增溶剂在再生沥青混合料中的应用

路再红，范鹏云，王亚军，刘冰剑

1. 内蒙古交通设计研究院股份有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010000

2. 赤峰市公路管理处，内蒙古 赤峰 0240001

3. 赤峰市经棚至大板高速公路建设管理办公室，内蒙古 赤峰 0240001

0 引 言

自进入21世纪以来，中国的公路建设发展迅猛，高速公路的大规模建设更是取得了巨大进步。然而，一般沥青路面在通车10年左右就会出现各种问题[1]，因此需要对现有公路进行良好的维护与翻修。在翻修养护的过程中不仅会导致大量老化沥青混合料的浪费，还可能对环境造成严重污染。

老化沥青混合料再生技术可有效解决上述问题。基于组分调和理论，沥青老化的实质是化学组分的转移，在老化过程中沥青组分中的低分子化合物经过氧化缩聚反应会向高分子化合物转变，其中芳香烃转变为具有极性基团的胶质，胶质又缩合为沥青质，沥青质最终聚合成更大的分子化合物[2]，这就导致沥青的性能逐渐退化，最终将不能满足路面的使用要求。向老化沥青中加入再生剂可提高沥青质在软沥青质中的溶解程度，溶解及分散老化沥青中多余的沥青质以调节沥青的黏度和流变性能，改善二者之间的相容性，形成相对稳定的沥青高分子溶液，使老化沥青的物理性能和化学性质重新符合规范要求，满足基本路用需求[3]。

目前，根据生产工艺可将老化沥青混合料再生技术分为4种类型，即厂拌热再生、厂拌冷再生、就地热再生及就地冷再生技术[4]。老化沥青混合料的热再生，即将再生剂与旧骨料和老化沥青混合在一起。由于沥青的再生主要依赖于再生剂的渗透能力[5]，而老化沥青的沥青质较多，导致其硬度和黏度升高[6]，流动性变差，降低了沥青分子的运动，使得再生剂难以向老化沥青中扩散[7-8]，再生剂不能与老化的旧沥青充分融合在一起。因此，有必要开发新的方法来减少沥青质含量并增加老化沥青的流动性，以提高再生剂的扩散能力。

再生剂为沥青再生技术的关键之一，而国内现有再生剂的热稳定性较差，渗透能力不足，对再生沥青混合料性能的改善效果不佳，严重制约了沥青路面再生技术的应用。基于此，本文就增溶剂在再生沥青中的应用展开论述，主要对增溶剂的作用、选用原则，以及在老化沥青中的渗透作用的评价方法作出归纳，并结合试验实例给予验证，以期为增溶型再生剂在再生沥青混合料中的进一步应用提供参考。

1 增溶剂概述

增溶剂是表面活性剂的一种，它能增加溶剂中原本难溶或不溶物质的溶解度。增溶剂之所以具有增溶作用，是由于其含有亲水基团和亲油基团，所以当其进入介质中后，亲油基团向内、亲水基团向外（非离子型的亲水基团从油滴表面以波状向四周伸入水相中）形成胶团。胶团外部是极性的，内部是非极性的。由于胶团是微小的胶体粒子，其分散体系属于胶体溶液，因而可使得物质被包藏或吸附，使溶剂的溶解量增大。同时，增溶剂还能够降低溶液的表面自由能，从而降低溶液的表面张力[9-10]。增溶作用不会改变难溶或不溶物质的物理性质，因此在这种情况下体系相对稳定。

向老化沥青中加入增溶剂型表面活性剂，它可通过氢键作用、酸碱作用、π-π键共轭作用、电荷转移作用等吸附在沥青质颗粒表面。同时，增溶剂的亲油基团形成的亲油链不仅可以增强胶体的空间稳定作用，还能吸附溶剂组分并形成良好的溶剂层。这2方面的共同作用可大大增强沥青胶态体系的稳定性[11]。

1.1 增溶作用

常见的增溶作用有络合作用、缔合作用、潜溶作用和表面活性剂的增溶作用等[12]。增溶作用主要由4种途径实现：在胶束的内部增溶；在胶束表面的活性剂分子间排列；于胶束表面吸附；增溶于胶束的极性头基之间。具体如图1所示。

