數(shù)代表亞砜基的伸縮振動。瀝青中的硫元素主要是由膠質(zhì)和瀝青質(zhì)提供，在老化過程中由于含硫化合物的氧化，瀝青中亞砜基含量會明顯升高，摻入再生油分后，該峰出現(xiàn)明顯減弱，表明各基礎(chǔ)油分的加入實(shí)現(xiàn)了瀝青老化的逆過程，能起到一定的還原作用。

2.3 再生瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)

本文選取了6 種基礎(chǔ)油分，分別加入制得的老化瀝青中，并測定其再生瀝青的三大指標(biāo)，基礎(chǔ)油分的添加量分別為3%、4%、5%，測試結(jié)果如圖3～5 所示。

分析圖3～5 三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果可知，各種基礎(chǔ)油分的加入均能一定程度老化瀝青性能，其中葵二酸二辛酯（DOS）還原效果最好，偏苯三酸三辛酯（TOTM）、60N 基礎(chǔ)油和150N 基礎(chǔ)油還原效率較為接近，芳烴油還原效果最差。就石油系產(chǎn)品而言，60N、150N 基礎(chǔ)油的還原效率較光亮油BS150 和芳烴油更高，這是由于60N、150N 基礎(chǔ)油屬于多次精制產(chǎn)品，分子量較小，黏度較低，對老化瀝青中重質(zhì)組分有著更強(qiáng)的溶解能力，還原效果也就更好。

整體看來增塑劑油分還原效率高于石油系油分，分析是因?yàn)樵鏊軇┚邆錁O性基團(tuán)（酯基）與極性比較強(qiáng)的瀝青質(zhì)基團(tuán)有相互吸引的作用，更容易分布在老化瀝青重質(zhì)組分大分子之間，減少重質(zhì)組分的聚結(jié)效應(yīng)，由于塑化劑分子量較小，流動性好，能夠更高效地降低老化瀝青的黏度，因而對其三大指標(biāo)改善效果更明顯。而加入石油系基礎(chǔ)油分后雖然一定程度上能起到降黏作用，但由于石油系產(chǎn)品溶解瀝青質(zhì)的能力不足，故難以達(dá)到與增塑劑同等的再生效果。

圖3 再生瀝青針入度變化

圖4 再生瀝青軟化點(diǎn)變化

圖5 再生瀝青延度變化

3 成本分析

對研究中所采用的基礎(chǔ)油進(jìn)行多渠道詢價(jià)，經(jīng)濟(jì)性分析如表5所示。

由表5可知，研究中用的六種基礎(chǔ)油分中，芳烴油價(jià)格最低，來源廣泛，因此當(dāng)前被作為再生劑原料大量使用；增塑劑油分雖然使用效果較好，還原效率較高，但其成本較為高昂，故在實(shí)際的再生劑設(shè)計(jì)中使用較少，未來隨著技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)水平的提升，增塑劑作為一種更高效的再生劑原料將得到更廣泛的應(yīng)用。

表5 六種基礎(chǔ)油成本

4 結(jié)論與展望

本文以六種可用于再生劑的基礎(chǔ)油分為研究對象，對其再生機(jī)理與再生效果進(jìn)行了研究，得出結(jié)論如下。

a）基礎(chǔ)油分加入瀝青中未發(fā)生化學(xué)變化，再生瀝青性能恢復(fù)主要是依靠輕質(zhì)油分的物理調(diào)合。

b）摻入基礎(chǔ)油分后再生瀝青紅外譜圖中亞砜基峰值明顯降低，表明輕質(zhì)油分的加入能起到一定的還原效果。

c）石油系基礎(chǔ)油分分子量越小，黏度越低，對老化瀝青中重質(zhì)組分溶解能力越強(qiáng)，還原效率越高。

d）增塑劑油分相比石油系油分更容易與瀝青質(zhì)結(jié)合，具有更高的還原效率，但由于成本較為高昂，在當(dāng)前的再生劑設(shè)計(jì)中使用較少。