植物油再生沥青及其混合料路用性能试验研究

孟建玮， 魏 琳， 曹志国， 唐福贤， 孟献春

(1.河南省济阳高速公路建设有限公司， 河南 济源 454100； 2.河南交通职业技术学院， 郑州 451000；3.武汉市汉阳市政建设集团有限公司， 武汉 430050； 4.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

当前我国高等级公路已进入大中修时期，对沥青混凝土路面维修，采用路面再生技术是当前最环保、最经济的工程措施。美国自1915年开始研究沥青路面再生技术，已拥有相当丰富的技术积累；日本自1976年开始研究沥青路面再生技术，目前其RAP利用率已高达80%以上[1]；我国2003年在京津塘高速、京石高速上开展应用沥青再生技术，标志着我国公路养护正式进入可持续发展时代，但我国沥青再生技术研究起步较晚，与发达国家还有很大差距。

道路石油沥青是一种复杂的有机混合物，是原油通过减压蒸馏的产物，不同产地的沥青各组分含量也有差异。沥青是由芳香分、饱和分、胶质以及沥青质有机组合而成的溶胶结构，当沥青长期暴露在空气中，经热氧老化、紫外老化的共同作用，沥青中的轻质组分会缓慢挥发或聚合为重组分，此时由于分散介质的减少，沥青的流变能力减弱并逐渐硬化，从溶胶结构经溶凝胶结构向凝胶结构转化，从而完成老化过程[2]。再生，即老化的逆过程，目前主流的再生理论有组分调和理论、相容性理论和橡胶增塑理论。SHEN等[3]的研究结果表明，再生剂可显著改善老化沥青混合料的低温性能。GONG[4]开发了一种以生物油为基础油分的再生剂，通过对生物油改性沥青的流变特性、微观结构等进行研究，发现其可以软化老化沥青，提高低温抗裂性能。JIA等[5]研究发现，当加入适量废机油时，可显著改善沥青的流变性能和红外光谱特性，提高低温性能。本研究在组分调和理论基础上开展研究，通过调和沥青各组分之间的比例关系，使老化沥青恢复其原有组分，并以菜籽油作为再生剂，探讨不同掺量再生剂对再生沥青及其混合料路用性能的影响[6]。

1 再生剂制备

根据组分调和理论观点，再生剂应具有较高的轻质组分、获取简单及成本经济等优点。特选取菜籽油作为再生剂的基础油，菜籽油中的饱和分和芳香分之和占总质量的58.8%，且不含沥青质，其组分见表1。菜籽油常温下为液体，凝固点为-10 ℃，沸点为335 ℃，通过DSC测试其高温稳定性，结果如图1所示，在200 ℃高温条件下，基本不会发生热损耗，满足再生沥青混合料施工过程中的严苛条件，是一种耐高温的优良基础油分。

由于单一的轻质油仅仅具备组分调节功能，老化沥青中的沥青质分子量很大，聚集成团，不易分散，所以需要添加一种能够有效溶解沥青质的高效溶解剂，将聚集在一起的沥青质分散成更小的沥青质，这样才能使沥青质在分散介质中“游动”，将团聚的大块沥青质溶解，使其分布均匀，有效提高沥青的流动性，宏观上表现为沥青的变形能力增强，延展性提高[7]。为此，选择邻苯二甲酸二甲酯(DMP)作为溶解剂，DMP是一种无色透明微黄色油状液体，稍有芳香味，易溶于有机溶剂，与沥青的相溶性极好，沸点为283.7 ℃，满足再生沥青混合料的生产温度要求。

表1 菜籽油的化学组分 wt%

图1 菜籽油的高温稳定性测试

为延长再生沥青在不同环境下的使用寿命，须先解决再生沥青的抗二次老化问题，如果不能抑制再生沥青的老化，再生沥青的轻质组分会再次挥发，陷入老化-再生-老化的循环之中。为此，选取二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)作为抗老化剂，ZDDP在热氧条件下发生氧化作用生成氧化锌膜，从而隔绝氧气防止继续氧化。

将菜籽油、DMP、ZDDP按照特定比例分别加入到反应釜中，在130 ℃条件下，高速搅拌约1 h，待其自然冷却后保存。

2 再生沥青制备及性能分析

2.1 再生沥青制备

1) 将工程现场铣刨的RAP风干，采用四分法分成4份；2) 随机抽取一份放入离心抽提机中，用三氯乙烯作为溶剂，将溶剂加热后开启抽提机；3) 沥青在高温和离心作用下溶于三氯乙烯中，矿粉留在滤纸上，旧集料分别留在相应筛上；4) 将三氯乙烯溶液进行旋转蒸发，溶剂越来越少，沥青逐渐析出；5) 将溶剂蒸干后称量其质量，得到该批RAP的旧沥青含量为3.64%。

为验证抗老化剂ZDDP对再生沥青的抗老化效果，将上述抽提得到的老化沥青分别与不同掺量的再生剂混合，进行旋转薄膜烘箱老化试验[8]，并测定其质量损失率，结果如图2所示。由图2可知，随着再生剂掺量的增加，再生沥青质量损失率逐渐降低，但再生剂掺量6%以后质量损失率的变化趋稳，而在0%到6%范围内，ZDDP含量的增加使其抗氧化性能增强，6%以后有用的ZDDP含量已达到饱和，其氧化产物氧化锌膜已完全包裹住沥青表面，致使其质量损失不再继续降低。

图2 再生剂掺量与再生沥青质量损失率关系

2.2 再生沥青性能分析

取抽提出来的老化沥青与不同掺量的再生剂混溶，对再生沥青进行四组分分析，结果如图3所示。由图3可知，随着再生剂掺量的增加，饱和分、芳香分、胶质含量均有所增加，沥青质的含量明显下降，在0%到6%过程中变化较明显，再生剂掺量超过6%后变化幅度趋于平缓。

