沥青再生剂相容渗透性能评价综述

卢均垚

摘要 随着我国公路网的逐步完善，公路建设的方向逐渐转变为对路面的养护和维修。废旧沥青混合料的再生技术具有良好的经济和环境效益，沥青再生剂的相容渗透性对再生沥青混合料的性能起着显著作用。文章基于已有研究成果，从宏观和微观两方面阐述了再生剂相容渗透性的性能评价方法，研究表明宏观评价方法具有局限性，微观评价方法更可靠，复合评价将成为新的研究趋势。

关键词 再生剂;相容渗透性;评价方法

中图分类号 U414 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）03-0123-03

0 引言

废旧沥青混合料的热再生技术是指将废旧沥青混合料预热后，再与一定比例的再生剂、新沥青和新集料进行拌合，但实际生产过程中，搅拌时间短，再生剂与老化沥青无法有效渗透混溶，导致再生剂对老化沥青的再生效果较差，再生沥青混合料的路用性能不佳，限制了废旧沥青混合料的再生利用。

近年来，大量的研究者在再生剂与老化沥青的相容渗透性评价方法取得一些成果，但是无法真实准确反映再生剂与老化沥青的相容渗透性，仍存在一些问题：一是传统的宏观评价方法一定程度上能间接表征再生剂在老化沥青中的相容渗透性，但仍存在局限性和不足，不能较为理想地反映再生剂在老化沥青中的相容程度和融合过程;二是以Fick扩散定律、对流传质理论和分子动力学为主导的再生剂与老化沥青相容渗透性评价方法效果不好;三是分层抽提法、动态剪切流变实验和傅里叶红外全反射光谱等成熟的评价方法难以真实地模拟再生剂在实际使用过程中的相容渗透作用，目前缺少切实有效的实验方法对再生剂的渗透性能进行评价，对废旧沥青混合料的再生利用所提供的指导有限。

1 研究背景及意义

世界已筑高速公路中，沥青路面占比达80%以上，我国高速公路里程截止到2020年已达16.1万km，图1为2020年全国公路里程分技术等级构成。沥青路面占比更是高达90%[1]。国家公路网规划至2030年，我国的公路总里程将会达到40.1万km[2]。

图1 2020年全国公路里程分技术等级构成

（数据来源：2020年交通运输行业发展统计公报）

目前，我国仍然投入大量人力财力建设沥青路面。同时，沥青路面随使用年限增加，会出现各种病害，很多前期建成的沥青路面已经进入养护维修阶段。随着使用时间的增加，沥青路面会出现各种病害，需要大量的资源进行修复，而且由于价格的不断上涨，道路养护的投入也需要增加。同时，处理废料的成本增加，环境受到严重污染，生态问题将越来越严重[3-4]。

对于旧沥青路面的修复，一般是先将要修复的区域刨除，然后将搅拌好的沥青混合料铺设在上面。在此过程中，大量废料的产生，不仅会对环境造成严重的污染，也会浪费资源。沥青路面修复需要重新使用新石料，增加了维护成本，破坏了生态环境。合理应用废旧沥青混合料回收利用技术可以有效解决这些问题。废旧沥青混合料回收利用技术是将铣刨得到的旧沥青材料与新骨料、新沥青和再生剂按一定比例均匀混合，得到满足道路性能的新沥青混合料，并重新铺筑成沥青路面以正常使用[5]。

沥青路面回收技术不仅可以处理和回收废旧沥青，还可以减少新石开采量，保护环境，减少资源消耗，是一种绿色环保的施工技术。据美国联邦公路管理局（FHWA）的数据调研统计，废旧沥青混合料的合理回收利用，可节省53.4%的材料成本、25%的路面成本和50%的沥青，具有良好的经济和环境效益。

废弃沥青混合料有效利用的核心是如何恢复老化沥青，甚至超越新沥青的性能，再生剂是其中的关键。再生剂优异的相容渗透性是决定再生沥青和再生沥青混合料性能的前提，将显著影响再生沥青路面最终的性能。再生剂与老化沥青的相容渗透性评价方法是废弃沥青混合料再生过程中的研究重点，对沥青路面再生技术具有重要意义。

2 国内外研究成果

目前，评价再生剂与老旧沥青相容渗透性的过程可简要概述为以下两个过程：先将再生剂与老化沥青充分剪切均匀后，得到再生沥青，再测试再生沥青的物理性能、流变性能以及化学组分变化来评价再生剂的相容渗透性。主要分为宏观评价方法和微观评价方法。

