瀝青再生劑相容滲透性能評價綜述

盧均垚

摘要 隨著我國公路網的逐步完善，公路建設的方向逐漸轉變為對路面的養護和維修。廢舊瀝青混合料的再生技術具有良好的經濟和環境效益，瀝青再生劑的相容滲透性對再生瀝青混合料的性能起著顯著作用。文章基于已有研究成果，從宏觀和微觀兩方面闡述了再生劑相容滲透性的性能評價方法，研究表明宏觀評價方法具有局限性，微觀評價方法更可靠，復合評價將成為新的研究趨勢。

關鍵詞 再生劑;相容滲透性;評價方法

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）03-0123-03

0 引言

廢舊瀝青混合料的熱再生技術是指將廢舊瀝青混合料預熱后，再與一定比例的再生劑、新瀝青和新集料進行拌合，但實際生產過程中，攪拌時間短，再生劑與老化瀝青無法有效滲透混溶，導致再生劑對老化瀝青的再生效果較差，再生瀝青混合料的路用性能不佳，限制了廢舊瀝青混合料的再生利用。

近年來，大量的研究者在再生劑與老化瀝青的相容滲透性評價方法取得一些成果，但是無法真實準確反映再生劑與老化瀝青的相容滲透性，仍存在一些問題：一是傳統的宏觀評價方法一定程度上能間接表征再生劑在老化瀝青中的相容滲透性，但仍存在局限性和不足，不能較為理想地反映再生劑在老化瀝青中的相容程度和融合過程;二是以Fick擴散定律、對流傳質理論和分子動力學為主導的再生劑與老化瀝青相容滲透性評價方法效果不好;三是分層抽提法、動態剪切流變實驗和傅里葉紅外全反射光譜等成熟的評價方法難以真實地模擬再生劑在實際使用過程中的相容滲透作用，目前缺少切實有效的實驗方法對再生劑的滲透性能進行評價，對廢舊瀝青混合料的再生利用所提供的指導有限。

1 研究背景及意義

世界已筑高速公路中，瀝青路面占比達80%以上，我國高速公路里程截止到2020年已達16.1萬km，圖1為2020年全國公路里程分技術等級構成。瀝青路面占比更是高達90%[1]。國家公路網規劃至2030年，我國的公路總里程將會達到40.1萬km[2]。

圖1 2020年全國公路里程分技術等級構成

（數據來源：2020年交通運輸行業發展統計公報）

目前，我國仍然投入大量人力財力建設瀝青路面。同時，瀝青路面隨使用年限增加，會出現各種病害，很多前期建成的瀝青路面已經進入養護維修階段。隨著使用時間的增加，瀝青路面會出現各種病害，需要大量的資源進行修復，而且由于價格的不斷上漲，道路養護的投入也需要增加。同時，處理廢料的成本增加，環境受到嚴重污染，生態問題將越來越嚴重[3-4]。

對于舊瀝青路面的修復，一般是先將要修復的區域刨除，然后將攪拌好的瀝青混合料鋪設在上面。在此過程中，大量廢料的產生，不僅會對環境造成嚴重的污染，也會浪費資源。瀝青路面修復需要重新使用新石料，增加了維護成本，破壞了生態環境。合理應用廢舊瀝青混合料回收利用技術可以有效解決這些問題。廢舊瀝青混合料回收利用技術是將銑刨得到的舊瀝青材料與新骨料、新瀝青和再生劑按一定比例均勻混合，得到滿足道路性能的新瀝青混合料，并重新鋪筑成瀝青路面以正常使用[5]。

瀝青路面回收技術不僅可以處理和回收廢舊瀝青，還可以減少新石開采量，保護環境，減少資源消耗，是一種綠色環保的施工技術。據美國聯邦公路管理局（FHWA）的數據調研統計，廢舊瀝青混合料的合理回收利用，可節省53.4%的材料成本、25%的路面成本和50%的瀝青，具有良好的經濟和環境效益。

廢棄瀝青混合料有效利用的核心是如何恢復老化瀝青，甚至超越新瀝青的性能，再生劑是其中的關鍵。再生劑優異的相容滲透性是決定再生瀝青和再生瀝青混合料性能的前提，將顯著影響再生瀝青路面最終的性能。再生劑與老化瀝青的相容滲透性評價方法是廢棄瀝青混合料再生過程中的研究重點，對瀝青路面再生技術具有重要意義。