图1 增溶作用示意

2.2 增溶剂的选用

一般选用亲水疏水平衡值（HLB值）在15～18、增溶量大且无毒无刺激的增溶剂。由于阳离子型表面活性剂的毒性和刺激性均较大，故一般不选用。

此外，增溶剂的用量对增溶作用也十分重要。用量过少，可能起不到增溶效果；用量过多，不仅会造成浪费，还可能带来副作用[13]。最佳的增溶剂用量可通过试验来确定。

1.3 增溶作用的影响因素

增溶剂的种类繁多，即便是同系物，其分子量的差异也会造成不同的增溶效果。如离子型增溶剂的增溶能力随着碳氢链的增长而增加，而非离子型增溶剂的增溶能力却随氧乙烯链的减小而增大。虽然上述2种增溶剂分子结构的改变均能增大胶团，但增溶量的增加与此关系不大[14]。

温度也是增溶剂溶解度的主要影响因素，温度的升高或降低均会改变增溶量。对于大多增溶体系而言，随着温度的升高增溶量一般会随之增大，这主要是由于温度提高使胶团增大的缘故[15]。

1.3 增溶剂在再生沥青中的应用

研究表明，向普通再生剂中加入增溶剂制成增溶型再生剂，可进一步提高再生剂在老化沥青中的渗透效果。增溶型再生剂中的增溶分散组分能形成胶团并吸附在沥青质颗粒周围，进而形成良好的溶剂化层，增强沥青胶态体系的稳定性。

2 渗透的评价方法

关于再生沥青中再生剂的渗透作用的评价，目前还未出台相关标准，但可通过对再生剂与旧沥青混溶状态的评价来侧面评价其渗透效果。针对再生剂与旧沥青的混溶状态，Alqadi认为可分为3种：完全不混溶状态，如图2（a）所示；部分混溶状态，如图2（b）所示；完全混溶状态，如图2（c）所示[16]。然而，目前国内外学者对于再生剂与旧沥青混溶程度的评价方法还没有达成共识，测试方法均存在一定的局限性。主要测试方法包括结合料标识法、分步抽提法和性能间接评价法。

图2 再生剂与沥青混溶状态

2.1 结合料标识法

Nguyen V H使用铁红对新沥青进行标记，对再生沥青混合料马歇尔试件进行切片，观测切片截面染色区域面积分布，从而评价新旧沥青的混溶状态[17]。徐伟等使用纳米氧化锌对新沥青进行标记，通过观测再生沥青胶浆中氧化锌颗粒的分布情况，评价新旧沥青的混溶状态[18]。

Navaro等采用色素对新结合料进行标记，使用显微镜观察再生沥青混合料试件，研究不同拌合时间与拌合温度条件下再生剂在旧沥青内部的分布状态[19]。

2.2 分步抽提法

Bowers 等通过TCE对再生沥青混合料中的再生沥青进行分层提取，然后使用动态剪切流变仪（DSR）、凝胶渗透色谱（GPC）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）定量测试和比较每层沥青，鉴定RAP和新沥青的融合程度。研究结果表明，各层新旧沥青的融合程度具有差异性[20]。

Huang等对再生沥青混合料集料颗粒进行多次分层抽提，比较各层抽提沥青的黏度与G*的差异性；测试结果发现，内层沥青的黏度与G*均高于外层沥青，表明包裹在集料上的旧沥青的再生程度由内至外逐渐减弱，表层旧沥青再生程度最佳，且旧沥青与新沥青不能完全融合[21]。

2.3 间接评价法

秦永春等研究了不同RAP掺量时，常规再生和理想再生条件下再生沥青混合料的MS0、TSR以及间接拉伸模量。试验结果显示：常规的再生沥青混合料的指标均高于理想再生沥青混合料；当RAP掺量较低时，新旧沥青能够很好地融合[22]。

Falchetto等制备了含有不同量的RAP和RAS的14种沥青混合料，并通过试验测量了蠕变刚度，使用Huet模型和EcoleNationale des TravauxPublis de l'Etat（ENTPE）转换，将混合料试验数据回归，计算出沥青蠕变刚度[23]，对比模型预测值与实测值，发现反向计算结果与试验数据存在较大差异，表明新旧沥青只是部分混溶。

