（齊魯交通材料技術(shù)開發(fā)有限公司, 濟(jì)南 250357）

伴隨著熱、氧、光、水等因素的綜合作用，瀝青路面在其使用年限內(nèi)會(huì)發(fā)生老化，進(jìn)而出現(xiàn)表面功能性病害以及結(jié)構(gòu)性病害，全國范圍內(nèi)每年路面大修將產(chǎn)生數(shù)萬噸的廢舊瀝青路面材料（RAP）[1-5]。與此同時(shí)，機(jī)油在使用過程中由于氧化、污染物的混入和添加劑的消耗等報(bào)廢成為廢棄機(jī)油（Recycled Engine Oil，REO）[6]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國每年僅交通行業(yè)就產(chǎn)生3 000×104t REO，通過超濾、離心分離等工藝可以對(duì)70%～80 %的REO 進(jìn)行有效回收從而制備成燃料油或潤滑油[7-8]，但剩余部分由于混入雜質(zhì)較多無法有效回收而成為廢棄機(jī)油殘留物（Recycled Engine Oil Bottom，REOB）。REOB 和瀝青同為石油煉制的副產(chǎn)物，具有相似的組分組成[9]，基于相似相容理論，將REOB 融入老化瀝青具備可行性。國外Rubab 等[10]用REOB 和兩種不同瀝青拌和后進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)和壓力老化容器試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)REOB 能夠提高瀝青材料的性能等級(jí)，但是可能會(huì)加快改性后瀝青的氧化速度；Arkbarali 等[11]通過對(duì)摻加REO 的特立尼湖瀝青進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)后，證實(shí)了REO 能夠作為一種改性劑來軟化較硬的瀝青材料。國內(nèi)趙培松[12]將廢機(jī)油摻入老化瀝青中制備改性瀝青，并以殘留針入度比（RPR）和延度保留率（DR）等為指標(biāo)對(duì)其抗老化性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)；林泉[13]等通過將廢食用油對(duì)老化之后的瀝青混合料進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)廢食用油可以提高老化瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

本研究通過室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析等手段研究REOB 對(duì)老化瀝青的再生作用，探索REOB 和老化瀝青的融合行為，得出其互相作用機(jī)理，為REOB 在瀝青路面再生中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 原材料

1.1 瀝青

試驗(yàn)采用70#道路石油瀝青，對(duì)瀝青進(jìn)行長期老化，老化方法是將1.2 kg 的原樣瀝青倒入長48 cm、寬31 cm 的淺盤中，然后放入163 ℃的烘箱中持續(xù)加熱48 h。原樣瀝青和長期老化后瀝青的檢測結(jié)果見表1。

棒狀薄層色譜分析儀是對(duì)瀝青組分分析的一種新型試驗(yàn)設(shè)備[14-16]。圖1、圖2 為瀝青老化前后其各種組分的變化情況。

表1 老化前后瀝青的技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

圖1 齊魯AH-70 原樣瀝青四組分譜圖

圖2 齊魯AH-70 原樣瀝青長期老化后四組分譜圖

由圖2 可以看出：原樣瀝青經(jīng)過長期老化后，其輕質(zhì)組分如飽和分和芳香分（主要）含量減少，重質(zhì)組分如膠質(zhì)和瀝青質(zhì)（主要）增多，且二者的變化量相近。

表2 瀝青老化前后組分對(duì)比表

1.2 廢棄機(jī)油殘留物

試驗(yàn)選用國內(nèi)常見的3 種不同來源、不同處理工藝得到的廢棄機(jī)油殘留物，記為REOB-1、REOB-2、REOB-3，如圖3所示。3 種廢棄機(jī)油殘留物的檢測結(jié)果如表3所示。

圖3 三種廢棄機(jī)油殘留物

表3 3 種廢棄機(jī)油殘留物的性能指標(biāo)

