崔亞楠， 崔樹宇， 郭立典

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；3.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

隨著道路服役時間的延長，瀝青路面出現(xiàn)大量功能性病害與結(jié)構(gòu)性病害，每年養(yǎng)護(hù)改造產(chǎn)生了大量的廢舊瀝青路面材料（RAP）.近年瀝青路面再生利用技術(shù)受到廣泛重視，舊瀝青的再生成為研究熱點(diǎn)之一.Hasan 等［1］發(fā)現(xiàn)，加入廢植物油和廢機(jī)油再生后的老化瀝青均降低了C=O 和S=O 峰面積的強(qiáng)度，這意味著廢油可以減少瀝青質(zhì)含量.李汝凱等［2］探討了廢機(jī)油底渣再生劑對老化瀝青低溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)廢機(jī)油底渣摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）增加到10%時，瀝青膠結(jié)料的低溫極限分級明顯提高，性能明顯下降.

總體來看，目前大部分關(guān)于廢機(jī)油再生的論文多為混合料路用性能研究或流變性能研究，對廢機(jī)油再生瀝青微觀層面的研究仍有不足，并不能將微觀與宏觀結(jié)合起來，共同評價廢機(jī)油的再生效果.本文以復(fù)合老化后的瀝青為研究對象，采用廢機(jī)油和XT-1 型再生劑來恢復(fù)老化SBS 改性瀝青的性能，通過三大指標(biāo)試驗及動態(tài)剪切流變（DSR）試驗，對比2種再生劑對老化SBS 改性瀝青性能的恢復(fù)效果.通過原子力顯微鏡（AFM）、傅里葉紅外光譜（FTIR）及熱重分析（TG），研究再生前后瀝青微觀力學(xué)性能、官能團(tuán)的變化及質(zhì)量損失情況，通過宏微觀測試結(jié)果共同評價廢機(jī)油的再生效果，為廢機(jī)油作為再生劑的研究提供參考依據(jù).

1 試驗材料和方法

1.1 再生劑

廢機(jī)油為大眾捷達(dá)家庭用車新車行駛約5 000～6 000 km 后換下來的廢棄機(jī)油.對比再生劑選用常州信拓路面改性材料有限公司生產(chǎn)的XT-1 型瀝青再生劑.2 種再生劑的基本指標(biāo)見表1.

表1 瀝青再生劑的基本指標(biāo)Table 1 Basic indexes of asphalt regenerants

1.2 瀝青

本文所用原料為SBS 改性瀝青，基本參數(shù)見表2.

表2 SBS 改性瀝青的基本指標(biāo)Table 2 Basic indexes of SBS modified asphalt

1.2.1 老化瀝青的制備

熱老化瀝青采用現(xiàn)行JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中“T0630”方法以RTFOT+PAV（20 h）制備（PAV 老化瀝青）.紫外老化瀝青（UV 老化瀝青）制備方法為將長期老化后的SBS 改性瀝青放入紫外老化箱中老化233 h，以模擬室外瀝青1 a UV 老化，老化溫度為50 ℃.

1.2.2 再生瀝青制備

再生瀝青制備方法是將再生劑放入老化瀝青中通過攪拌機(jī)攪拌均勻，溫度為135 ℃，攪拌速率為2 000 r/min；攪拌15～20 min 后置于110 ℃烘箱中靜置10 min，然后取出繼續(xù)攪拌；重復(fù)上述過程4～5次，然后靜置24 h，使XT-1 再生劑或廢機(jī)油與老化瀝青充分融合，得到再生瀝青.老化瀝青和再生瀝青的種類及編號見表3.

表3 瀝青的種類及代號Table 3 Types and codes of asphalts

1.3 試驗方法

1.3.1 三大指標(biāo)試驗

針入度、軟化點(diǎn)、延度按照J(rèn)TG E20—2011 中的“T0624-2011”、“T0605-2011”、“T0606-2011”執(zhí)行，針入度和延度分別選取25、10 ℃作為試驗溫度.

1.3.2 動態(tài)剪切流變試驗

采用DHR-1 動態(tài)流變剪切儀的線性振幅掃描（LAS）試 驗，按 照 AASHTO-TP 101-12（2015）《Standard method of test for estimating fatigue resistance of asphalt binders using the linear amplitude sweep》中的試驗方法對原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青的疲勞性能進(jìn)行測試.試驗溫度選取28 ℃.

