瀝青再生劑的再生性能改善與評價

曹雪娟，李志豪，張艷紅，李宇軒，劉望坤

(1.重慶交通大學 材料科學與工程學院，重慶 400074；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；3.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089；4.中國交建公路路面養護技術研發中心，北京 100083；5.公路建設與養護技術、材料及裝備交通運輸行業研發中心，北京 100083；6.中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都 610081)

在舊瀝青混合料的再生過程中，使用瀝青再生劑可以使其具有更好的經濟效益和環境效益[1]。曹榮吉等[2]發現再生劑的摻加可使再生瀝青混合料體系更加均勻。Martins Zaumanis等[3]通過研究表明，瀝青再生劑可有效提高再生瀝青混合料的路用性能。歐陽自強[4]指出黏度較低的礦物油再生劑，抗老化能力較差，質量損失嚴重。冉龍飛[5]通過多環芳烴含量評價貴州地區常用再生劑的環保性能，發現大部分再生劑的多環芳烴含量超標。

以上研究表明，再生劑應具備較好的抗老化性能和較優的環保性，而再生劑降黏劑良莠不齊，需優選出一種降黏劑，進而制備出綜合性能優良的瀝青再生劑[6]。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

研究選擇了A、B、C、D、E 5種降黏劑，其中A、B為礦物油降黏劑，C、D、E為植物油降黏劑。再生劑R的黏度為284 mPa·s，5種降黏劑的黏度遠小于再生劑R，均可用于降低R黏度。5種降黏劑與再生劑的黏度與來源見表1。

GSY-V型瀝青自動抽提儀；RE-205型旋轉蒸發器；ZH-123型針入度儀；R-416型軟化點儀；SYD-4508C型延度儀；Brookfield DV-II型黏度計；B066N KIT型旋轉薄膜烘箱；AR 2000型動態剪切流變儀(DSR)；ATS彎曲梁流變儀(BBR)；HT-030型全自動瀝青混合料車轍實驗機；MT82-1200型萬能實驗機。

表1 降黏劑、再生劑的黏度與來源

1.2 老化瀝青

老化瀝青通過舊瀝青混合料抽提和旋轉蒸餾器法獲得，舊瀝青混合料中所用瀝青為SBS改性瀝青，該路面已服役8年時間。老化瀝青的針入度、軟化點和延度見表2。由表可知，瀝青老化后針入度降低、延度下降，不能滿足規范要求。

表2 老化瀝青針入度、軟化點和延度

1.3 級配

再生瀝青混合料性能評價時需要確定瀝青混合料的級配，舊瀝青混合料為SMA-13型級配，建設初期的設計級配、舊料級配和再生混合料級配曲線見圖1。

圖1 瀝青混合料級配曲線

由圖1可知，道路服役過程中粗集料發生明顯細化現象，4.8 mm和9.5 mm檔集料通過率增加，超出規范要求。研究摻加10%含量的新集料調整舊料級配，再生瀝青混合料的級配接近原設計級配。

1.4 實施方案

研究首先通過旋轉薄膜老化實驗(RTFOT)測試5種降黏劑的質量損失，選擇質量損失較低的降黏劑加入再生劑，之后測試再生劑再生瀝青膠結料與混合料的性能[7]。

2 結果與討論

2.1 降黏劑優選

再生劑應具備較好的抗老化性能，旋轉薄膜老化實驗(RTFOT)常用于模擬瀝青在高溫拌合與壓實過程中的短期老化，研究采用RTFOT的質量損失指標表征降黏劑的抗老化性能，實驗結果見圖2。

圖2 降黏劑的質量損失

由圖2可知，礦物油基降黏劑A、B的質量損失分別為12.1%,4.4%，均高于《公路瀝青路面再生技術規范》(JTGF 41—2008)中再生劑質量損失≤3%的要求。植物油基降黏劑C、D、E的質量損失分別為0.5%,0.2%和1.2%，D的質量損失最低。此外，植物油基降黏劑具有綠色可再生的優點，而礦物基降黏劑為不可再生資源。因此，優選質量損失最低的D作為再生劑的降黏劑。降黏劑成本較高，結合現場經驗確定降黏劑在再生劑中的摻量為10%。

2.2 再生膠結料性能

2.2.1 再生劑最佳摻量 瀝青再生劑摻加降黏劑后應具有較好的路用性能，根據相關研究文獻表明[8-9]，以老化瀝青針入度恢復至原樣瀝青水平是確定再生劑摻量的可靠方法。因此，研究分別將3%，6%和9%的再生劑加入老化瀝青，進而確定再生劑的最佳摻量，見圖3。

由圖3可知，將3%，6%和9%再生劑摻量下再生瀝青的針入度線性回歸。原樣瀝青的針入度為59.2，以再生瀝青針入度恢復至原樣瀝青水平為標準，確定再生劑的最佳摻量為4.5%。在后面的瀝青膠結料與混合料實驗中，再生劑的摻量均為4.5%。