通過棒狀薄層色譜分析儀對(duì)3 種REOB 進(jìn)行組分分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 ～6，數(shù)據(jù)整理如表4。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，相比瀝青材料，3 種REOB 中輕質(zhì)組分的含量明顯高于重質(zhì)組分；其中，REOB-1 含有較多的飽和分，REOB-2含有較多的瀝青質(zhì)，REOB-3 中含有較多的膠質(zhì)。

圖4 REOB-1 四組分譜圖

圖5 REOB-2 四組分譜圖

圖6 REOB-3 四組分譜圖

表4 三種REOB 的組分對(duì)比表

2 試驗(yàn)方案

（1）試驗(yàn)試樣的制備：為進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，首先需要制備試驗(yàn)用的試樣，具體制備方法為：取適量長期老化后的瀝青加熱至可流動(dòng)狀態(tài)，分別摻入占老化瀝青質(zhì)量2%、3%、4%、5%、6%、7%和8%的REOB，將攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定為3 000 ～4 000 r/min，在140 ℃溫度條件下攪拌5 min，即可得到試驗(yàn)試樣。

（2）三大指標(biāo)試驗(yàn)：對(duì)REOB-1、REOB-2、REOB-3 分別按照2%、3%、4%、5%、6%、7%和8%等7 種不同摻量制備出的試樣，進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)和10 ℃延度試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，從3 種REOB 中優(yōu)選出對(duì)老化瀝青性能改善效果最優(yōu)的REOB。

（3） DSR 和BBR 試驗(yàn)：選用通過三大指標(biāo)試驗(yàn)優(yōu)選出的REOB 在最佳摻量范圍下制備試驗(yàn)試樣，并分別進(jìn)行DSR 和BBR 試驗(yàn)。DSR試驗(yàn)中分別測定不同溫度和頻率條件下原樣瀝青、老化瀝青及摻加REOB 后老化瀝青的車轍因子和相位角指標(biāo)。固定頻率下不同溫度進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，掃描頻率為10 rad/s，溫度范圍為30 ～82 ℃；固定溫度不同頻率進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，掃描溫度為25 ℃，頻率為0.1 ～1 000 rad/s。BBR試驗(yàn)中，試驗(yàn)溫度分別選取-10 ℃、-16 ℃和-22 ℃，測定不同溫度條件下加載時(shí)間60 s 時(shí)原樣瀝青、老化瀝青及摻加REOB 后老化瀝青的勁度模量S和蠕變速率m。

（4）棒狀薄層色譜試驗(yàn)：對(duì)優(yōu)選出的REOB按照3 種摻配比例制備試驗(yàn)試樣并進(jìn)行棒狀薄層色譜試驗(yàn)，得出原樣瀝青、老化瀝青及摻加REOB 后瀝青的四組分比例，對(duì)比分析REOB 對(duì)老化瀝青的再生作用。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 常規(guī)三大指標(biāo)試驗(yàn)

三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如圖7 ～9所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著3 種REOB 摻量的增加，老化瀝青的針入度增大，軟化點(diǎn)降低，延度增大，說明REOB 對(duì)老化瀝青的性能具有恢復(fù)作用。

圖7 REOB-1 摻入老化瀝青測得的三大指標(biāo)

圖8 REOB-2 摻入老化瀝青測得的三大指標(biāo)

圖9 REOB-3 摻入老化瀝青測得的三大指標(biāo)

但三種REOB 對(duì)老化瀝青的再生效果又有所不同：當(dāng)REOB-1 在老化瀝青中的摻量達(dá)到7% 時(shí)，針入度值急劇增大，這是由于7%的REOB-1 在老化瀝青中已經(jīng)達(dá)到了過飽和狀態(tài)，部分REOB-1 已不能再融入老化瀝青之中。REOB-1 在6% 的摻量下對(duì)老化瀝青針入度、延度和軟化點(diǎn)僅僅恢復(fù)了79.07%、27.78%和30.12%，再生作用有限。