1.3.3 微觀分析試驗

采用AFM、FTIR 及TG 對原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青的微觀力學(xué)特性、官能團(tuán)變化及質(zhì)量損失進(jìn)行觀察和測試.AFM 掃描模式選用Peak Force QNM 模 式，掃 描 面 積 為15 μm×15 μm，像 素 為512×512，于室溫下觀測.采用的掃描模式QNM 是Bruker 公司基于AFM 的峰值力輕敲模式推出的專利技術(shù)，可獲得微納米尺度相態(tài)的楊氏模量（DMT）、黏附力［3］.FTIR 分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32 次，測試范圍4 000～650 cm-1，儀器的溫度控制在17～27 ℃且保持干燥.TG 試驗升溫速率為10 ℃/min，升溫范圍為30～900 ℃.

2 宏觀試驗結(jié)果與討論

2.1 三大指標(biāo)結(jié)果分析

圖1～3 為3 種瀝青的針入度、延度和軟化點(diǎn)測試結(jié)果.以原樣瀝青的三大指標(biāo)作為參考線，如圖1～3 中上方的黑線所示.由圖1～3 可見：不同老化程度SBS 改性瀝青中添加再生劑后，針入度和軟化點(diǎn)改變明顯，2 種老化方式后再生的瀝青均達(dá)到原樣水平，且廢機(jī)油再生至原樣瀝青水平所需摻量明顯低于XT-1 再生劑，說明廢機(jī)油對針入度、軟化點(diǎn)的恢復(fù)要優(yōu)于XT-1 再生劑；延度的恢復(fù)廢機(jī)油弱于XT-1 再生劑，這是由于XT-1 再生劑含有增塑劑，可以增強(qiáng)再生瀝青的低溫抗裂性能，而廢機(jī)油雖作為輕質(zhì)油，可以補(bǔ)充老化瀝青中的芳香分，通過調(diào)整其化學(xué)組成及含量來恢復(fù)其低溫延展性，卻無法修復(fù)SBS 改性瀝青老化時部分降解的分子鏈［4］；再生SBS 改性瀝青的延度值未達(dá)到原樣瀝青水平，這與SBS 改性瀝青的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，在10 ℃下，由于SBS 自身分子的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以及瀝青間的黏摩阻力，制約了瀝青本身的變形能力，使延度無法恢復(fù).

圖1 瀝青的針入度Fig.1 Penetration of asphalts

圖3 瀝青的軟化點(diǎn)Fig.3 Softening point of asphalts

2.2 基于DSR 試驗的再生瀝青疲勞壽命分析

對SBS 改性瀝青原樣及老化再生后的SBS 改性瀝青進(jìn)行LAS 試驗，根據(jù)AASHTO-TP 101 計算得到VECD 模型的各個參數(shù)［5］，結(jié)果如表4 所示.其中：α為頻率掃描擬合的參數(shù)；C1、C2為幅度掃描的擬合參數(shù)；Df為發(fā)生破壞時的D（t）值；K=1+（1-C2）·α；B=2α；A=fDf/K（πC1C2）α.原樣SBS 改性瀝青、PAV老化SBS 改性瀝青、16%XT-1 再生PAV 老化SBS改性瀝青和9%waste oil 再生PAV 老化SBS 改性瀝青等4 種瀝青在不同應(yīng)變下的疲勞壽命如表5 所示.由表4、5 可見：4 種瀝青的疲勞壽命均隨著應(yīng)變水平的提高急劇減小，以原樣SBS 改性瀝青為例，其應(yīng)變?yōu)?%時的疲勞壽命高達(dá)61 383 次，當(dāng)其應(yīng)變?yōu)?0%時，疲勞壽命僅為274 次；PAV 老化瀝青的疲勞壽命顯著降低，隨著再生劑的摻入，瀝青的疲勞壽命得到一定程度的恢復(fù)及延長，這表明再生劑增大了瀝青的柔性，使再生瀝青的疲勞壽命增加［6］；摻入9%廢機(jī)油再生瀝青的疲勞壽命遠(yuǎn)高于摻加16%XT-1 的再生瀝青，說明廢機(jī)油對再生瀝青疲勞壽命的影響更為顯著.

表4 不同瀝青的LAS 試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)Table 4 LAS test model parameters of different asphalts

表5 4 種瀝青在不同應(yīng)變水平下的疲勞壽命Table 5 Fatigue life of four kinds of asphalt under different strain levels times

3 再生瀝青的微觀力學(xué)及紅外光譜特征研究

3.1 老化和原樣瀝青的楊氏模量及黏附力

采用楊氏模量（DMT）與黏附力2 個指標(biāo)進(jìn)行力學(xué)特性的分析.DMT 可用于評價瀝青黏彈性能的變化，黏附力可用于評價瀝青-集料界面的黏附性能.表6 為SBS 改性瀝青老化前后的DMT 和黏附力.由表6 可知：老化導(dǎo)致SBS 改性瀝青的DMT 上升，黏附力下降.由此可見，隨著老化程度的加深，瀝青微觀表面DMT 增大而黏附力減小，進(jìn)一步說明老化促進(jìn)了瀝青內(nèi)部黏性成分向彈性成分的轉(zhuǎn)變，提高了瀝青的彈性.

