生物型再生剂对再生沥青混合料性能的影响*

张 遥 吴少鹏 刘 刚

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

0 引 言

近年来，我国正进行大规模的道路升级改造，在此过程中产生了大量的废旧沥青混合料，其中约5%为老化沥青、95%为各种级配的骨料.若将这些废料作为垃圾处理，不仅造成资源的巨大浪费，而且占用土地、污染环境，不符合国家可持续发展战略.基于资源再生与环境保护的需求，推广和应用沥青路面再生利用技术十分必要[1-3].随着沥青再生技术的发展，有关沥青再生剂对沥青混合料性能影响的研究报道也越来越多，各种沥青再生剂也层出不穷[4-6].

虽然沥青再生剂品类繁多，但大多是树脂类化合物与石油工业合成油分的混合物，这些石油基的沥青再生剂存在污染环境、不可再生、对人体有害等缺点，因此，开发环保可再生、无害的非石油基沥青再生剂已成为人们关注的热点[7-8].其中，以废食用油为代表制备的非石油基再生剂已应用于实际工程[9].据报道，柑橘属科果皮也是一种优质的生物资源，这些果皮中富含有色素、香精油、果胶、生物类黄酮等有机物，其中含有饱和组分、芳香组分的有机物，符合沥青再生剂的成分要求.全球每年都会产生150万t废弃的柑橘属科果皮，当前柑橘属科果皮主要的利用方式仅局限于提取色素、食用纤维及香精油，而40%～50%的果皮却当作垃圾排放，这些皮渣极易发霉变臭，对人畜和农作物都极为有害,因此，探究废弃果皮新的利用方式具有重大意义.

为拓宽废弃柑橘属科果皮的利用途径，本文采用一定的工艺将柑橘果皮中含有芳香族组分的有机物提取出来，自制而得生物型再生剂，并采用了气相色谱-质谱联用仪分析了生物型再生剂的化学成分，同时，对新拌沥青混合料、再生沥青混合料、添加了生物型再生剂的再生沥青混合料、添加了普通再生剂的再生沥青混合料的高温稳定性能、低温抗裂性能、水稳定性能进行了研究，对比考察了生物型再生剂对再生沥青混合料性能的影响.

1 原材料及实验方法

1.1 原材料

生物型再生剂由实验室自制，普通再生剂为美国某公司生产，将生物型再生剂标记为Bio-R，某公司再生剂标记为K-R，两种再生剂的基本性能见表1；回收沥青混合料(RAP)取自黄石—黄梅高速黄石段路面刨铣的约10 cm厚的面层，通过抽提法获得回收沥青混合料中的抽提沥青，抽提沥青及新沥青的基本参数见表2；通过燃烧炉法测定了回收沥青混合料中集料的级配，结果见表3.

表1 不同再生剂的基本性能

表2 不同沥青的基本参数

表3 回收沥青混合料中集料的级配

1.2 实验方法

本文采用马歇尔实验法进行沥青混合料配合比设计， 制备了四种类型沥青混合料，表4为不同类型沥青混合料的组成.新拌沥青混合料由新集料、新沥青热拌和而成；再生沥青混合料由70%新集料、30%RAP、新沥青热拌和而成；依次投入30%RAP、生物型再生剂、70%新集料与新沥青进行热拌和得到生物型再生剂处理的再生沥青混合料；使用相同方法制备得到科来福再生剂处理的再生沥青混合料.四种类型沥青混合料的拌和温度均控制在150～160 ℃，成型温度控制在140～150 ℃，均采用AC-13级配.

采用气相色谱-质谱联用仪对生物型再生剂的化学成分进行定性与半定量分析；根据文献[10]中相关规定，检测四种沥青混合料的动稳定度、低温劲度模量、残留稳定度、劈裂强度比等性能指标.

表4 不同沥青混合料的组成

2 实验结果与讨论

2.1 生物型再生剂成分分析

Bio-R中共检测出了21种主要的化学成分，图1为总离子流色谱图.利用NIST 05标准谱图对总离子流色谱图进行检索，得到对应的有机化合物见表5.总离子流色谱图中各组分的峰面积和该组份含量成正比，因此,用各组分的峰面积与总峰面积的比表示各组分的相对含量.