REOB-2 對(duì)老化瀝青三大指標(biāo)的改善效果分別在不同的摻量下達(dá)到最佳，其中，REOB-2為6%時(shí)，瀝青的針入度指標(biāo)已達(dá)到原樣瀝青的89.55%，繼續(xù)增加REOB-2 的摻量，瀝青會(huì)變軟，針入度值超過原樣瀝青；當(dāng)REOB-2 的摻量達(dá)7%時(shí)對(duì)老化瀝青軟化點(diǎn)的恢復(fù)效果達(dá)到最佳，但也只是恢復(fù)了30.12%；REOB-2 達(dá)到8%時(shí)，瀝青的延度才達(dá)到最大值，相比于原樣瀝青，延度值也只恢復(fù)了38.89%。

相比于前兩種REOB，隨著REOB-3 摻量的增加，瀝青的三大指標(biāo)變化顯著，并在7%的REOB-3 摻量下，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到峰值，此時(shí)REOB-3 對(duì)老化瀝青針入度、延度和軟化點(diǎn)指標(biāo)分別恢復(fù)了104.65%、105.05%和90.36%，再生效果顯著。因此，在后續(xù)試驗(yàn)中選用REOB-3，以6%、7%和8%3 種摻量制備試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

（1）REOB-3 對(duì)老化瀝青車轍因子的影響：通過改變溫度及改變荷載頻率進(jìn)行DSR 試驗(yàn)，得到不同瀝青的車轍因子如圖10 和圖11所示。

圖10 各種瀝青在不同溫度下車轍因子的變化

圖11 各種瀝青在不同頻率下車轍因子的變化

試驗(yàn)結(jié)果表明，老化瀝青的車轍因子（G*/sinδ）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他瀝青。

圖10 中，在同一溫度下，各種瀝青的抗車轍因子大小順序?yàn)椋豪匣癁r青＞8%摻量＞6%摻量＞7%摻量＞原樣瀝青，在圖11 中表現(xiàn)出同樣的順序，這說明REOB-3 的摻入可使老化瀝青的車轍因子顯著下降；當(dāng)摻量達(dá)到7%時(shí)，車轍因子曲線與原樣瀝青最為接近，說明REOB-3 在該摻量下對(duì)老化瀝青的性能恢復(fù)作用達(dá)到最強(qiáng)；REOB-3 摻量超過7%后，車轍因子反而回升，說明過量的REOB-3 不僅不能對(duì)老化瀝青起到應(yīng)有的再生作用，反而會(huì)對(duì)自身的再生作用產(chǎn)生抑制。

（2）REOB-3 對(duì)老化瀝青相位角的影響：各種瀝青在不同溫度、頻率下相位角的變化分別見圖12、圖13。

圖12 各種瀝青在不同溫度下相位角的變化

圖13 各種瀝青在不同頻率下相位角的變化

試驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青老化后其相位角減小，圖12 中，在某一溫度下各種瀝青相位角大小的順序?yàn)椋涸瓨訛r青＞7% REOB-3 摻量的老化瀝青＞8% REOB-3 摻量的老化瀝青＞6% REOB-3 摻量的老化瀝青＞老化瀝青。

圖13 中原樣瀝青隨著頻率的變化，其曲線與6%和7%REOB-3 摻量下的老化瀝青在頻率為0.8 Hz時(shí)出現(xiàn)了交叉，這表明REOB-3 的摻入使得老化瀝青的相位角受頻率變化的影響變小；0 ～0.8 Hz的受荷頻率與實(shí)際路面更加相符，在此頻率范圍內(nèi)，瀝青相位角的大小順序?yàn)椋涸瓨訛r青＞7% REOB-3 摻量的老化瀝青＞6% REOB-3 摻量的老化瀝青＞老化瀝青＞8% REOB-3摻量的老化瀝青。