表6 SBS 改性瀝青老化前后的DMT 和黏附力Table 6 DMT and adhesion before and after aging of SBS modified asphalt

對不同再生劑摻量下SBS 改性瀝青的DMT 和黏附力進(jìn)行計算，得到再生SBS 改性瀝青的整體DMT 與黏附力，結(jié)果如表7 所示.由表7 可見：隨著再生劑摻量的增加，再生SBS 改性瀝青的DMT 隨之減??；2 種老化方式下，廢機(jī)油再生瀝青的DMT 隨著再生劑摻量的增加而下降的幅度更大，說明廢機(jī)油對再生瀝青黏彈性能有較好的恢復(fù)，這是因為廢機(jī)油可以恢復(fù)老化瀝青對SBS 改性劑的降解，且對于瀝青中的瀝青質(zhì)有較好的分散溶解能力；PAV 老化下XT-1 再生瀝青在摻量為4%時的DMT 大于PAV老化瀝青，這是因為SBS 改性劑在熱氧老化過程中會不斷分解，雖然部分被氧化成極性大分子后在高溫下?lián)]發(fā)，但由于老化使瀝青表面變硬，阻礙了SBS改性劑的熱氧老化，使SBS 改性劑降解為小分子［7］，所以XT-1 再生劑在較低摻量下不能很好地融合SBS 改性劑的小分子，出現(xiàn)DMT 先增加后減小的現(xiàn)象；從黏附力變化來看，2 種再生劑摻量增加時黏附力呈現(xiàn)增長趨勢，但增加幅度并不明顯，不同摻量再生瀝青黏附力之間的差別較小，因此需結(jié)合其他性能指標(biāo)，如DMT 和復(fù)模量等來綜合判斷再生SBS 改性瀝青的再生情況.

表7 再生瀝青DMT 和黏附力匯總Table 7 Summary of DMT and adhesion of regenerating SBS modified asphalt

同時不同的老化方式對再生瀝青的微觀力學(xué)性能也會產(chǎn)生很大影響.經(jīng)過UV 老化后，利用廢機(jī)油再生的SBS 改性瀝青，其3%摻量時的DMT 明顯高于經(jīng)過PAV 老化后再生的瀝青.這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是SBS 改性劑經(jīng)過長期老化破壞后產(chǎn)生的大分子在紫外光照射下發(fā)生裂解降為小分子［8］，同時隨著老化時間的延長，瀝青質(zhì)含量增加［9］，同樣摻量下的DMT 更難恢復(fù)到初始狀態(tài)，導(dǎo)致微觀力學(xué)表現(xiàn)為UV 老化后再生瀝青的DMT 在摻量為3%時的恢復(fù)效果弱于PAV 老化后再生的瀝青.

3.2 紅外光譜特征分析

圖4 為再生劑及UV 老化再生SBS 改性瀝青的FTIR 圖譜.由圖4可見：（1）SBS改性瀝青再生前后在2 919、1 455 cm-1處出現(xiàn)了最大值.其中2 919 cm-1的強(qiáng)吸收峰為C-H 的伸縮振動特征峰，1 599 cm-1的吸收峰是烯烴C=C 和C=O 的伸縮振動，1 455 cm-1的特征峰為C-H 鍵的變形振動，1 375 cm-1處的吸收峰是脂肪族-CH3-和-CH2-面內(nèi)的C-H 彎曲振動，1 030 cm-1附近為S=O 的伸縮振動，996～700 cm-1的4 個小峰是芳香族分子的特征峰［10］.（2）不同再生劑再生瀝青的FTIR 圖譜較原瀝青并未出現(xiàn)新的特征吸收峰，這說明再生劑的添加并沒有使瀝青產(chǎn)生新的物質(zhì)［11］.（3）2 種再生劑的FTIR 圖譜中均出現(xiàn)-CH3-和-CH2-面內(nèi)的C-H 彎曲振動的吸收峰（1 376 cm-1附近），這說明XT-1 再生劑和廢機(jī)油中均含有非極性的甲基和亞甲基以及烷烴和脂肪族.不同的是，XT-1 再生劑的FTIR 圖譜中具有高強(qiáng)度的苯環(huán)取代彎曲振動峰（730～690 cm-1），這表明XT-1 再生劑的主要成分為富含芳烴的輕質(zhì)組分，而廢機(jī)油的FTIR 圖中芳香族分子特征峰較少.