2 國內外研究成果

目前，評價再生劑與老舊瀝青相容滲透性的過程可簡要概述為以下兩個過程：先將再生劑與老化瀝青充分剪切均勻后，得到再生瀝青，再測試再生瀝青的物理性能、流變性能以及化學組分變化來評價再生劑的相容滲透性。主要分為宏觀評價方法和微觀評價方法。

2.1 宏觀評價方法

歐陽自強等[6]研究了以60 ℃粘度、針入度、軟化點和延度作為評價指標，綜合反映再生劑對老化瀝青的再生效果，進一步評價再生劑與老化瀝青的相容滲透作用和均勻程度。況棟梁[7]基于Fick擴散定律，將老化瀝青與瀝青再生劑置于一定溫度下恒溫保溫，促進再生劑滲透進入老化瀝青內部，通過測試老化瀝青再生前后的針入度變化來表征再生劑的滲透性能。

有研究學者將老化瀝青的再生認為是再生劑對老化瀝青的活性激發過程，由于老化瀝青混合料與再生劑攪拌均勻后難以分離，采用4.75 mm的潔凈碎石作為舊集料，13.2 mm表面潔凈光滑、無裂紋的卵石作為新集料，進行模擬新舊集料在老化瀝青再生前后的瀝青膠漿轉移率和老化瀝青的激活率，利用瀝青膠漿轉移率和老化瀝青的激活率評價再生劑的相容滲透性。成志強等[8]提出通過計算廢舊瀝青混合料再生前后有效瀝青膜厚度評價再生劑對老化瀝青混合料相容滲透性的方法，通過再生混合料構成分析進行有效瀝青公式推導，計算廢舊瀝青混合料中的有效瀝青含量，并采用比表面積系數法計算廢舊瀝青混合料的有效瀝青膜的厚度來評價再生劑對老化瀝青的相容滲透性。李曉民[9]測試老化瀝青再生前后的動態剪切流變性質，利用老化瀝青再生前后的復數模量、車轍因子、拉伸強度、蠕變柔量和動態模量等指標的變化間接評價再生劑對老化瀝青的相容滲透作用。

有國外研究學者利用分層抽提方法研究對再生劑向老化瀝青內部滲透的行為進行研究：先在瀝青混合料攪拌鍋中將再生劑與預熱至一定溫度下的廢舊瀝青混合料拌和均勻后，再將拌和均勻的瀝青混合料依次在不同質量的三氯乙烯中浸泡一定時間，然后將溶解的老化瀝青蒸餾回收，測試不同回收階段老化瀝青再生前后的粘度變化，以評價再生劑向老化瀝青內部的滲透擴散作用。

2.2 微觀評價方法

將正十二烷、十二烷酸和聯苯硅烷等有機物質作為標記物，采用削弱總反射傅里葉變換紅外光譜判斷再生劑分子性質，并根據擴散分子的尺寸大小、擴散分子的極性等作為再生劑相容滲透性的評價指標。有國外研究學者將動態剪切流變和斯托克愛因斯坦方程結合起來，以研究再生劑對老化瀝青內部的滲透行為進行模擬。利用示蹤劑將瀝青染成顏色，研究了在混合時間和混合溫度條件下，再生劑對老化瀝青的相容滲透作用。借助熒光劑的顯色效應，觀察了紫外光條件下再生劑在馬歇爾標本中的滲透和擴散。

再生劑對老化瀝青的再生作用，會形成老化瀝青和再生瀝青的混合界面，新舊瀝青的微觀形貌存在一定差異。瀝青相圖由蜂狀結構、平坦區和分散區三部分組成，瀝青老化過程中，分散區面積增大，而平坦區面積相應減小。Nazzal等利用原子力顯微鏡（AFM）觀察再生劑對老化瀝青的蜂狀結構、平坦區和分散區的改善效果，觀察新、舊瀝青的微觀形貌，研究新—舊瀝青融合的微觀差異性瀝青。借助AFM可以觀察再生劑與老化瀝青融合的融合區域及過渡區域，進而可知融合范圍及程度，是一種量化再生劑相容滲透作用的途徑。Castorena等將TiO2作為老化瀝青再生后的示蹤劑，經過磨細處理后加入再生劑中，對老化瀝青進行再生。借助掃描電鏡（SEM）和能譜分析技術（EDS）研究了老化瀝青和再生瀝青的混溶區間圖。同時，將試樣進行研磨、超聲和拋光等處理，制備成一定尺寸的試件，并對試件進行導電處理，基于碳和鈦的質量比差異對比老化瀝青再生前后的差異，以評價再生劑對老化瀝青的相容滲透性。趙占立[10]使用環烷酸鈷作為示蹤劑對再生瀝青進行標記，并利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察示蹤劑在老化瀝青中的分散情況，以評價再生瀝青在老化瀝青中的分散和滲透情況。

