老化瀝青再生性能的影響因素研究

陳鎮熙

（福建農林大學金山學院，福建 福州 350002）

隨著我國經濟實力的提高，道路交通工程正在飛速發展，截止目前，我國道路的總里程已經躍居全球第一，其中大多公路都是瀝青路面[1]。瀝青路面表面平整，銜接無縫隙，是一種柔性路面，車輛行駛時，產生的震動較小，噪音較低，同時，瀝青路面的耐磨性強，不易起塵，易于清洗，且瀝青路面的施工時間較短，養護維修方便易行，且擁有一定的可再生和自愈性能，被廣泛使用在各種等級的道路建設中[2]。然而，按照瀝青路面的設計服役年限而言，瀝青路面可服役15年，但在外界各種影響因素的交互作用下，絕大部分的瀝青路面在使用到10年左右后就需要大面積的維護和重構[3]。在瀝青路面的維護過程中，由于需要對損壞的廢棄的路面進行刨除，會產生大量的混合瀝青的廢棄物，會對環境造成巨大的破壞和資源的浪費[4]。

瀝青是從石油中提取的，由許多種類的碳氫化合物和某些有機衍生物組成的高粘度有機液體，常態下是以液態或半固態的形式存在，是一種防水防潮的有機材料[5]。近年來，隨著現在膠體結構理論更新，認為瀝青是一種以飽和酚和芳香酚類為主要的分散介質，瀝青質作為膠核，表面有著少量膠質吸附的膠體分散體系[6]。瀝青的老化過程是指瀝青在存儲、運輸或服役過程中，受到外界各種因素如載荷、溫度等的交互作用，使得瀝青內部分子結構等發生變化，進而導致瀝青物理化學性質發生改變，降低瀝青的耐用性[7]。而瀝青的再生過程，顧名思義，是瀝青老化的逆過程，是在向老化瀝青中添加一些再生劑，使得老化瀝青的形狀逆轉，到恢復部分甚至全部功能的過程[8]。從現代膠體理論而言，向老化瀝青中加入的再生劑會提高其對瀝青質的溶解能力，使得老化瀝青的成分向基質瀝青的成分靠近，達到再生的目的[9]。

本文對影響再生瀝青的自愈合性能和疲勞壽命的因素進行實驗分析，目前國內外對瀝青路面的研究重點在于對瀝青進行改性或研究瀝青的新型再生劑，對于再生瀝青本體的研究較少。再生瀝青的應用可以延長老化的瀝青路面的服役年限，本實驗采取控制變量法，對老化瀝青進行再生處理后，將其控制在疲勞-自愈-疲勞狀態，分析其自愈性能和疲勞壽命的影響因素和影響程度，對實際的瀝青路面的再生處理有著一定的意義。

1 試驗部分

1.1 原材料

采用70#基質瀝青為實驗樣本，通過在壓力老化容器處理和旋轉薄膜加熱處理達到對瀝青的老化的過程。本實驗通過控制不同時間的旋轉薄膜加熱試驗處理和壓力老化容器處理得到三種狀態下的老化瀝青，分別是老化90min和180min的70#R90、70#R180，和通過壓力老化容器處理的70#P。再生劑選用商用的GL-10、HL-5和FT-1。具體性能見表1、表2。

表1 基質瀝青和老化瀝青的性能指標Table 1 Performance indicators of matrix and aged bitumen

表2 三種再生劑的性能指標Table 2 Performance indexes of the three regenerators

1.2 試驗方法

為使再生瀝青處于疲勞-愈合-疲勞的狀態，使用動態剪切流變儀對再生瀝青進行應變加載實驗，應變加載為6%，應變加載速度為60km/h，應變加載頻率為12Hz。

1.3 疲勞壽命評價

本文采用Nf50法[10]對再生瀝青的疲勞壽命進行評價，即采用疲勞實驗中，實驗模量等于初始模量的一半時的作用次數為疲勞作用次數，公式為：

1.4 自愈合效果評價

以再生瀝青的動態剪切模量的變化情況為基礎，采用公式[11]（2）評價瀝青自愈合效果。

2 結果與分析

2.1 自愈合溫度與時間的關系

利用公式（2）對老化瀝青的自愈合性能進行計算，采用70#R180為樣本，分別在40℃、60℃和80℃時進行試驗，每組溫度都在10min、20min、40min和60min時取點，以此來研究老化瀝青的自愈合溫度和時間對自愈效果的影響，試驗所得的數據如圖1所示。