圖4 再生劑及紫外老化再生SBS 改性瀝青的FTIR圖譜Fig.4 FTIR spectra of SBS modified asphalt regenerated by regenerant and ultraviolet aging

為了進(jìn)一步對比分析瀝青再生前后官能團(tuán)的變化，引入亞砜基指數(shù)（SI）、羰基指數(shù)（CI）和丁二烯指數(shù)（BI），來定量分析SBS 改性瀝青的再生.其計算公式［12］如下：

式中：AC=O為羰基吸收峰面積；AS=O為亞砜吸收峰面積；AC=C為丁二烯中C=C 鍵吸收峰面積；AC-H為飽和C-H 鍵彎曲振動吸收峰面積.

對再生瀝青的SI、CI 和BI 進(jìn)行計算可得表8.由圖4 和表8 可見：SBS 改性瀝青經(jīng)過UV 老化后，1 599 cm-1處存在-C=C-的吸收峰，相比原樣瀝青，其CI 有所增加，這是由于瀝青質(zhì)的增加導(dǎo)致的［13］；1 030 cm-1處SI 經(jīng)過UV 老化后升高，這說明老化導(dǎo)致SBS 改性瀝青的-CH2-、-CH3-含量發(fā)生變化，這是因為老化過程中很多短鏈碳?xì)浠衔锇l(fā)生了加成、聚合反應(yīng)［14］；再生瀝青的CI 和SI 要高于原樣SBS 改性瀝青，這是因為瀝青再生技術(shù)并非是發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)的逆反應(yīng)，并不能使老化后產(chǎn)生的C=O 和S=O 還原成C-H 和S-H［15］；966 cm-1處的特征峰為SBS 改性瀝青中丁二烯所具有的，可以反映SBS 改性瀝青的老化情況，SBS 改性瀝青經(jīng)紫外老化后的BI 降低，老化后SBS 中丁二烯為代表的SBS 改性劑發(fā)生降解，瀝青各組分分子之間交聯(lián)作用作用減弱，三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)發(fā)生了破壞［16］；加入廢機(jī)油后BI 上升并接近原樣瀝青，由此說明廢機(jī)油的摻入很好的改善了老化作用對SBS 改性劑的降解，使SBS 改性瀝青內(nèi)部重新形成完整的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)［4］.

表8 UV 老化及添加再生劑和廢機(jī)油再生SBS 改性瀝青的CI、SI、BITable 8 CI，SI，BI of UV aging and regenerated SBS modified asphalt with regenerant and waste engine oil

3.3 熱重分析

本文選取質(zhì)量損失為5%及50%時的溫度來判斷不同瀝青熱穩(wěn)定性的差異，表9 為不同瀝青的熱分解溫度.由表9 可見：原樣瀝青的分解溫度大于老化和再生瀝青，不同老化方式也會對瀝青的熱穩(wěn)定性有一定影響，但影響不大；再生劑的摻入會使再生瀝青的熱分解溫度降低且廢機(jī)油再生瀝青的分解溫度高于XT-1 再生瀝青；結(jié)合FTIR 分析可知，再生劑的加入提高了再生瀝青中輕質(zhì)組分的含量，而輕質(zhì)組分的含量會對瀝青前期的熱穩(wěn)定性能有較大影響［17］，導(dǎo)致再生瀝青的熱分解溫度降低；結(jié)合宏觀試驗分析，瀝青老化后瀝青質(zhì)增加，輕質(zhì)組分減少，使瀝青變硬，再生劑的摻入提高了瀝青中輕質(zhì)組分的含量，重新調(diào)和瀝青組分，從而使瀝青性能恢復(fù).

4 結(jié)論

（1）廢機(jī)油及XT-1 再生劑對老化SBS 改性瀝青針入度、軟化點(diǎn)均有較好的恢復(fù)效果，延度恢復(fù)具有一定局限性.廢機(jī)油對再生SBS 改性瀝青疲勞壽命的影響更為明顯.

（2）瀝青中加入廢機(jī)油及XT-1 再生劑均可使其DMT 降低并提高其微觀黏附力，再生劑和廢機(jī)油的摻入提高了老化SBS 改性瀝青的丁二烯指數(shù)，重新調(diào)和了老化瀝青內(nèi)部的組分分布，改善了老化瀝青的路用性能，其中廢機(jī)油作用更為顯著.2 種再生劑的加入都使老化瀝青中的輕組分含量提高，但并未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成新的物質(zhì).廢機(jī)油再生瀝青的熱穩(wěn)定性要優(yōu)于XT-1 再生瀝青.

（3）廢機(jī)油作為再生劑對SBS 改性瀝青有較好的性能恢復(fù)，將其作為再生劑具有可行性.在實際工況中，XT-1 再生瀝青的低溫抗裂性能要優(yōu)于廢機(jī)油再生瀝青，更適宜在10 ℃以下的溫度區(qū)域內(nèi)使用.