徐 浩，張文武，何兆益，*，孔 林，黃佳興

（1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074；2.山東高速集團有限公司，山東 濟南 250101）

疲勞開裂是瀝青路面的主要破壞形式，對路面性能具有顯著的負面影響.瀝青作為一種典型的黏彈性材料，具有自愈合性能，即自動修復疲勞裂紋的能力，從而延長路面疲勞壽命［1-3］.1965 年Deacon［4］發(fā)現瀝青混凝土的使用壽命隨間歇時間增加而延長.從此，學者們對瀝青自愈合機理、自愈合表征方法及影響因素等展開了大量研究.Wool 等［5-6］將瀝青自愈合過程歸結為裂縫界面的潤濕及分子的擴散.程耀飛等［7］研究表明自愈合指標與愈合時間t0.25具有較高的線性擬合度.羅蓉等［8］在現有自愈合指標基礎上作了進一步修正，得到了考慮愈合前后動態(tài)剪切模量和加載時間變化的新指標.崔亞楠等［9］通過正交試驗分析表明老化是影響SBS 改性瀝青自愈合性能的最大因素.

瀝青在長期服役過程中會逐漸老化，自愈合性能也會降低，添加再生劑能恢復老化瀝青自愈合性能.中國大部分路面超過設計使用年限而逐漸進入大中修期，廢舊瀝青混合料的再生技術是環(huán)保經濟的道路修復方法，國內外對再生瀝青混合料的使用量也逐年增加，因此研究再生瀝青自愈合性能十分必要.本文通過動態(tài)剪切流變（DSR）試驗和紅外光譜（IR）試驗，研究老化及再生對瀝青自愈合性能的影響，并分析瀝青自愈合性能與其化學組成的相關性.

1 試驗

1.1 原材料及試樣制備

采用70#基質瀝青，通過旋轉薄膜烘箱老化（RTFOT）試驗模擬瀝青不同程度的老化，將70#基質瀝青經RTFOT 老化85、170、340 min 后的試樣分別表示為70#R85、70#R170 和70#R340.基質瀝青和老化瀝青的技術指標如表1 所示.再生劑選用課題組自主研發(fā)的R、S、Y 型3 種再生劑，R 型為礦物油再生劑，S和Y 型為生物油再生劑，其性能指標如表2所示.

表1 基質瀝青和老化瀝青的技術指標Table 1 Technical indicators of matrix asphalt and aging bitumen

表2 再生劑的性能指標Table 2 Properties of the regenerant

再生瀝青制備過程如下：將不同程度老化瀝青在烘箱中預熱至160 ℃，按試驗所需質量倒入杯中；按設計摻量（質量分數）稱取再生劑并加入到老化瀝青中；將老化瀝青與再生劑混合試樣杯放置在160 ℃恒溫油浴鍋中，采用攪拌機以1 000 r/min 的速率持續(xù)攪拌30 min，使再生劑與老化瀝青混合均勻，得到再生瀝青.

再生瀝青編號以“老化瀝青編號+再生劑摻量和類型”來表示，如70#R85+5%Y 表示向老化瀝青70#R85 中添加5%Y 型再生劑后制備的再生瀝青.針對不同的問題，采用控制變量法進行分組，當研究不同老化程度再生瀝青的自愈合性能時，以老化時間為變量，固定再生劑類型和摻量；當研究不同再生劑摻量對老化瀝青自愈合性能的影響時，以向70#R340 中摻加Y 型再生劑的再生瀝青為研究對象，變量為Y 型再生劑摻量（5%，7%，9%）；當研究不同再生劑類型對老化瀝青自愈合性能的影響時，以向70#R340 中摻加9%再生劑的再生瀝青為研究對象，變量為再生劑類型（Y、S、R）.

