廢機油再生SBS 改性瀝青的性能及機理

崔亞楠， 崔樹宇， 郭立典

（1.內蒙古工業大學土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2.內蒙古工業大學內蒙古自治區土木工程結構與力學重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051；3.內蒙古電力（集團）有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 010300）

隨著道路服役時間的延長，瀝青路面出現大量功能性病害與結構性病害，每年養護改造產生了大量的廢舊瀝青路面材料（RAP）.近年瀝青路面再生利用技術受到廣泛重視，舊瀝青的再生成為研究熱點之一.Hasan 等［1］發現，加入廢植物油和廢機油再生后的老化瀝青均降低了C=O 和S=O 峰面積的強度，這意味著廢油可以減少瀝青質含量.李汝凱等［2］探討了廢機油底渣再生劑對老化瀝青低溫性能的影響，發現廢機油底渣摻量（質量分數）增加到10%時，瀝青膠結料的低溫極限分級明顯提高，性能明顯下降.

總體來看，目前大部分關于廢機油再生的論文多為混合料路用性能研究或流變性能研究，對廢機油再生瀝青微觀層面的研究仍有不足，并不能將微觀與宏觀結合起來，共同評價廢機油的再生效果.本文以復合老化后的瀝青為研究對象，采用廢機油和XT-1 型再生劑來恢復老化SBS 改性瀝青的性能，通過三大指標試驗及動態剪切流變（DSR）試驗，對比2種再生劑對老化SBS 改性瀝青性能的恢復效果.通過原子力顯微鏡（AFM）、傅里葉紅外光譜（FTIR）及熱重分析（TG），研究再生前后瀝青微觀力學性能、官能團的變化及質量損失情況，通過宏微觀測試結果共同評價廢機油的再生效果，為廢機油作為再生劑的研究提供參考依據.

1 試驗材料和方法

1.1 再生劑

廢機油為大眾捷達家庭用車新車行駛約5 000～6 000 km 后換下來的廢棄機油.對比再生劑選用常州信拓路面改性材料有限公司生產的XT-1 型瀝青再生劑.2 種再生劑的基本指標見表1.

表1 瀝青再生劑的基本指標Table 1 Basic indexes of asphalt regenerants

1.2 瀝青

本文所用原料為SBS 改性瀝青，基本參數見表2.

表2 SBS 改性瀝青的基本指標Table 2 Basic indexes of SBS modified asphalt

1.2.1 老化瀝青的制備

熱老化瀝青采用現行JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中“T0630”方法以RTFOT+PAV（20 h）制備（PAV 老化瀝青）.紫外老化瀝青（UV 老化瀝青）制備方法為將長期老化后的SBS 改性瀝青放入紫外老化箱中老化233 h，以模擬室外瀝青1 a UV 老化，老化溫度為50 ℃.

1.2.2 再生瀝青制備

再生瀝青制備方法是將再生劑放入老化瀝青中通過攪拌機攪拌均勻，溫度為135 ℃，攪拌速率為2 000 r/min；攪拌15～20 min 后置于110 ℃烘箱中靜置10 min，然后取出繼續攪拌；重復上述過程4～5次，然后靜置24 h，使XT-1 再生劑或廢機油與老化瀝青充分融合，得到再生瀝青.老化瀝青和再生瀝青的種類及編號見表3.

表3 瀝青的種類及代號Table 3 Types and codes of asphalts

1.3 試驗方法

1.3.1 三大指標試驗

針入度、軟化點、延度按照JTG E20—2011 中的“T0624-2011”、“T0605-2011”、“T0606-2011”執行，針入度和延度分別選取25、10 ℃作為試驗溫度.

1.3.2 動態剪切流變試驗

采用DHR-1 動態流變剪切儀的線性振幅掃描（LAS）試 驗，按 照 AASHTO-TP 101-12（2015）《Standard method of test for estimating fatigue resistance of asphalt binders using the linear amplitude sweep》中的試驗方法對原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青的疲勞性能進行測試.試驗溫度選取28 ℃.