2.1 宏观评价方法

欧阳自强等[6]研究了以60 ℃粘度、针入度、软化点和延度作为评价指标，综合反映再生剂对老化沥青的再生效果，进一步评价再生剂与老化沥青的相容滲透作用和均匀程度。况栋梁[7]基于Fick扩散定律，将老化沥青与沥青再生剂置于一定温度下恒温保温，促进再生剂渗透进入老化沥青内部，通过测试老化沥青再生前后的针入度变化来表征再生剂的渗透性能。

有研究学者将老化沥青的再生认为是再生剂对老化沥青的活性激发过程，由于老化沥青混合料与再生剂搅拌均匀后难以分离，采用4.75 mm的洁净碎石作为旧集料，13.2 mm表面洁净光滑、无裂纹的卵石作为新集料，进行模拟新旧集料在老化沥青再生前后的沥青胶浆转移率和老化沥青的激活率，利用沥青胶浆转移率和老化沥青的激活率评价再生剂的相容渗透性。成志强等[8]提出通过计算废旧沥青混合料再生前后有效沥青膜厚度评价再生剂对老化沥青混合料相容渗透性的方法，通过再生混合料构成分析进行有效沥青公式推导，计算废旧沥青混合料中的有效沥青含量，并采用比表面积系数法计算废旧沥青混合料的有效沥青膜的厚度来评价再生剂对老化沥青的相容渗透性。李晓民[9]测试老化沥青再生前后的动态剪切流变性质，利用老化沥青再生前后的复数模量、车辙因子、拉伸强度、蠕变柔量和动态模量等指标的变化间接评价再生剂对老化沥青的相容渗透作用。

有国外研究学者利用分层抽提方法研究对再生剂向老化沥青内部渗透的行为进行研究：先在沥青混合料搅拌锅中将再生剂与预热至一定温度下的废旧沥青混合料拌和均匀后，再将拌和均匀的沥青混合料依次在不同质量的三氯乙烯中浸泡一定时间，然后将溶解的老化沥青蒸馏回收，测试不同回收阶段老化沥青再生前后的粘度变化，以评价再生剂向老化沥青内部的渗透扩散作用。

2.2 微观评价方法

将正十二烷、十二烷酸和联苯硅烷等有机物质作为标记物，采用削弱总反射傅里叶变换红外光谱判断再生剂分子性质，并根据扩散分子的尺寸大小、扩散分子的极性等作为再生剂相容渗透性的评价指标。有国外研究学者将动态剪切流变和斯托克爱因斯坦方程结合起来，以研究再生剂对老化沥青内部的渗透行为进行模拟。利用示踪剂将沥青染成颜色，研究了在混合时间和混合温度条件下，再生剂对老化沥青的相容渗透作用。借助荧光剂的显色效应，观察了紫外光条件下再生剂在马歇尔标本中的渗透和扩散。

再生剂对老化沥青的再生作用，会形成老化沥青和再生沥青的混合界面，新旧沥青的微观形貌存在一定差异。沥青相图由蜂状结构、平坦区和分散区三部分组成，沥青老化过程中，分散区面积增大，而平坦区面积相应减小。Nazzal等利用原子力显微镜（AFM）观察再生剂对老化沥青的蜂状结构、平坦区和分散区的改善效果，观察新、旧沥青的微观形貌，研究新—旧沥青融合的微观差异性沥青。借助AFM可以观察再生剂与老化沥青融合的融合区域及过渡区域，进而可知融合范围及程度，是一种量化再生剂相容渗透作用的途径。Castorena等将TiO2作为老化沥青再生后的示踪剂，经过磨细处理后加入再生剂中，对老化沥青进行再生。借助扫描电镜（SEM）和能谱分析技术（EDS）研究了老化沥青和再生沥青的混溶区间图。同时，将试样进行研磨、超声和抛光等处理，制备成一定尺寸的试件，并对试件进行导电处理，基于碳和钛的质量比差异对比老化沥青再生前后的差异，以评价再生剂对老化沥青的相容渗透性。赵占立[10]使用环烷酸钴作为示踪剂对再生沥青进行标记，并利用扫描电子显微镜（SEM）观察示踪剂在老化沥青中的分散情况，以评价再生沥青在老化沥青中的分散和渗透情况。

有研究学者对Flory-Huggins方程进行修正，计算得到了不同类型的再生剂与不同种类的老化沥青的混合自由能，结合混合自由能讨论了不同类型的再生剂与不同种类的老化沥青之间的渗透行为，实验结果表明，老化沥青再生后自由能为负值时，再生剂能比较容易地渗透进入老化沥青内部，反之则比较困难;再生剂和老化沥青二者的溶解度相近时，两者相容性较好，与相容性理论相符合。