1.2 試驗方法

1.2.1 自愈合試驗方法及評價指標

“疲勞-愈合-疲勞”循環(huán)加載試驗是研究瀝青自愈合性能的常用方法.試驗采用DSR 時間掃描模式，選取平行板直徑和間距分別為8、2 mm，控制應變?yōu)?%，加載頻率為10 Hz，試驗溫度為30 ℃，間歇時間t分別設置為10、20、40、60、80 min.試驗流程如圖1 所示，圖中各參數定義同式（1）.

圖1 瀝青“疲勞-愈合-疲勞”循環(huán)加載試驗流程Fig.1 Test procedure for‘fatigue-healing-fatigue’cycle loading of asphalt

本文采用羅蓉等［8］提出的愈合指數HI 對瀝青自愈合性能進行表征，如式（1）所示：式中：G*a為瀝青自愈合后的初始動態(tài)剪切模量，MPa；G*b為瀝青自愈合前的終止動態(tài)剪切模量，MPa；G*0為瀝青自愈合前的初始動態(tài)剪切模量，MPa；t1、t2表示加載時間，s.

此外，根據毛細擴散理論可知，瀝青自愈合由毛細力引起的瞬時自愈合和分子擴散形成的擴散愈合組成，愈合指數HI 可以通過愈合溫度和愈合時間的函數來表征［10］，如式（2）所示：

式中：HI(θ，t)為溫度θ下間歇時間為t時的愈合指數；HI0為瞬時自愈合強度；K為愈合速率；t0.25為愈合時間.

1.2.2 紅外光譜試驗

采用NEXUS EU-RO 紅外光譜儀，以薄膜法測定瀝青的化學官能團，掃描次數為32 次/s，分辨率為4 cm-1.采用特征官能團吸收峰面積比來定量分析官能團組成與含量對瀝青自愈合性能的影響［11］，如式（3）所示.

式中：Ii為官能團i的指數；Ai為官能團i的吸收峰面積；∑A為600～2 000 cm-1波段范圍內所有吸收峰面積之和.

2 結果與分析

2.1 自愈合行為方程擬合

對不同類型瀝青進行“疲勞-愈合-疲勞”循環(huán)加載試驗，采用式（2）對各瀝青愈合指數HI 進行擬合，得到各瀝青在30 ℃下愈合指數與愈合時間的關系，如圖2 所示.

由圖2 可知：各瀝青愈合指數HI 均隨著愈合時間的延長而增大，充分的間歇時間有利于瀝青自愈合修復；除重度老化瀝青（RTFOT 老化340 min 的瀝青）以外，瀝青愈合指數HI 與愈合時間t0.25擬合相關度較高（R2＞0.9），說明基于毛細擴散理論的自愈合模型（式（2））能夠較好地描述瀝青愈合指數隨愈合時間的發(fā)展變化，重度老化瀝青擬合相關性較差的原因可能是30 ℃時重度老化瀝青的流動性較差，自愈合現象不明顯；擬合曲線斜率為瀝青愈合速率K，反映了瀝青愈合過程中的恢復速率，擬合曲線的截距為瀝青的瞬時自愈合強度HI0，圖2 中所有瀝青擬合曲線的截距均為負數，說明瀝青瞬時自愈合并不能恢復其承受荷載作用的能力［11］；圖2（b）～（d）中，不同狀態(tài)再生瀝青自愈合擬合曲線之間存在交叉點，因為瀝青愈合指數隨時間變化，以某一個時間點的愈合指數進行瀝青自愈合性能的對比會比較片面.因此，本文以平均愈合指數HIa對原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青的自愈合能力進行評價，結合愈合速率K分析瀝青老化及再生過程中自愈合性能的變化規(guī)律.

2.1.1 老化程度對瀝青自愈合性能的影響

圖3 為不同老化程度瀝青再生前后的自愈合參數.由圖3 可見：隨瀝青老化程度加重（老化時間延長），平均愈合指數HIa減小，愈合速率K降低；70#R85、70#R170、70#R340 的平均愈合指數HIa分別為基質瀝青的72.6%、53.4%、26.9%，愈合速率K分別降低至基質瀝青的77.1%，59.5%，20.8%，表明老化對于瀝青自愈合性能具有顯著的負面影響.原因在于老化后瀝青中輕質組分減少，瀝青質增加，分子間作用力增大，分子擴散運動能力減弱.