1.3.3 微觀分析試驗

采用AFM、FTIR 及TG 對原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青的微觀力學特性、官能團變化及質量損失進行觀察和測試.AFM 掃描模式選用Peak Force QNM 模 式，掃 描 面 積 為15 μm×15 μm，像 素 為512×512，于室溫下觀測.采用的掃描模式QNM 是Bruker 公司基于AFM 的峰值力輕敲模式推出的專利技術，可獲得微納米尺度相態的楊氏模量（DMT）、黏附力［3］.FTIR 分辨率為4 cm-1，掃描次數為32 次，測試范圍4 000～650 cm-1，儀器的溫度控制在17～27 ℃且保持干燥.TG 試驗升溫速率為10 ℃/min，升溫范圍為30～900 ℃.

2 宏觀試驗結果與討論

2.1 三大指標結果分析

圖1～3 為3 種瀝青的針入度、延度和軟化點測試結果.以原樣瀝青的三大指標作為參考線，如圖1～3 中上方的黑線所示.由圖1～3 可見：不同老化程度SBS 改性瀝青中添加再生劑后，針入度和軟化點改變明顯，2 種老化方式后再生的瀝青均達到原樣水平，且廢機油再生至原樣瀝青水平所需摻量明顯低于XT-1 再生劑，說明廢機油對針入度、軟化點的恢復要優于XT-1 再生劑；延度的恢復廢機油弱于XT-1 再生劑，這是由于XT-1 再生劑含有增塑劑，可以增強再生瀝青的低溫抗裂性能，而廢機油雖作為輕質油，可以補充老化瀝青中的芳香分，通過調整其化學組成及含量來恢復其低溫延展性，卻無法修復SBS 改性瀝青老化時部分降解的分子鏈［4］；再生SBS 改性瀝青的延度值未達到原樣瀝青水平，這與SBS 改性瀝青的結構密切相關，在10 ℃下，由于SBS 自身分子的空間網格結構以及瀝青間的黏摩阻力，制約了瀝青本身的變形能力，使延度無法恢復.

圖1 瀝青的針入度Fig.1 Penetration of asphalts

圖3 瀝青的軟化點Fig.3 Softening point of asphalts

2.2 基于DSR 試驗的再生瀝青疲勞壽命分析

對SBS 改性瀝青原樣及老化再生后的SBS 改性瀝青進行LAS 試驗，根據AASHTO-TP 101 計算得到VECD 模型的各個參數［5］，結果如表4 所示.其中：α為頻率掃描擬合的參數；C1、C2為幅度掃描的擬合參數；Df為發生破壞時的D（t）值；K=1+（1-C2）·α；B=2α；A=fDf/K（πC1C2）α.原樣SBS 改性瀝青、PAV老化SBS 改性瀝青、16%XT-1 再生PAV 老化SBS改性瀝青和9%waste oil 再生PAV 老化SBS 改性瀝青等4 種瀝青在不同應變下的疲勞壽命如表5 所示.由表4、5 可見：4 種瀝青的疲勞壽命均隨著應變水平的提高急劇減小，以原樣SBS 改性瀝青為例，其應變為3%時的疲勞壽命高達61 383 次，當其應變為10%時，疲勞壽命僅為274 次；PAV 老化瀝青的疲勞壽命顯著降低，隨著再生劑的摻入，瀝青的疲勞壽命得到一定程度的恢復及延長，這表明再生劑增大了瀝青的柔性，使再生瀝青的疲勞壽命增加［6］；摻入9%廢機油再生瀝青的疲勞壽命遠高于摻加16%XT-1 的再生瀝青，說明廢機油對再生瀝青疲勞壽命的影響更為顯著.

表4 不同瀝青的LAS 試驗模型參數Table 4 LAS test model parameters of different asphalts

表5 4 種瀝青在不同應變水平下的疲勞壽命Table 5 Fatigue life of four kinds of asphalt under different strain levels times

3 再生瀝青的微觀力學及紅外光譜特征研究

3.1 老化和原樣瀝青的楊氏模量及黏附力

采用楊氏模量（DMT）與黏附力2 個指標進行力學特性的分析.DMT 可用于評價瀝青黏彈性能的變化，黏附力可用于評價瀝青-集料界面的黏附性能.表6 為SBS 改性瀝青老化前后的DMT 和黏附力.由表6 可知：老化導致SBS 改性瀝青的DMT 上升，黏附力下降.由此可見，隨著老化程度的加深，瀝青微觀表面DMT 增大而黏附力減小，進一步說明老化促進了瀝青內部黏性成分向彈性成分的轉變，提高了瀝青的彈性.

