植物油再生老化沥青胶结料性能研究

曹雪娟，胡森，曹芯芯，毛鑫勃

(1.重庆交通大学 交通土建工程材料国家地方联合工程实验室，重庆 400074；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；3.重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074)

沥青路面的改造和维修会产生大量废旧混合料(RAP)，RAP的回收利用目前是各国研究的热点。RAP在新建路面中的应用具有较好的经济和环境效益[1]。但是，过高RAP掺量会降低再生沥青混合料的疲劳性能和水稳定性[2]。

Majid等研究表明，煎炸植物油再生沥青与未老化沥青路用性能没有明显差异[3]。张磊等发现植物油再生沥青相比矿物油再生沥青具有更好的低温抗裂性能[4]。龚明辉采用生物柴油副产物油再生老化沥青，研究表明老化沥青流变性能得到较好的改善[5]。张东评价了不同老化程度的植物油对老化沥青流变性能的影响，研究表明不同老化程度的植物油再生沥青性能存在明显差异[6]。植物油作为沥青再生剂具有较好的应用潜力，但是不同工艺处理后的植物油再生沥青性能存在明显差异。

本研究选择我国常见的三种植物油和一种矿物油再生剂，通过三大指标、流变性能和红外光谱，考察不同再生剂对老化沥青的再生效果。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

新鲜大豆油(X)；煎炸大豆油(J)；生物柴油副产物油(S)；传统矿物油再生剂(C)；东海AH-70号沥青(基质沥青)；老化沥青，由AH-70沥青制备(参照T 0610—2011沥青旋转薄膜加热试验(RTFOT)和T 0630—2011压力老化容器加速沥青老化试验(PAV))，性能见表1。

表1 基质沥青与老化沥青性能指标Table 1 Properties of virgin bitumen and aged bitumen

TA-315动态剪切流变仪(DSR)；ZH-123针入度仪；R-416软化点仪；SYD-4508C延度仪；ZY-412高速剪切机；101-4A压力老化容器；85型旋转薄膜烘箱；FTIR-650红外光谱仪。

1.2 实验方法

将老化沥青加热至135 ℃，分别掺入0，3%，6%，9%，12%(与老化沥青的质量比计)的再生剂X、J、S、C，通过剪切试验机以4 000 r/min的速率剪切10 min，制备再生沥青。以再生沥青的针入度恢复至基质沥青水平确定最佳再生剂掺量，对最佳掺量下再生沥青的延度、软化点、流变性能进行测试。采用红外光谱仪测试分析4种再生剂的官能团组成，以及最佳再生剂掺量下再生沥青的官能团组成，通过特征官能团的变化分析再生机理。

2 结果与讨论

2.1 三大指标

2.1.1 针入度 不同再生剂掺量下的再生沥青的25 ℃针入度见图1。

图1 不同再生剂掺量下的再生沥青针入度Fig.1 The penetration of rejuvenated asphalt with different dosage of rejuvenator

由图1可知，再生沥青的针入度随着再生剂的掺量线性增加，不同再生剂对再生沥青针入度的作用效果存在差异，三种植物油对再生沥青的针入度影响作用均大于矿物再生剂，其中以新鲜大豆油的再生效率最高。以老化沥青针入度恢复至基质沥青水平为标准，确定再生剂的最佳掺量，得到新鲜大豆油(X)、煎炸大豆油(J)、生物柴油副产物油(S)、矿物油再生剂(C)的最佳掺量分别是4%，4.5%，6.5%，9%。

2.1.2 延度 延度越大意味着沥青的低温抗裂性能越好。基质沥青、老化沥青和最佳再生剂掺量下再生沥青的延度测试结果见图2。

图2 基质、老化与再生沥青延度Fig.2 Base，aging and recycling asphalt ductility

由图2可知，新鲜大豆油(X)、煎炸大豆油(J)、生物柴油副产物油(S)、矿物油再生剂(C)再生沥青的延度分别是8，12，5，12 cm，老化沥青的延度是4.0 cm，表明植物油和矿物油再生剂均提高老化沥青延度，改善老化沥青低温抗裂性，其中煎炸大豆油和矿物油再生剂再生效果最好，新鲜大豆油次之，生物柴油副产物油再生效果最差。

2.1.3 软化点 软化点越高，抗车辙能力越好，反之，抗车辙能力越差。基质沥青、老化沥青和再生沥青的软化点见图3。

图3 基质、老化与再生沥青软化点Fig.3 Matrix，aging and recycled asphalt softening point

由图3可知，在最佳再生剂掺量下，4种再生沥青与基质沥青软化点相近，但均明显低于老化沥青。这表明再生剂的加入降低了老化沥青的高温性能，但均不差于基质沥青。

2.2 流变性质

2.2.1 复数模量与相位角 高温时，复合模量G*越大，则表示沥青的劲度越大，抗流动变形能力就越强；沥青的相位角δ越大，表示沥青的粘性成分越多，也就是沥青的不可恢复变形越大，沥青越容易产生永久变形，反之沥青的δ越小，则沥青的弹性性能越强，弹性恢复性能就越好。图4为基质、老化与再生沥青在不同温度下的复数模量与相位角。

图4 基质、老化与再生沥青温度扫描结果Fig.4 Temperature scanning results of substrate， aging and recycled asphalt