圖3 不同老化程度瀝青再生前后的自愈合參數Fig.3 Self-healing parameters of asphalt with different aging degrees before and after regeneration

由圖3還可見：老化瀝青添加再生劑后自愈合性能明顯恢復，平均愈合指數HIa提高，愈合速率K增大；再生 后70#R85+5%Y、70#R170+5%Y、70#R340+5%Y的平均愈合指數HIa分別恢復至基質瀝青的100.9%、96.4%、63.2%，愈合速率K分別恢復至基質瀝青的89.7%，94.7%，40.7%.原因是再生劑補充了瀝青在老化過程中缺失的輕質組分，溶解并分散了老化過程中生成的強極性物質，改善了老化瀝青的膠體結構，促進了瀝青自愈合.

2.1.2 再生劑摻量對老化瀝青自愈合性能的影響

圖4 為不同再生劑摻量下再生瀝青的自愈合參數.由圖4 可見：隨著再生劑摻量的增加，再生瀝青自愈合性能明顯提高；70#R340 老化瀝青添加5%、7%、9%的Y 型再生劑后，平均愈合指數HIa分別恢復到基質瀝青的63.2%、78.5%、100.9%，愈合速率K分別恢復至基質瀝青的40.7%，56.7%，84.9%，再生劑對愈合速率K的恢復作用弱于平均愈合指數HIa；70#R340 添加9%Y 型再生劑后的自愈合性能與基質瀝青較為接近，說明70#R340 重度老化瀝青需要更大摻量的再生劑才能補充其老化過程中損失的輕質組分，恢復膠體結構.

圖4 不同再生劑摻量下再生瀝青的自愈合參數Fig.4 Self-healing parameters of recycled asphalt with different regenerant content

2.1.3 再生劑類型對老化瀝青自愈合性能的影響

圖5 為不同再生劑類型下再生瀝青的自愈合參數.由圖5 可見：3 種再生劑均能恢復老化瀝青自愈合性能，向70#R340 老化瀝青中添加9%的Y 型、S 型、R 型再生劑后平均愈合指數HIa分別恢復到基質瀝青的100.9%、91.5%、80.3%，愈合速率K分別恢復至基質瀝青的84.9%，76.1%，90.9%；3 種再生劑對老化瀝青平均愈合指數HIa的恢復效果排序為Y＞S＞R，對老化瀝青愈合速率K的恢復效果排序為R＞Y＞S.3 種再生劑均能提高老化瀝青的自愈合性能，因再生劑組分不同，對老化瀝青的化學組成影響存在差異，改善效果不同.

圖5 不同再生劑類型下再生瀝青的自愈合參數Fig.5 Self-healing parameters of recycled asphalt under different regenerant types

2.2 紅外光譜分析

圖6 為再生劑、原樣瀝青、老化瀝青及再生瀝青的紅外光譜.

由圖6（a）可知：在2 830～2 982 cm-1波段內3 種再生劑均出現高強度的CH3和CH2反對稱與對稱伸縮振動峰，表明再生劑中均存在含有非極性甲基和亞甲基官能團的烷烴；3 種再生劑均包含多種極性官能團，1 740、1 169 cm-1處分別出現酯羰基C=O 和鏈酸酐C—O 極性基團吸收峰，1 030 cm-1處出現微弱的亞砜基S=O 吸收峰，表明3 種再生劑均含有一端由親水基（極性部分）、一端由憎水基（非極性部分）組成的表面活性劑成分［12］.

由圖6（b）可知：70#基質瀝青經過老化后在1 700 cm-1附近出現了羰基特征峰，并隨著老化程度的加重而增強；另外，1 030 cm-1附近的亞砜基S=O伸縮振動峰和3 420 cm-1附近的O—H 吸收峰均在原有基礎上有所增強.