表6 SBS 改性瀝青老化前后的DMT 和黏附力Table 6 DMT and adhesion before and after aging of SBS modified asphalt

對不同再生劑摻量下SBS 改性瀝青的DMT 和黏附力進行計算，得到再生SBS 改性瀝青的整體DMT 與黏附力，結果如表7 所示.由表7 可見：隨著再生劑摻量的增加，再生SBS 改性瀝青的DMT 隨之減小；2 種老化方式下，廢機油再生瀝青的DMT 隨著再生劑摻量的增加而下降的幅度更大，說明廢機油對再生瀝青黏彈性能有較好的恢復，這是因為廢機油可以恢復老化瀝青對SBS 改性劑的降解，且對于瀝青中的瀝青質有較好的分散溶解能力；PAV 老化下XT-1 再生瀝青在摻量為4%時的DMT 大于PAV老化瀝青，這是因為SBS 改性劑在熱氧老化過程中會不斷分解，雖然部分被氧化成極性大分子后在高溫下揮發，但由于老化使瀝青表面變硬，阻礙了SBS改性劑的熱氧老化，使SBS 改性劑降解為小分子［7］，所以XT-1 再生劑在較低摻量下不能很好地融合SBS 改性劑的小分子，出現DMT 先增加后減小的現象；從黏附力變化來看，2 種再生劑摻量增加時黏附力呈現增長趨勢，但增加幅度并不明顯，不同摻量再生瀝青黏附力之間的差別較小，因此需結合其他性能指標，如DMT 和復模量等來綜合判斷再生SBS 改性瀝青的再生情況.

表7 再生瀝青DMT 和黏附力匯總Table 7 Summary of DMT and adhesion of regenerating SBS modified asphalt

同時不同的老化方式對再生瀝青的微觀力學性能也會產生很大影響.經過UV 老化后，利用廢機油再生的SBS 改性瀝青，其3%摻量時的DMT 明顯高于經過PAV 老化后再生的瀝青.這種現象產生的原因是SBS 改性劑經過長期老化破壞后產生的大分子在紫外光照射下發生裂解降為小分子［8］，同時隨著老化時間的延長，瀝青質含量增加［9］，同樣摻量下的DMT 更難恢復到初始狀態，導致微觀力學表現為UV 老化后再生瀝青的DMT 在摻量為3%時的恢復效果弱于PAV 老化后再生的瀝青.

3.2 紅外光譜特征分析

圖4 為再生劑及UV 老化再生SBS 改性瀝青的FTIR 圖譜.由圖4可見：（1）SBS改性瀝青再生前后在2 919、1 455 cm-1處出現了最大值.其中2 919 cm-1的強吸收峰為C-H 的伸縮振動特征峰，1 599 cm-1的吸收峰是烯烴C=C 和C=O 的伸縮振動，1 455 cm-1的特征峰為C-H 鍵的變形振動，1 375 cm-1處的吸收峰是脂肪族-CH3-和-CH2-面內的C-H 彎曲振動，1 030 cm-1附近為S=O 的伸縮振動，996～700 cm-1的4 個小峰是芳香族分子的特征峰［10］.（2）不同再生劑再生瀝青的FTIR 圖譜較原瀝青并未出現新的特征吸收峰，這說明再生劑的添加并沒有使瀝青產生新的物質［11］.（3）2 種再生劑的FTIR 圖譜中均出現-CH3-和-CH2-面內的C-H 彎曲振動的吸收峰（1 376 cm-1附近），這說明XT-1 再生劑和廢機油中均含有非極性的甲基和亞甲基以及烷烴和脂肪族.不同的是，XT-1 再生劑的FTIR 圖譜中具有高強度的苯環取代彎曲振動峰（730～690 cm-1），這表明XT-1 再生劑的主要成分為富含芳烴的輕質組分，而廢機油的FTIR 圖中芳香族分子特征峰較少.