研究学者基于凝胶渗透色谱和傅里叶变换红外光谱能对沥青中官能团进行识别这一原理，研究了老化沥青再生前后的识别性官能团羰基和亚砜基含量的变化，分析了沥青各层中羰基与C=C的比例，老化沥青再生后，羰基和亚砜基含量下降，根据老化沥青再生后羰基和亚砜基含量的变化程度评价再生剂的相容渗透性。Vassaux等借助红外显微镜，基于羰基空间分布的统计学处理定量评估再生沥青与老化沥青的混溶状态。该评价方法具有无损特点，不改变原沥青试样的结构，但在评价再生剂相容渗透性应用方面成果较少，亟待进一步研究。

3 建议

宏观评价方法在一定程度上能间接评价再生剂在老化沥青中相容渗透性能的优劣，但具有局限性。如何从微观尺度研究再生剂与老化沥青的相容渗透性和混溶效果已经成为新的热点。

射傅里叶变换红外光谱（FTIR-ATR）可以定量分析老化沥青的识别性官能团（羰基、亚砜基等）的含量，进而评价再生剂与老化沥青的渗透、混溶情况，反映再生剂对老化沥青的相容渗透性。分层抽提技术结合凝胶渗透色谱可以观察再生剂分子在老化沥青中的迁移深度，评价再生剂对老化沥青的渗透性能。利用原子力显微镜（AFM）观察沥青微观表面形貌，能够表征再生剂与老化沥青之间混合区域。建议在考虑上述技术的基础上，在再生剂中加入化学标记物质，如TiO2，利用AFM图像及能谱仪定量分析化学标记物质在老化沥青中的扩散、分布情况，研究再生剂与老化瀝青内在作用规律，并且定量分析沥青表面微观结构同宏观流变性能的关系，准确掌握新—旧沥青混合程度及分布均匀性对再生沥青性能的影响。借助数学手段，如统计学、神经网络，可以不改变沥青原有结构，更为准确地反映再生剂与老化沥青内在作用规律。同时在大数据背景下，将再生剂与老化沥青渗透、混溶效果与再生沥青混合料路用性能联系起来，能大量减少配合比设计、优化、验证工作量，对预测再生沥青路面性能起到积极作用。

再生剂在老化沥青中的扩散机理、扩散模型及量化相容渗透性的方法有待进一步研究，为废旧沥青混合料的再生利用提供理论指导。

4 结语

（1）通过在沥青混合料中掺加再生剂，可以改善老化沥青相容渗透性能，同时对提高废旧沥青混合料的循环利用具有重要意义，研究者从宏观、微观层面进行了大量研究，但再生剂在老化沥青中具体的扩散行为和混溶行为尚不清楚，有待进一步研究。

（2）宏观方法评价再生剂对老化沥青的相容渗透性能具有局限性和片面性，微观评价方法成为研究趋势。分层提取、凝胶渗透色谱、傅里叶红外光谱、扫描电镜、示踪法和原子力显微镜等方法能有效评价再生剂的相容渗透性。

（3）扫描电镜和能谱分析技术结合，示踪法和原子力显微镜结合，凝胶渗透色谱和傅里叶红外光谱结合等复合评价方法较单一评价方法更能从微观反映再生剂对老化沥青的相容渗透行为。

（4）红外扫描电镜和分子动力学模拟对再生剂在老化沥青相容渗透性研究成果较少，继而可以进一步研究，形成量化相容渗透性的新方法和新理论。

参考文献

[1]冷滨滨.废食用植物油对老化沥青物理化学及流变性能的影响[D].武汉：武汉理工大学，2014.

[2]乔望.《国家公路网规划（2013年—2030）年》发布[J].交通世界，2013（13）：24-25.

[3]况栋梁.渗透型再生剂的制备及其对再生沥青及混合料性能的影响[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[4]董平如，沈国平.京津塘高速公路沥青混凝土路面就地热再生技术[J].公路，2004（1）：123-130.

[5]柴子钦.大掺量RAP厂拌热再生沥青混合料路用性能研究[D].重庆：重庆交通大学，2017.

[6]欧阳自强，朱建勇，袁泉，等.沥青再生剂性能研究与评价[J].中外公路，2016（5）：294-299.

[7]况栋梁，余剑英，蔡正文，等.再生剂对不同老化程度沥青再生性能的影响[J].公路，2011（5）：153-157.

[8]成志强，陈先勇，陈辉强，等.RAP中有效沥青膜厚度测定[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2012（6）：1149.

[9]李晓民，魏定邦，姚志杰，等.再生剂对老化沥青流变性能和微观结构的影响[J].建筑材料学报，2018（6）：992-999.

[10]赵占立.基于示踪法再生混合料中新旧沥青微观混合状态的研究[D].广州：华南理工大学，2016.