對比圖6（b）、（c）可知，老化瀝青再生前后的官能團吸收峰位置基本相同，但不同狀態(tài)再生瀝青均在1 740 cm-1附近出現了酯羰基C=O 伸縮振動峰.原因在于，再生劑的引入導致了再生瀝青中新吸收峰的出現，老化瀝青再生過程中并無新物質產生.

圖6 再生劑、原樣瀝青、老化瀝青及再生瀝青的紅外光譜Fig.6 IR spectra of regenerant，base asphalt，aged asphalt and regenerated asphalt

2.3 瀝青愈合指數與微觀化學指標的相關性

現有研究［13-14］表明瀝青老化及再生過程中主要關注1 700 cm-1附近的羰基C=O 及1 030 cm-1附近的亞砜基S=O 等含氧官能團的變化.采用OMNIC軟件中的基線法來計算紅外光譜中碳基和亞砜基特征峰的面積，進而通過式（3）得到碳基C=O 和亞砜基S=O 的官能團指數IC=O、IS=O，結果見表3.通過羰基和亞砜基官能團指數來反映瀝青的老化及再生狀態(tài).

由表3 可知：隨著瀝青老化程度的加重，IC=O和IS=O逐漸增大，說明瀝青中羰基和亞砜基含量變大，瀝青發(fā)生氧化反應生成羰基和亞砜基等極性基團；老化瀝青添加3 種再生劑后均表現出IC=O和IS=O減小，表明瀝青再生后極性官能團含量減少，再生劑能夠補充老化瀝青缺失的輕質組分，稀釋溶解瀝青老化過程中產生的極性物質.

表3 再生瀝青官能團指數Table 3 Functional group index of recycled asphalt

圖7 給出了瀝青自愈合參數與官能團指數的關系.由圖7 可知，IS=O與瀝青平均愈合指數HIa具有一定程度的相關性（R2＞0.68），IS=O越大，瀝青中極性官能團含量越高，分子間作用力越大，瀝青自愈合性能越低.考慮到再生劑種類不同會影響再生瀝青官能團指數，排除添加R 型和S 型再生劑的試驗樣品后，將瀝青自愈合參數與官能團指數的關系列于圖8.

圖7 瀝青自愈合參數與官能團指數的關系Fig.7 Relationship between asphalt self-healing parameter and functional group index

圖8 排除添加R 型和S 型再生劑的試驗樣品后，剩余瀝青自愈合參數與官能團指數的關系Fig.8 Relationship between self-healing parameters and functional group index of the remaining asphalts after excluding R and S types of recycled asphalt

由圖8 可見：排除添加R 型和S 型再生劑的試驗樣品后，自愈合參數與官能團指數IC=O、IS=O的相關性明顯提高，瀝青平均愈合指數與IC=O的相關性超過0.7，表明再生劑種類影響了瀝青自愈合參數與官能團指數的相關性；對于添加Y 型再生劑的瀝青，自愈合參數與IC=O、IS=O之間表現出較好的線性相關性.

3 結論

（1）通過不同間歇時間下的瀝青疲勞自愈合試驗得出，除重度老化瀝青外，其余瀝青的平均愈合指數HIa與愈合時間t0.25的線性相關性較高.老化導致瀝青K和HIa降低，添加再生劑能夠恢復老化瀝青的愈合性能，且再生劑摻量較高時效果更好；Y 型再生劑對恢復老化瀝青自愈合性能的效果最好.

（2）瀝青在老化過程中發(fā)生了氧化反應，隨著老化程度的加重，羰基指數IC=O和亞砜基指數IS=O增大，瀝青中極性氧化物含量提高，導致分子間作用力增大，自愈合能力降低；老化瀝青再生后IC=O、IS=O減小，極性氧化物含量降低，分子間作用力減小，自愈合能力得到恢復.

（3）再生劑組分差異會影響再生瀝青自愈合參數與官能團指數的相關性，添加Y 型再生劑的再生瀝青自愈合參數與IC=O、IS=O均表現出較好的線性相關性.