图1 生物型再生剂的总离子流色谱图

表5 生物型再生剂成分分析

由表5可知，生物型再生剂的主要化学成分是具有单环结构的单萜类化合物，另一部分是芳香族化合物.单萜类化合物是萜类化合物之一种，通常指由二分子异戊二烯聚合而成的萜类化合物及其含氧的和饱和程度不等的衍生物，单环单萜是由链状单萜环合作用衍变而来，是柑橘果皮中芳香气味的主要来源；芳香族化合物主要是间二甲苯和间异丙基甲苯，没有检测到高于两环的多环芳烃化合物.相比较于单环单萜类化合物色谱峰的丰度和种类，芳香族化合物色谱峰的丰度较小，种类较少.芳香族化合物的化学结构更类似于沥青四组分中的芳香组分.通过GC/MS的检测与分析可以发现，生物型再生剂的各化学成分类似于沥青老化过程中缺失的饱和分和芳香分，符合沥青再生剂成分要求.

2.2 沥青混合料高温稳定性

车辙实验通常被用以检验沥青混合料的高温稳定性能，测得的动稳定度反映了沥青路面在较高温度下抵抗荷载形成车辙的能力.本文采用车辙实验测定沥青混合料的高温抗车辙能力，对比评价不同类型沥青混合料的高温稳定性能，四种不同类型沥青混合料的车辙实验结果见表6.由表6可知，再生沥青混合料的动稳定度为2 658.23次/mm，远远大于新拌沥青混合料的动稳定度1 475.41次/mm.这是因为再生沥青混合料中含有30%RAP，在RAP中含有严重老化的旧沥青，旧沥青在老化过程中发生了油分的缺失，并且胶质和沥青质含量增高，导致黏度和劲度模量较大，而沥青胶结料的高温性能对沥青混合料的高温性能有较大影响，因此，含有30%RAP的再生沥青混合料的动稳定度更大，高温抗车辙能力更强；添加了Bio-R、K-R之后，再生沥青混合料的动稳定度分别降至1 764.71次/mm与1 693.55次/mm，这是因为再生剂中的轻质组分溶解了老化沥青胶结料中较高含量的胶质和沥青质，改善了沥青的胶体结构，使沥青的黏度和劲度模量恢复，沥青混合料的动稳定度下降；生物型再生剂与美国科来福再生剂对再生沥青混合料高温稳定性能的影响基本一致.

表6 沥青混合料车辙实验结果

2.3 沥青混合料低温抗裂性

2.3.1低温劈裂实验结果分析

在低温劈裂实验中，测得沥青混合料低温破坏时的抗拉强度、拉伸应变、劲度模量，可以用来评价沥青混合料的低温抗裂性能.在低温下沥青混合料的抗拉强度和拉伸应变越大，劲度模量越小，则其低温抗裂性能越好.本文根据文献[12]进行了低温劈裂实验，来评价四种类型的沥青混合料的低温抗裂性能，实验结果见表7.从表7可知，再生沥青混合料的抗拉强度3.55 MPa、拉伸应变5.17×10-3小于新拌沥青混合料的抗拉强度3.76 MPa、拉伸应变6.50×10-3，这表明在相同的较低温度下，新拌沥青混合料能够比再生沥青混合料承受更大的应力和应变，再生沥青混合料的劲度模量1 181.2 MPa，大于新拌沥青混合料的劲度模量998.9 MPa，说明在相同低温下，新拌沥青混合料的柔韧性更好，性能更佳.这是因为再生沥青混合料中含有30%RAP，其中的旧沥青胶结料发生了严重的老化，导致混合料的低温抗裂性能大大恶化；添加了Bio-R后，再生沥青混合料的抗拉强度为3.92 MPa、拉伸应变为6.25×10-3、劲度模量为1 075.1 MPa，相比于没有添加再生剂的再生沥青混合料，各项低温性能指标均得到改善，说明Bio-R能较好的改善再生沥青混合料的低温抗裂性能；实验使用科来福再生剂作为对照再生剂，添加了科来福再生剂的再生沥青混合料的抗拉强度为3.64 MPa、拉伸应变为5.81×10-3、劲度模量为1 081.8 MPa，说明K-R与Bio-R对再生沥青混合料低温抗裂性能的改善效果一致.