由图4可知，随着温度的升高，沥青的复合模量逐渐降低，相位角逐渐增加，表明沥青粘性成分逐渐增多，而弹性成分逐渐减少，抗变形能力降低。在相同温度下，老化沥青复数模量最大，表明沥青老化后弹性成分增加，抗变形能力提高。随着再生剂的加入，老化沥青相位角增加，复数模量降低，且不同再生剂再生沥青的复数模量和相位角存在明显差异，表明再生剂对老化沥青的粘弹组分的恢复效果是不同的。生物柴油副产物油(S)可恢复老化沥青复数模量至基质沥青水平，但4种再生剂均不能恢复老化沥青相位角至基质沥青水平。

2.2.2 车辙因子 沥青的车辙因子G*/sinδ越大，高温时的流动变形越小，抵抗车辙的能力越强。图5为不同温度下基质沥青、老化沥青和再生沥青的车辙因子。

由图5可知，随着温度升高，沥青车辙因子降低，沥青抗车辙能力下降。在温度低于60 ℃时，在相同温度下老化沥青车辙因子最大，表明沥青老化作用提高了沥青抗车辙能力。加入再生剂后再生沥青车辙因子均低于老化沥青，表明再生剂的加入对沥青高温稳定性是不利的。矿物油再生剂(C)再生沥青与基质沥青的车辙因子随温度变化趋势基本一致，表明矿物油再生剂恢复了老化沥青的高温稳定性和温度敏感性。生物柴油副产物油(S)再生沥青比其它再生剂再生沥青的车辙因子更高，因而生物柴油副产物油对再生沥青高温稳定性损害最小。

图5 不同温度下基质沥青、老化沥青与再生沥青车辙因子Fig.5 Rutting factors of asphalt，aging asphalt and recycled asphalt at different temperatures

2.3 红外光谱分析

2.3.1 再生剂红外光谱分析 生物柴油副产物油(S)、煎炸植物油(J)、新鲜植物油(X)、矿物油再生剂(C)红外光谱见图6。

图6 再生剂红外光谱图Fig.6 Regenerative infrared spectroscopy

2.3.2 再生沥青红外光谱分析 一般认为老化沥青加入再生剂后，羰基与亚砜基官能团吸收强度减弱[7]，式(1)、式(2)常用于计算沥青再生前后羰基与亚砜基吸收强度指数的变化。

(1)

(2)

式中A1——碳碳单键峰区(以1 410～1 510 cm-1为中心)面积；

A2——亚砜基峰区(以930～1 080 cm-1为中心)面积；

A3——羰基峰区(以1 670～1 750 cm-1为中心)面积。

图7为基质沥青、老化沥青和不同再生剂再生沥青在亚砜基(930～1 080 cm-1)和羰基(1 670～1 750 cm-1)处的红外光谱图。

图7 基质沥青、老化沥青与再生沥青特征官能团红外光谱图Fig.7 Infrared spectra of functional groups of base asphalt， aging asphalt and recycled asphalt

由图7可知，沥青老化后羰基与亚砜基官能团吸收强度显著增加，表明沥青老化后形成极性较强的含氧化合物。加入4种再生剂后老化沥青亚砜基官能团吸收强度减弱，羰基官能团吸收强度因再生剂种类而不同。

表2为基质沥青、老化沥青与再生沥青羰基与亚砜基强度指数。

表2 基质沥青、老化沥青与再生沥青特征官能团强度指数Table 2 Strength index of characteristic functional groups of base asphalt，aging asphalt and recycled asphalt

由表2可知，4种再生剂均降低了老化沥青中亚砜基的强度指数，3种植物油再生剂X、J、S对亚砜基的降低效果与其掺量呈正比。矿物油再生剂C掺量最高，对亚砜基的降低效果并不十分明显，因为C中含有少量亚砜基。老化沥青中羰基在加入再生剂后强度指数呈现不同变化趋势，加入植物油再生剂X、J、S后羰基含量增加，加入矿物油再生剂C后羰基含量降低，因为植物油含有大量羰基，而矿物油基本不含羰基。

3 结论

(1)老化沥青针入度恢复至基质沥青水平时的再生剂新鲜大豆油(X)、煎炸大豆油(J)、生物柴油副产物油(S)、矿物油再生剂(C)的最佳掺量分别是4%，4.5%，6.5%，9%。4种再生剂均可提高老化沥青延度，但会降低其软化点。

(2)4种再生剂对老化沥青复数模量和相位角的恢复作用存在差异，生物柴油副产物油(S)可恢复老化沥青复数模量至基质沥青水平，但4种再生剂均不能恢复老化沥青相位角至基质沥青水平。4种再生剂均降低了老化沥青的高温抗车辙性能。

(3)新鲜大豆油(X)、煎炸大豆油(J)、生物柴油副产物油(S)3种植物油相比矿物再生剂具有环保性，因为植物油不含致癌性的稠环芳烃。沥青老化后生成强极性的羰基和亚砜基，加入4种再生剂后老化沥青亚砜基含量均降低。羰基含量因再生剂种类而发生不同变化，因为植物油本身含有大量羰基，矿物油再生剂降低羰基含量，植物油增加羰基含量。