圖4 再生劑及紫外老化再生SBS 改性瀝青的FTIR圖譜Fig.4 FTIR spectra of SBS modified asphalt regenerated by regenerant and ultraviolet aging

為了進一步對比分析瀝青再生前后官能團的變化，引入亞砜基指數（SI）、羰基指數（CI）和丁二烯指數（BI），來定量分析SBS 改性瀝青的再生.其計算公式［12］如下：

式中：AC=O為羰基吸收峰面積；AS=O為亞砜吸收峰面積；AC=C為丁二烯中C=C 鍵吸收峰面積；AC-H為飽和C-H 鍵彎曲振動吸收峰面積.

對再生瀝青的SI、CI 和BI 進行計算可得表8.由圖4 和表8 可見：SBS 改性瀝青經過UV 老化后，1 599 cm-1處存在-C=C-的吸收峰，相比原樣瀝青，其CI 有所增加，這是由于瀝青質的增加導致的［13］；1 030 cm-1處SI 經過UV 老化后升高，這說明老化導致SBS 改性瀝青的-CH2-、-CH3-含量發生變化，這是因為老化過程中很多短鏈碳氫化合物發生了加成、聚合反應［14］；再生瀝青的CI 和SI 要高于原樣SBS 改性瀝青，這是因為瀝青再生技術并非是發生了化學反應的逆反應，并不能使老化后產生的C=O 和S=O 還原成C-H 和S-H［15］；966 cm-1處的特征峰為SBS 改性瀝青中丁二烯所具有的，可以反映SBS 改性瀝青的老化情況，SBS 改性瀝青經紫外老化后的BI 降低，老化后SBS 中丁二烯為代表的SBS 改性劑發生降解，瀝青各組分分子之間交聯作用作用減弱，三維的網狀結構發生了破壞［16］；加入廢機油后BI 上升并接近原樣瀝青，由此說明廢機油的摻入很好的改善了老化作用對SBS 改性劑的降解，使SBS 改性瀝青內部重新形成完整的網格結構［4］.

表8 UV 老化及添加再生劑和廢機油再生SBS 改性瀝青的CI、SI、BITable 8 CI，SI，BI of UV aging and regenerated SBS modified asphalt with regenerant and waste engine oil

3.3 熱重分析

本文選取質量損失為5%及50%時的溫度來判斷不同瀝青熱穩定性的差異，表9 為不同瀝青的熱分解溫度.由表9 可見：原樣瀝青的分解溫度大于老化和再生瀝青，不同老化方式也會對瀝青的熱穩定性有一定影響，但影響不大；再生劑的摻入會使再生瀝青的熱分解溫度降低且廢機油再生瀝青的分解溫度高于XT-1 再生瀝青；結合FTIR 分析可知，再生劑的加入提高了再生瀝青中輕質組分的含量，而輕質組分的含量會對瀝青前期的熱穩定性能有較大影響［17］，導致再生瀝青的熱分解溫度降低；結合宏觀試驗分析，瀝青老化后瀝青質增加，輕質組分減少，使瀝青變硬，再生劑的摻入提高了瀝青中輕質組分的含量，重新調和瀝青組分，從而使瀝青性能恢復.

4 結論

（1）廢機油及XT-1 再生劑對老化SBS 改性瀝青針入度、軟化點均有較好的恢復效果，延度恢復具有一定局限性.廢機油對再生SBS 改性瀝青疲勞壽命的影響更為明顯.

（2）瀝青中加入廢機油及XT-1 再生劑均可使其DMT 降低并提高其微觀黏附力，再生劑和廢機油的摻入提高了老化SBS 改性瀝青的丁二烯指數，重新調和了老化瀝青內部的組分分布，改善了老化瀝青的路用性能，其中廢機油作用更為顯著.2 種再生劑的加入都使老化瀝青中的輕組分含量提高，但并未發生化學反應生成新的物質.廢機油再生瀝青的熱穩定性要優于XT-1 再生瀝青.

（3）廢機油作為再生劑對SBS 改性瀝青有較好的性能恢復，將其作為再生劑具有可行性.在實際工況中，XT-1 再生瀝青的低溫抗裂性能要優于廢機油再生瀝青，更適宜在10 ℃以下的溫度區域內使用.