表7 不同沥青混合料-10 ℃劈裂实验结果

2.3.2低温弯曲实验结果分析

本文采用沥青混合料弯曲实验来评价四种类型的沥青混合料的低温拉伸性能，沥青混合料-10 ℃低温弯曲实验结果见表8.由表8可知，相较于新拌沥青混合料，再生沥青混合料的低温抗弯拉强度和破坏弯拉应变明显下降，劲度模量增大.在经过Bio-R，K-R处理之后，再生沥青混合料的低温抗弯拉强度和破坏弯拉应变明显提高，劲度模量有所下降.说明经过Bio-R，K-R处理后，再生沥青混合料中的旧老化沥青与再生剂充分融合，旧老化沥青软化，进而使再生沥青混合料的劲度降低，低温形变能力增强，低温抗裂性能得到改善.同时，由表8可知，相较于K-R处理后的再生沥青混合料，经Bio-R处理后的再生沥青混合料的低温抗裂性能的改善效果更明显，说明Bio-R的再生能力相较于K-R的再生能力更为突出.

通过沥青混合料低温劈裂实验和弯曲实验，说明Bio-R和K-R对再生沥青混合料的低温性能具有相同的改善作用，均能有效提高再生沥青混合料的低温抗裂性能，且Bio-R的再生能力相较于K-R的再生能力更为突出.

表8 沥青混合料-10 ℃低温拉伸实验结果

2.4 沥青混合料水稳定性

2.4.1马歇尔稳定度实验结果分析

本文采用浸水马歇尔稳定度实验，检验不同类型沥青混合料在受水损害时抗剥落的能力，实验结果见表9.由表9可知，在四种沥青混合料中，新拌沥青混合料的残留稳定度最高，为93.4%，水稳定性能最好，再生沥青混合料的残留稳定度最低，为89.1%，添加了Bio-R的再生沥青混合料残留稳定度为91.6%，添加了K-R的再生沥青混合料残留稳定度为92.7%，四种沥青混合料的残留稳定度值均大于75%，符合规范要求；添加Bio-R和K-R均提高了再生沥青混合料的残留稳定度，改善了再生沥青混合料的水稳定性能.

表9 沥青混合料浸水马歇尔稳定度实验结果

2.4.2冻融劈裂实验结果分析

本文采用沥青混合料冻融劈裂实验，来测定沥青混合料在受到水损害前后劈裂破坏的强度比，对比评价不同沥青混合料的水稳定性，表10为沥青混合料冻融劈裂实验结果.由表10可知，相较于新拌沥青混合料，再生沥青混合料的非冻融劈裂强度、冻融劈裂强度较高、劈裂强度比较低，经过Bio-R和K-R处理后的再生沥青混合料的非冻融劈裂强度、冻融劈裂强度均有下降，劈裂强度比上升，说明经过两种再生剂处理后的再生沥青混合料的水稳定性得到改善.这是由于老化沥青组分中的芳香分、饱和分的含量较低，胶体结构差，沥青与集料的黏附性弱，再生沥青混合料的水稳定性能差，加入再生剂后，再生剂中的轻质成分有效改善老化沥青的胶体结构，增加沥青与集料的黏附性，改善沥青混合料的水稳定性能.

通过四种沥青混合料的马歇尔稳定度实验、冻融劈裂实验，说明加入Bio-R能够显著提高再生沥青混合料的残留稳定度、冻融劈裂强度比，有效改善再生沥青混合料的水稳定性能，与K-R对再生沥青混合料水稳定性能的影响一致.

表10 沥青混合料冻融劈裂实验结果

3 结 论

1) 生物型再生剂的主要化学成分是具有单环结构的单萜类化合物和芳香族化合物，类似于沥青组分中的饱和分和芳香分.

2) 生物型再生剂的掺入提高了再生沥青混合料的残留稳定度、劈裂强度比，降低了动稳定度、低温劲度模量，使再生沥青混合料的低温抗裂性能、水稳定性能显著改善，高温稳定性能一定程度降低.

3) 生物型再生剂与普通再生剂对再生沥青混合料路用性能的影响相似，同时相较于普通再生剂，生物型再生剂来源于废弃柑橘果皮，具有更好的经济性与环保优势.

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