不同類型再生劑對老化瀝青再生效果對比研究*

張 宇，李 寧，詹 賀，鄒曉勇，唐 偉，王中原，于 新

（1河海大學 土木與交通學院，江蘇南京 210098；2 金華市公路管理局，浙江金華 321013）

在我國，資源短缺以及過度開采引發的環境問題已日益凸顯，經濟、社會的發展必須謀求與自然資源和生態環境的和諧發展［1-3］。瀝青路面養護面臨著基礎建設原材料緊缺與產生大量的廢舊路面材料（Recycled Asphalt Pavement，RAP）的多重矛盾，RAP的高效再生利用已成為道路交通發展的必然趨勢［4-5］。作為有機大分子材料，瀝青在儲存、拌和、攤鋪和長期服役過程中受到熱、氧及紫外照射等自然老化作用，化學組分之間的配伍性發生變化，路用性能不斷劣化，難以滿足使用要求。因此老化瀝青的性能恢復成為了RAP料高效再生利用的關鍵要素，老化瀝青性能恢復主要依靠再生劑對其化學組分和膠體結構進行調整，從而達到改善其性能的目的。

研究人員對老化瀝青的再生方法展開了大量研究。鄢然［6］采用普通再生劑對老化瀝青進行多次再生，結果表明普通再生劑只能補充瀝青中輕質組分，無法補充失效的SBS改性劑，再生瀝青的性能達不到新瀝青的水平。丁其宇［7］對比了H、S、G三種不同類型的再生劑，采用熒光顯微鏡對再生前后SBS改性瀝青的微觀相態進行分析，研究表明SBS改性瀝青有較好的抗老化能力，合適摻量的再生劑可以使再生瀝青性能滿足規范要求。然而，現行的《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG/T 5521-2019）對再生劑的要求較為模糊，市售再生劑均可以滿足其基本要求［8］。研究表明［9］，再生劑類型及摻量對再生瀝青混合料的路用性能具有較大的影響。如何評價與優選再生劑一直是道路養護單位面臨的難題。本研究選取4種不用類型的再生劑，從宏觀性能試驗和微觀分析的角度評價再生劑對老化瀝青的再生效果，并進行再生瀝青混合料路用性能驗證，最終形成再生劑評價體系。

1 試驗部分

1.1 原材料

1.1.1 新瀝青與老化瀝青

新SBS改性瀝青來自于南通通沙瀝青廠，瀝青等級為PG76-22。相關研究［10-11］表明瀝青在長時間服役過程中主要發生熱氧老化，延時旋轉薄膜烘箱熱氧老化（RTFOT）能較好的模擬路面瀝青的老化情況。采取RTFOT延時老化6 h［12-13］（R6）的方法制備老化瀝青，與原路面回收瀝青性能相近，以解決原路面回收老化瀝青質量偏少，瀝青質量不穩定的問題。新瀝青、模擬老化瀝青和現場回收瀝青的性能見表1。

表1 三種瀝青的三大指標和布氏黏度Table 1 Three indexes and brinell viscosity of asphalts

1.1.2 再生劑

選用四種不同廠家生產的再生劑，分別為A、B、C、D，再生劑的常規技術指標見表2。

表2 不同類型再生劑的常規技術指標Table 2 Conventional technical indicators for different types of regeneration agents

1.1.3 再生瀝青

結合實際工程中再生劑的應用摻量，在R6老化瀝青中分別加入質量分數為5%的A、B、C、D再生劑，在130 ℃的烘箱中保溫發育1 h后制得再生瀝青。

1.2 試驗方法

1.2.1 再生劑的抗老化試驗

再生劑的抗老化性能試驗依照《公路瀝青路面再生技術規范》（JTG/T 5521-2019）進行，主要包括再生劑老化前后的60 ℃旋轉布氏黏度和質量損失。

綜上所述，糖尿病并發肺結核診斷實行CT檢查的效果顯著，能充分發揮CT檢查多樣性的作用，大大提高干酪樣病變及空洞形成的診斷檢出率，值得在臨床領域中使用及推廣。

1.2.2 再生瀝青及混合料性能試驗

再生瀝青的三大指標、布氏旋轉黏度試驗，再生瀝青混合料的低溫和水穩定性依照JTG E20-2011規范進行。

1.2.3 紅外光譜試驗

采用島津IRTracer-100傅里葉變換紅外光譜儀對再生劑、再生瀝青進行紅外光譜掃描。

2 結果與討論

2.1 再生劑的耐老化性能

目前市面上的再生劑產品質量良莠不齊，部分再生劑的耐老化性能較差。美國、日本和我國的再生劑質量評價標準中，均采用了RFTOT或TFOT之后的殘留物質量變化、黏度比來評價再生劑的耐短期老化性質。短期老化前后再生劑的60 ℃布氏旋轉黏度試驗、殘留物質量變化試驗結果如圖1所示。