有研究學者對Flory-Huggins方程進行修正，計算得到了不同類型的再生劑與不同種類的老化瀝青的混合自由能，結合混合自由能討論了不同類型的再生劑與不同種類的老化瀝青之間的滲透行為，實驗結果表明，老化瀝青再生后自由能為負值時，再生劑能比較容易地滲透進入老化瀝青內部，反之則比較困難;再生劑和老化瀝青二者的溶解度相近時，兩者相容性較好，與相容性理論相符合。

研究學者基于凝膠滲透色譜和傅里葉變換紅外光譜能對瀝青中官能團進行識別這一原理，研究了老化瀝青再生前后的識別性官能團羰基和亞砜基含量的變化，分析了瀝青各層中羰基與C=C的比例，老化瀝青再生后，羰基和亞砜基含量下降，根據老化瀝青再生后羰基和亞砜基含量的變化程度評價再生劑的相容滲透性。Vassaux等借助紅外顯微鏡，基于羰基空間分布的統計學處理定量評估再生瀝青與老化瀝青的混溶狀態。該評價方法具有無損特點，不改變原瀝青試樣的結構，但在評價再生劑相容滲透性應用方面成果較少，亟待進一步研究。

3 建議

宏觀評價方法在一定程度上能間接評價再生劑在老化瀝青中相容滲透性能的優劣，但具有局限性。如何從微觀尺度研究再生劑與老化瀝青的相容滲透性和混溶效果已經成為新的熱點。

射傅里葉變換紅外光譜（FTIR-ATR）可以定量分析老化瀝青的識別性官能團（羰基、亞砜基等）的含量，進而評價再生劑與老化瀝青的滲透、混溶情況，反映再生劑對老化瀝青的相容滲透性。分層抽提技術結合凝膠滲透色譜可以觀察再生劑分子在老化瀝青中的遷移深度，評價再生劑對老化瀝青的滲透性能。利用原子力顯微鏡（AFM）觀察瀝青微觀表面形貌，能夠表征再生劑與老化瀝青之間混合區域。建議在考慮上述技術的基礎上，在再生劑中加入化學標記物質，如TiO2，利用AFM圖像及能譜儀定量分析化學標記物質在老化瀝青中的擴散、分布情況，研究再生劑與老化瀝青內在作用規律，并且定量分析瀝青表面微觀結構同宏觀流變性能的關系，準確掌握新—舊瀝青混合程度及分布均勻性對再生瀝青性能的影響。借助數學手段，如統計學、神經網絡，可以不改變瀝青原有結構，更為準確地反映再生劑與老化瀝青內在作用規律。同時在大數據背景下，將再生劑與老化瀝青滲透、混溶效果與再生瀝青混合料路用性能聯系起來，能大量減少配合比設計、優化、驗證工作量，對預測再生瀝青路面性能起到積極作用。

再生劑在老化瀝青中的擴散機理、擴散模型及量化相容滲透性的方法有待進一步研究，為廢舊瀝青混合料的再生利用提供理論指導。

4 結語

（1）通過在瀝青混合料中摻加再生劑，可以改善老化瀝青相容滲透性能，同時對提高廢舊瀝青混合料的循環利用具有重要意義，研究者從宏觀、微觀層面進行了大量研究，但再生劑在老化瀝青中具體的擴散行為和混溶行為尚不清楚，有待進一步研究。

（2）宏觀方法評價再生劑對老化瀝青的相容滲透性能具有局限性和片面性，微觀評價方法成為研究趨勢。分層提取、凝膠滲透色譜、傅里葉紅外光譜、掃描電鏡、示蹤法和原子力顯微鏡等方法能有效評價再生劑的相容滲透性。

（3）掃描電鏡和能譜分析技術結合，示蹤法和原子力顯微鏡結合，凝膠滲透色譜和傅里葉紅外光譜結合等復合評價方法較單一評價方法更能從微觀反映再生劑對老化瀝青的相容滲透行為。

（4）紅外掃描電鏡和分子動力學模擬對再生劑在老化瀝青相容滲透性研究成果較少，繼而可以進一步研究，形成量化相容滲透性的新方法和新理論。

參考文獻

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