圖1 不同溫度下70#R180自愈度隨愈合時間的變化Fig.1 Self-healing degree of 70#R180 as a function of healing time at different temperatures

從圖1中可知，隨著試驗溫度的增加再生瀝青的自愈性也在正比增強，且隨著試驗時間的增加自愈性也有小幅度的升高，直到40min時達到穩定值。高溫促進再生瀝青的自愈合性能的原因可能是溫度影響了瀝青的流動性，高溫下的瀝青流動性較好，能夠更大地發揮再生劑的性能。

2.2 疲勞壽命與時間的關系

使用公式（1），采用70#R180為樣本，利用Nf50法研究時間對再生瀝青的疲勞壽命的影響，試驗溫度設定三個梯度，分別是40℃、60℃和80℃，實驗所得結果如圖2所示。

圖2 不同溫度下70#R180愈合時間與疲勞壽命關系Fig.2 Relationship between healing time and fatigue life of 70#R180 at different temperatures

查閱文獻可知，在不考慮再生瀝青的自愈效果時，再生瀝青的疲勞壽命一般為2.25×104次。在本次試驗中，考慮到再生瀝青的自愈效果，從圖2中可知，自愈時間和再生瀝青的疲勞壽命成正比關系，即自愈時間越長，疲勞壽命越長，且溫度的升高也會延長再生瀝青的疲勞時間。這個現象產生的原因可能是不同溫度下的再生瀝青的初始狀態下的剪切模量不同，在疲勞試驗的結果中就表現為不同的疲勞壽命。

2.3 老化程度與自愈度的關系

使用再生劑GL-10對三種瀝青70#R90、70#R180、70#P進行再生處理，得到三種再生的老化瀝青，對其編號分別命名為R70#R90、R70#R180、R70#P。設定實驗的溫度為40℃，試驗時間設定為20min，將初始狀態下的剪切模量作為損傷程度，設定損傷程度為20%、40%、50%和60%，計算此時再生瀝青的自愈情況和疲勞壽命，用來研究老化程度和自愈度的關聯，實驗結果如圖3所示。

圖3 不同老化程度下的各種瀝青損傷程度與自愈度關系Fig.3 Relationship between damage degree and self-healing degree of various asphalt under different aging degree

從圖3可知，所有的再生瀝青和老化瀝青隨著損傷程度的增大都顯示出反比降低的趨勢，且再生瀝青的自愈度要明顯比老化瀝青的自愈度要高。出現這種情況的原因可能是隨著瀝青老化程度的增加，瀝青膠體的破壞也越徹底，那么再生劑對瀝青的修復作用也就有著很大的限制。

2.4 再生劑種類與摻量的影響

采用三種不同的再生劑GL-10，HL-5和FT-1，對70#R90號瀝青進行再生處理，選取四組不同的添加量5%、6%、7%和8%，再生處理時間統一為20min，損傷程度也統一設定為50%，得到的實驗結果如圖4所示。

圖4 不同再生劑不同摻量下與疲勞壽命關系Fig.4 Relationship between fatigue life and different dosage of regenerating agent

由圖4可知，三種不同的再生劑對老化瀝青都有著再生功能，且隨著再生劑用量的增加，老化瀝青的自愈度和疲勞壽命都有著大幅度的提高。然而，三種添加劑中，HL-5對老化瀝青的再生作用比較明顯，而GL-10對老化瀝青的再生增大趨勢較小。結合對三種再生劑性能指標的分析，認為流變性能最大的HL-5，對老化瀝青的再生性能有著較大的增幅。

3 結論

綜上，影響老化再生的因素有：自愈合時間和自愈合溫度；再生劑的種類和再生劑的添加量；老化瀝青的老化程度。其中，自愈合溫度越高，老化瀝青的自愈合速度越快，自愈合時間越久老化瀝青的自愈合效果越好，然而過高的溫度和過長的時間對老化瀝青的自愈合性能并沒有更大的增強，且有著輕微的反作用。老化瀝青的損傷程度越高，自愈合速度越慢，當損傷程度超過50%時，自愈合速度有著大幅度的下降。不同種類的再生劑對老化瀝青的再生性能也有著很大的影響，流變性越好的再生劑對老化瀝青的再生性能的增幅也越大，且當添加量不超過8%時，添加量越大再生性能越高。總結來看，自愈合溫度和再生劑的種類對老化瀝青自愈合性能影響最大。