圖3 不同再生劑摻量下再生瀝青針入度

2.2.2 膠結料高溫性能 瀝青是一種典型的溫感性材料，在不同溫度下表現出不同的黏彈特性。通過動態剪切流變儀(DSR)對老化瀝青、再生瀝青和原樣瀝青40～85 ℃溫度掃描，分析3種瀝青的溫感特性，并通過車轍因子指標表征瀝青的高溫性能，見圖4。

圖4 瀝青溫度掃描實驗結果

復數模量(G*)越大表示瀝青的勁度越大，抗流動變形能力就越強。相位角(δ)可反應瀝青的黏彈成分組成，瀝青相位角越大，瀝青中黏性組分越高，彈性組分越低。車轍因子(G*/sinδ)可用于表征瀝青在高溫條件下的抗變形能力，車轍因子值越大，瀝青的流動變形越小，瀝青的抗車轍能力就越強。由圖4a可知，隨著溫度的升高，老化瀝青、再生瀝青和原樣瀝青的復數模量降低，相位角增加。表明溫度升高后，瀝青的黏性組分增加，彈性組分降低，瀝青抗變形能力下降。老化瀝青復數模量大于原樣瀝青，原樣瀝青復數模量與再生瀝青相近，表明再生劑有效恢復了老化瀝青的復數模量。老化瀝青相位角低于原樣瀝青，再生瀝青相位角也低于原樣瀝青，表明再生劑只能部分恢復老化瀝青的黏彈組成。

由圖4b可知，隨著溫度升高車轍因子下降，表明溫度越高，瀝青抗車轍能力越差。在相同溫度下，3種瀝青的車轍因子從大到小依次為老化瀝青、再生瀝青、原樣瀝青，表明再生劑的加入會降低老化瀝青的抗車轍性能，但再生瀝青抗車轍性能仍舊優于原樣瀝青。

2.2.3 膠結料低溫性能 采用彎曲梁流變儀(BBR)測試瀝青在-12 ℃的低溫性能，通過瀝青抵抗恒載的能力的蠕變勁度與荷載作用下的瀝青勁度變化速率m值進行表征，測試結果見圖5。

圖5 瀝青彎曲梁流變儀測試結果

由圖5可知，瀝青老化后蠕變勁度顯著升高，蠕變速率顯著下降，表明老化使得瀝青硬化，低溫下更易開裂。隨著再生劑的加入，老化瀝青蠕變勁度下降，蠕變速率升高，表明再生劑改善了老化瀝青的低溫抗裂性能。

2.3 瀝青混合料性能

2.3.1 瀝青混合料高溫穩定性能 研究進行了60 ℃瀝青混合料車轍實驗，通過動穩定度指標表征了再生瀝青混合料、原樣瀝青混合料和老化瀝青混合料的高溫穩定性能。瀝青混合料級配采用前文所述的SMA-13。車轍實驗結果見圖6。

由圖6可知，再生瀝青混合料、原樣瀝青混合料和老化瀝青混合料的動穩定度分別為3 701,7 256，5 953次/mm。表明摻加再生劑對再生瀝青混合料抵抗車轍變形的能力不利，但再生瀝青混合料動穩定度高于規范值3 000次/mm，滿足路面使用要求。SBS改性瀝青混合料老化后高溫抗車轍能力降低，因為SBS在使用過程中發生老化分解，進而降低了混合料的抗變形能力。

圖6 瀝青混合料動穩定度

2.3.2 瀝青混合料低溫抗裂性能 瀝青混合料在低溫下易發生開裂，小梁低溫彎曲實驗的彎拉應變指標常用于表征瀝青混合料的低溫性能，彎拉應變越大表明低溫下混合料變形能力越好，越不容易發生開裂。研究測試了-10 ℃條件下再生瀝青混合料、原樣瀝青混合料和老化瀝青混合料的小梁彎曲變形，實驗結果見圖7。

圖7 瀝青混合料低溫彎拉應變

由圖7可知，再生瀝青混合料、原樣瀝青混合料和老化瀝青混合料的動穩定度分別為2 781，3 802，1 881 με，表明摻加再生劑改善了再生瀝青混合料低溫抗裂性能。《公路瀝青路面施工技術規范》中要求冬溫區改性瀝青混合料-10 ℃彎拉應變不低于2 500 με，老化瀝青混合料-10 ℃彎拉應變低于規范要求，再生瀝青混合可滿足規范要求。

3 結論

(1)植物油基降黏劑質量損失低于礦物油基降黏劑，優選了一種綠色可再生的植物油基降黏劑D。

(2)通過針入度指標確定了再生劑最佳摻量為4.5%，再生瀝青膠結料與混合料實驗表明，再生劑在4.5%摻量下可基本恢復老化瀝青性能至原樣瀝青水平。

(3)再生劑可部分恢復老化瀝青復數模量和相位角，再生瀝青車轍因子高于原樣瀝青。再生劑降低了老化瀝青低溫蠕變勁度，提高了老化瀝青勁度變化速率，改善了老化瀝青低溫抗裂性能。

(4)再生瀝青混合料高溫性能低于原樣瀝青水平，但可以滿足規范對于動穩定度的要求。再生劑改善了老化瀝青混合料的低溫抗裂性能，但還需進一步提升。