可以看出，7%REOB-3 摻量下老化瀝青的相位角與原樣瀝青最為相近，這說明REOB-3對(duì)老化瀝青具有軟化作用，可以提高其流動(dòng)變形能力；當(dāng)REOB-3 在老化瀝青中的摻量超過7%時(shí)，瀝青的相位角反而開始下降并趨近于老化瀝青，這在圖13 中表現(xiàn)得更加明顯，說明過量的REOB-3 反而會(huì)阻礙對(duì)老化瀝青的性能恢復(fù)作用。

3.3 彎曲蠕變勁度試驗(yàn)

對(duì)各種瀝青在不同低溫下進(jìn)行BBR 試驗(yàn)，加載時(shí)間為60 s 時(shí)得出的勁度模量S和蠕變速率m如圖14所示。美國SHRP 規(guī)范規(guī)定：當(dāng)試驗(yàn)加載時(shí)間為60 s 時(shí)，瀝青的勁度模量應(yīng)小于300 MPa，蠕變速率m應(yīng)不小于0.30[17-19]。在-10 ℃的測試溫度下，老化瀝青的勁度模量S與蠕變速率m便已遠(yuǎn)超過規(guī)范值，因此不再對(duì)老化瀝青進(jìn)行更低環(huán)境溫度下的測試。

圖14 各種瀝青在不同溫度下BBR 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，除老化瀝青外，隨著試驗(yàn)溫度的下降，不同瀝青的勁度模量S逐漸增大，蠕變速率m逐漸減??；在相同試驗(yàn)溫度下，隨著REOB-3 摻量的增多，瀝青的S減小，m增大；當(dāng)摻量達(dá)到7%時(shí)，S和m與原樣瀝青最為接近，說明REOB-3 可以使老化瀝青低溫抗裂性能恢復(fù)到老化前的水平；由于REOB-3 自身含有較高含量的膠質(zhì)，當(dāng)在老化瀝青中的摻量超過7%后，二者處于過飽和狀態(tài)，此時(shí)瀝青中膠質(zhì)含量過高（由圖14 看出），在低溫下瀝青變得更加脆硬，因此瀝青的勁度模量反而增大，蠕變速率反而減小。

3.4 棒狀薄層色譜試驗(yàn)

通過棒狀薄層色譜分析試驗(yàn)對(duì)摻加6%、7%和8%REOB-3 的老化瀝青進(jìn)行組分分析，從而研究REOB-3 對(duì)老化瀝青的再生作用機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果整理如圖15所示。

圖15 不同瀝青的組分對(duì)比圖

有研究資料表明，瀝青在老化時(shí)，各組分間的變化為順序連串反應(yīng)，其中的芳香分（主要）和飽和分轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)。由試驗(yàn)結(jié)果可以得出：原樣瀝青在經(jīng)過長期老化之后，其重質(zhì)組分增多，輕質(zhì)組分減少，具體變化情況為：原樣瀝青老化后，瀝青質(zhì)增多3.19%，膠質(zhì)增多2.48%，芳香分減少4.98%，飽和分減少0.69%，輕質(zhì)組分的減少量與重質(zhì)組分的增多量相等，這與前人的研究成果相符。

REOB-3 加入老化瀝青后，瀝青的各種組分隨著REOB-3 摻量的增加，呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。如果加入的REOB-3 中的各種組分與老化瀝青中的各種組分不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，即純粹為各種組分的疊加，則加入REOB-3 后老化瀝青的各種組分的含量符合下面的公式：

對(duì)不同REOB-3 摻量下的老化瀝青進(jìn)行棒狀薄層色譜分析的各種組分的實(shí)測結(jié)果與按照式（1）得到的計(jì)算結(jié)果整理如下表5 ～7所示。