圖1 再生劑耐老化性能試驗結果Fig. 1 Test results of aging resistance of regeneration agent

從圖1可以看出，所選用的4種再生劑的殘留物質量變化和黏度比均能滿足規范對再生劑的技術要求，耐老化性能良好。相比于其他再生劑，D老化前的黏度最低，經短期老化后性能變化小，耐短期老化性能最好；A再生劑經短期老化后黏度變化較為明顯，表明抗短期老化能力較弱，但老化后的黏度仍較低，施工和易性良好；B、C再生劑的黏度比和質量變化基本一致，耐老化性能良好，但是C的黏度較大，施工和易性不佳。從再生劑的施工和易性和耐老化角度，推薦B、D再生劑。

由圖1也可以看出，再生劑的質量變化和黏度比具有相同的變化趨勢，質量變化較低的再生劑黏度比也較小。為了進一步量化兩者之間的關系，以質量變化為橫坐標，黏度比為縱坐標進行線性擬合，擬合結果如圖2所示。再生劑的質量變化與黏度比具有較好的線性相關性，R2可以達到0.96以上。這個規律可以由再生劑的組成來解釋，再生劑的主要成分為輕質油分，黏度越低的再生劑含有的輕質組分越多。然而輕質組分的抗老化性能較差，在熱氧短期老化作用下，輕質組分易揮發降解，導致再生劑的整體質量降低；大分子占比增加，最終引起再生劑體系的黏度和黏度比增加。質量比和黏度比在一定程度上可以反映再生劑的抗老化性能，然而隨著各種新材料應用于瀝青行業，再生劑的抗老化性能仍需與再生性能相掛鉤。

圖2 再生劑老化前后質量變化-黏度比關系圖Fig 2 Relationship between mass change and viscosity ratio of regeneration agent before and after aging

2.2 再生劑對老化瀝青的再生效果

新SBS改性瀝青、R6及相應再生瀝青的三大指標、布氏黏度試驗結果見表3。

表3 不同類型再生瀝青測試結果Table 3 Test results of different types of recycled asphalt

再生劑可以看作老化瀝青的軟化增塑劑，可以起到增大老化瀝青分子鏈之間的間距，稀釋并屏蔽大分子中的極性基團，減少分子間相互作用力的作用，使再生瀝青體系的黏度得以降低。從表3可知，加入等量再生劑后瀝青的針入度、5℃延度均顯著增加，軟化點和135 ℃黏度減低，表明再生瀝青的高溫性能降低，低溫性能有所改善。

四種再生瀝青中，A再生瀝青的針入度最低，軟化點下降幅度最小，再生劑A對提升5 ℃延度和降黏效果顯著，有效補充了老化瀝青缺失的輕質組分，增強瀝青的低溫延展性。D再生劑提升瀝青的針入度最為顯著，對提升5 ℃延度和降黏效果不明顯，不利于改善老化瀝青的低溫性能，且加入再生劑后軟化點下降較快。B、C對老化瀝青性能的恢復效果與A較為一致。根據再生劑對老化瀝青性能的提升效果，結果表明B再生劑性能較優，再生劑D性能處于中等水平。

2.3 紅外光譜結果分析

2.3.1 不同類型再生劑紅外光譜分析

為了分析不同類型再生劑存在的組分差異，參照文獻［14］中的相關分析方法，分別對四種不同再生劑進行紅外光譜掃描，紅外光譜圖如圖3所示。

圖3 不同再生劑紅外光譜圖Fig. 3 Infrared spectra of different regenerators

由圖3可以看出，4種再生劑中均含有芳環或雜環C-H原子吸收振動峰(3043.70cm-1)，CH2反對稱和對稱伸縮振動峰(2920.14cm-1及2851.75cm-1)，芳烴C=C鍵產生的峰位(1602.16cm-1)、烷烴CH3鏈的C-H彎曲振動(1453.16cm-1、1375.26cm-1)、氧上帶脂肪鏈的脂肪醚C-O伸縮振動峰(1157.67cm-1)、亞砜基(1032.32cm-1)、苯環上的-CH面外彎曲振動吸收峰(872.75cm-1、808.04cm-1、746.44cm-1、530.18cm-1)。