AkshayGundla研究了不同RAP掺量下沥青混合料的动态模量，通过预想新旧沥青混合比例绘制模量相差率曲线，并与实测值进行比较，从而间接反映新旧沥青实际混溶比例[24]。

牛昌昌研究了再生剂对老化沥青的渗透效果。在再生剂扩散完成后，将试验测得的沥青软化点与扩散时间按照关系式进行拟合。

S=kt＋q （1）

其中，S为沥青实测软化点；k为再生剂的扩散系数，表征再生剂在老化沥青体系内部的扩散能力，k的绝对值越大，再生剂的渗透效果越好；t为扩散时间；q为常数，代表老化沥青的初始软化点。

试验分析结果表明，老化沥青的软化点与扩散时间满足关系式（1），且相关系数均达0.96以上。因此，可采用扩散系数k对再生剂在老化沥青内部的扩散渗透行为进行表征[25]。

3 增溶剂的应用实例

3.1 试验材料

试验选用废旧沥青混合料经处理后得到的老化沥青，性能指标如表1所示；采用一种含有极性环氧基团的化学油分的增溶剂，其主要性能指标如表2所示；普通废旧沥青再生剂A及含有增溶剂的增溶型再生剂AS的性能指标如表3所示[26]。

3.2 再生剂渗透性能

采用间接评价法，向废旧沥青0的表面涂抹普通再生剂A得到试验组0-A，向废旧沥青0的表面涂抹渗透型再生剂AS得到试验组0-AS。经渗透试验后（160 ℃烘箱中保温4 h），取废旧沥青和不同种类再生剂分界面以下不同深度的沥青样品分别进行化学组分测试，以此评价再生剂的渗透性能，研究增溶剂对再生剂渗透性能的影响。

表1 老化沥青的物理性能及化学组分

表2 增溶剂的主要性能指标

表3 再生剂的物理性能及化学组分

表4给出了渗透试验后各试验组在不同深度下的4组分测试结果。从表中可以看出：当老化沥青的表面分别涂抹普通再生剂A，取自老化沥青与再生剂界面下2 mm样品的芳香分含量和沥青质含量变化明显，而2 mm之后的芳香分含量和沥青质含量无显著变化，说明普通再生剂A经渗透试验后进入老化沥青的深度约为2 mm；而当老化沥青的表面涂抹渗透型再生剂AS时，经老化试验后老化沥青与再生剂分界面以下4 mm之内样品的芳香分含量和沥青质含量变化明显，而4 mm之后样品的芳香分含量和沥青质含量无显著变化，说明渗透型再生剂AS经渗透试验后进入老化沥青的深度约为4 mm。

由此可知，再生剂AS的渗透能力比再生剂A更强，表明增溶剂改善了再生剂的渗透能力。

3.3 再生剂对老化沥青性能的影响

表5显示了不同再生剂对老化沥青性能的影响。可以看出，渗透型再生剂AS和普通再生剂A对老化沥青各项指标的恢复表现出明显的差异，与普通再生剂A相比，渗透型再生剂AS显著提高了老化沥青的针入度及延度，降低了老化沥青的软化点及黏度。这可归因于增溶剂显著提高了再生剂的渗透性，使得再生剂的作用大大增强，进而加强了再生剂对老化沥青性能的改善作用[27-29]。

表4 四组分测试结果

表5 再生剂对老化沥青性能的影响

4 结语

（1）增溶剂是一种增溶型表面活性剂，可以有效溶解分散老化沥青中团聚的沥青质，增加再生剂在老化沥青中的渗透性能，进一步促进老化沥青与再生剂的融合，从而提升再生剂的作用效率，改善再生沥青混合料的性能。

（2）增溶剂种类繁多、性能迥异，在使用时应根据实际情况作出选择，并通过前期试验研究来确定其最佳掺量。

（3）向再生剂中加入增溶剂可制得渗透型再生剂，能进一步发挥再生剂的效果，大大改善再生沥青的性能。然而，目前针对再生剂在再生沥青中的渗透效果，尚未出台相关标准，应进一步提出更加快速、便捷的方法或检测仪器来评价增溶剂对再生剂在沥青中的渗透性能，从而充分提高增溶型再生剂在再生沥青混合料中的使用效果。