表5 6%REOB-3 摻量下老化瀝青的各種組分實(shí)測值與計(jì)算值對(duì)比

表6 7%REOB-3 摻量下老化瀝青的各種組分實(shí)測值與計(jì)算值對(duì)比

表7 8%REOB-3 摻量下老化瀝青的各種組分實(shí)測值與計(jì)算值對(duì)比

由試驗(yàn)結(jié)果可知，在老化瀝青中加入REOB-3 之后，各組分含量的實(shí)測值與計(jì)算值并不相等。其中瀝青質(zhì)含量的實(shí)測值小于計(jì)算值，而膠質(zhì)含量正好與之相反。隨著REOB-3摻量的增多，瀝青質(zhì)的實(shí)測值比計(jì)算值分別低2.44%、4.53%和3.52%，膠質(zhì)含量的實(shí)測值比計(jì)算值分別高0.06%、5.41%和9.39%，而芳香分的實(shí)測值比計(jì)算值分別低1.41%、3.06% 和4.46%，飽和分的實(shí)測值比計(jì)算值分別高3.79%、3.11%和0.42 %。

瀝青老化后，其重質(zhì)組分增多，而增多的重質(zhì)組分中瀝青質(zhì)占了大部分，故使其瀝青質(zhì)減少才能達(dá)到對(duì)老化瀝青的再生。REOB-3 的摻入，使得老化瀝青中瀝青質(zhì)含量下降，膠質(zhì)含量增多，芳香分含量減少。從數(shù)據(jù)變化可推斷，REOB-3 中的芳香分對(duì)老化瀝青中的瀝青質(zhì)進(jìn)行了分解轉(zhuǎn)化，使其生成為膠質(zhì)，這一系列反應(yīng)可看作是瀝青老化的逆過程。REOB-3 摻量在7%的情況下使得老化瀝青中的瀝青質(zhì)含量與實(shí)測值相比減少了4.53%，達(dá)到了最大值，說明REOB-3 在7%的摻量下可以對(duì)老化瀝青起到最好的再生效果，這也與前面的試驗(yàn)結(jié)果相呼應(yīng)。由于飽和分性質(zhì)較為穩(wěn)定，故在再生過程中，其含量的實(shí)測值與計(jì)算值相近，但也不能排除其參與溶解瀝青質(zhì)的可能。

以上結(jié)果表明，REOB-3 對(duì)老化瀝青的再生過程并不完全符合組分調(diào)合理論，而是使不同組分之間發(fā)生了化學(xué)轉(zhuǎn)化，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。具體來說，是由于REOB-3 中含量較多的芳香分對(duì)老化瀝青中的輕質(zhì)組分進(jìn)行補(bǔ)充，并對(duì)瀝青質(zhì)進(jìn)行分解轉(zhuǎn)化，這是REOB-3 對(duì)老化瀝青起再生作用的關(guān)鍵所在。

4 結(jié)論

a）通過對(duì)不同試樣的三大指標(biāo)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，三種REOB 對(duì)老化瀝青均具有性能恢復(fù)作用，REOB 摻量越高，對(duì)老化瀝青的性能恢復(fù)效果越顯著；通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，REOB-3 對(duì)老化瀝青具有更好的再生作用。

b）根據(jù)DSR 和BBR 的試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著REOB-3 摻量的增加，老化瀝青的抗車轍因子下降、相位角增大，低溫條件下的勁度模量不斷減小，其蠕變速率增大；當(dāng)REOB-3 的摻量達(dá)到7%時(shí)，老化瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)均能接近或達(dá)到原樣瀝青的水平，超過7%后，瀝青的各項(xiàng)性能開始下降。

c） 棒狀薄層色譜試驗(yàn)的結(jié)果表明，REOB-3 與老化瀝青均由相同的四種組分構(gòu)成；REOB-3 對(duì)老化瀝青的再生作用主要是通過自身含量較高的芳香分對(duì)老化瀝青中的瀝青質(zhì)進(jìn)行了分解轉(zhuǎn)化，從而使老化瀝青中各種組分的比例達(dá)到原樣瀝青的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)老化瀝青的再生。