再生劑A出現了飽和脂肪酸酯的C=O鍵伸縮振動峰（1743.12cm-1），表明其飽和分含量較高；再生劑B、C、D出現了直鏈C=C雙鍵特征峰（963.47cm-1），表明再生劑中加入了少量SBS或者SBR膠乳，補充了部分失效的SBS改性劑；B、C再生劑含有明顯的烴基N-H伸縮振動峰（3426.30cm-1），再生劑中可能加入了一定的胺類抗剝落劑。根據官能團分析得到4種再生劑的主要組分見表4。

表4 再生劑主要組分Table 4 Main components of regeneration agent

由表4可以看出，4種再生劑的的組分有所差異，但總體上是以芳香分、飽和分和膠質為主。相關研究［15］表明，選擇再生劑時不能偏向于芳烴油含量大的再生劑，膠質含量大的低粘度油料具有更好的再生效果和熱穩定性。再生劑A則屬于此類型，再生效果良好。因此，根據再生劑組分分析推薦A、B再生劑。

2.3.2 不同類型再生瀝青紅外光譜分析

不同類型再生瀝青的紅外光譜圖如圖4所示。

圖4 再生瀝青與新瀝青紅外光譜Fig. 4 Infrared spectra of recycled asphalt and new asphalt

再生瀝青的紅外光譜顯示，再生瀝青與新瀝青的特征峰位置基本一致，再生瀝青的特征峰吸收強度趨于新瀝青，表明4種再生劑均可以補充老化瀝青缺失的輕質組分。再生劑的主要作用是還原老化瀝青性能，鑒于再生劑生成條件較為復雜，建議以飽和分、芳香分含量為參考指標，根據再生瀝青的三大指標優選再生劑，同時需要保證施工和易性、滲透性好等要求。

2.4 不同類型再生劑對再生混合料性能的影響

將再生劑按照現場施工過程的添加流程，對老化瀝青混合料進行再生，并進行低溫彎曲小梁和凍融劈裂強度試驗，評價不同再生劑對老化瀝青混合料低溫性能和水穩定性的改善效果。試驗結果見表5。

表5 不同再生瀝青混合料低溫性能、水穩定性試驗結果Table 5 Test results of low temperature performance and water stability of different recycled asphalt mixtures

從再生瀝青混合料恢復效果來看，與前文再生劑對老化瀝青性能恢復的規律基本一致。添加再生劑可以在一定程度上恢復老化瀝青瑪蹄脂的性能，改善老化瀝青混合料的低溫性能和水穩定性。但是與新瀝青混合料相比，再生料的性能仍有一定的差距，因此后續研究中仍需不斷研發高滲透性再生劑，促進老化瀝青的有效再生，提升SMA再生瀝青混合料的質量。

2.5 再生劑性能綜合評價方法

綜合考慮再生劑評價因素：熱穩定性、施工和易性、對老化瀝青的恢復情況、官能團成分分析，得到再生劑的綜合性能排序，見表6。

表6 再生劑評價排序Table 6 Ranking of regeneration agents

通過對4種再生劑進行5方面的性能評價，確定再生劑B對老化瀝青的綜合再生效果最優。再生劑A雖然對老化瀝青具有較好的恢復效果，但是考慮到其熱穩定性和施工和易性較差，在施工時不易控制質量。因此，在進行再生劑評價時，熱穩定性和施工和易性可以作為再生劑初步篩選過程，著重對比對老化瀝青和混合料的再生效果，必要時采用紅外光譜分析濁定其組分。本評價方法可以為后續再生劑的優選與研發提供理論參考。

3 結論

（1）再生劑宏觀性能和微觀試驗結果表明，含有改性組分的再生劑再生效果較好，再生劑選擇時需要同時兼顧再生瀝青和再生瀝青混合料的性能。

（2）通過對4種不同再生劑的性能多方面分析，形成了一套簡單評價再生劑再生性能的方法，然而不同類型再生劑的長期作用效果仍需不斷加強應用觀濁。