通过不同掺量再生剂再生后，老化沥青的三大指标变化如图4所示。由图4可知，随再生剂掺量的增加，再生沥青的延度和针入度不断增大，软化点逐渐降低。即再生剂中的轻质组分融入到老化沥青中，溶解并分散了老化沥青中的沥青质，使沥青软化，表现为延度和针入度增大，软化点降低。

采用沥青动态剪切流变仪，以车辙因子(G*/sinδ)为指标，分析再生沥青的高温性能，结果如图5所示。由图5可知，随着温度升高，沥青的车辙因子明显下降，但再生沥青车辙因子下降的斜率明显低于老化沥青，说明再生剂的加入改善了老化沥青的高温敏感性[9]；且随着再生剂掺量的增加，车辙因子越来越小，表明再生剂对沥青的软化效果显著，当再生剂掺量为8%时，再生沥青的车辙因子基本与新沥青相同。

图3 再生剂掺量与四组分含量关系

图4 再生剂对老化沥青三大指标影响

图5 再生沥青车辙因子

由于植物油中的轻质油分渗入到老化沥青中，激发了老化沥青的表面活性，促使新老沥青界面开放，由于新旧沥青各组分之间存在的浓度差会提供一种融合动能，促使高浓度组分向低浓度组分流动，并达到一种平衡浓度，从而完成新老沥青融合再生[10]。但因沥青为复杂的有机物，各种官能团和化学键形成的引力组合对这种融合动力会造成一定的损耗，致使新沥青与旧沥青各组分不能完全一致[11]。外界温度高时，沥青动力黏度会降低，此时阻碍作用变小，有利于新老沥青组分再平衡；当外界温度降低时，沥青的黏度增大，新旧沥青之间的粘滞力呈指数增长，此时新沥青会停止扩散[12-13]。新旧沥青之间形成一道明显的界线，在外力作用下该界线容易出现应力集中，发生断裂，直接导致再生混合料剥落，对再生混合料的水稳定性和耐久性产生不利影响[12]。

3 再生沥青混合料性能评价

工程实践表明，掺加RAP的再生沥青混合料的高温性能均优于新拌沥青混合料，完全满足规范要求。已有研究和应用指出，低温应变和水稳定性是制约RAP掺量的主要因素。为此，本文主要考虑再生剂掺量和RAP掺量对再生沥青混合料水稳定性与低温性能的影响[13]。低温性能采用-10 ℃条件下的小梁弯曲试验验证，水稳定性能采用冻融劈裂试验验证，分别取最大弯拉应变δ和冻融劈裂抗拉强度比TSR作为响应指标，试验采用双因素四水平正交试验，并采用Design-Expert设计共计16组试验，根据设计结果分别进行再生沥青混合料的低温小梁弯曲试验和冻融劈裂试验，结果见表2。

根据正交试验得到的最大弯拉应变δ和TSR试验结果，以再生剂掺量A和RAP掺量B作为变量，通过二次拟合生成得出其相关拟合方程：

δ=-17.94A2-0.21B2-2AB+386.3A+17.21B+1 262.92

TSR=-0.23A2-0.000 395B2+6.39AB+3.75A-0.31B+83.76

以拟合方程作为预测模型，最大弯拉应变和TSR响应模型预测值与试验值的对比如图6、图7所示。图6、图7中，K=1的直线上任意一点表示预测值与试验值完全吻合，由于数学模型的拟合不可能做到完全拟合，因此最为理想的拟合结果为试验值均匀地分布在K线的两侧且紧邻K线，点到K线的数值距离或水平距离的大小即代表模型的偏离程度。当点出现在K线上侧说明预测值大于试验值，反之则说明预测值小于试验值，对比分析K线附近点的分布规律，有利于把握模型的可靠程度。

表2 正交试验设计

图6 最大弯拉应变预测值与实际值对比

图7 TSR预测值与实际值对比

以最大弯拉应变为响应指标的响应如图8所示。由图8可知，在无再生剂作用下，无论RAP掺量为多少，均达不到规范要求的2 000 με，且随着RAP掺量的增加，最大弯拉应变略微下降；在低RAP掺量条件下，最大弯拉应变随着再生剂的增加而增大，说明再生剂在一定范围内对老化沥青的低温延性改善较好，但当RAP掺量超过40%，再生剂的掺量在8%左右会出现峰值，此时再提高再生剂的掺量也无法更好地提高再生沥青混合料的低温变形性能。

图8 最大弯拉应变拟合3D图

以TSR为响应指标的3D云图如图9所示。由图9可知，再生沥青混合料的水稳定性能受RAP掺量影响很大，在无再生剂作用下，RAP掺量超过30%将无法满足规范要求75%的TSR值。再生剂的加入会使得TSR值产生较大的增长，特别是在0%～8%区间内，再生剂的掺量超过8%后对再生沥青混合料的水稳定性能增长效果不再显著，甚至会略微下降，这是由于高剂量的再生剂在短暂的拌和时间内无法与沥青完全融合，致使新集料表面接触到过多的再生剂油膜，从而导致沥青与新集料之间黏附力不足，水稳定性下降。

图9 TSR拟合3D图

由最大弯拉应变和TSR为响应指标的2D云图如10所示，规范值用等高线表示。图10(a)中，被2 000等高线包围的区域为满足最大弯拉应变规范要求的组合，区域内每一个点可代表一种组合方式；图10(b)中， 75等高线趋近于直线，其右下方区域均满足规范要求，由于水稳定性指标比较容易达到，因此75等高线的曲线半径非常大，在小范围内近似于直线。从图10(a)可见，在2 000等高线范围内有2个区域，右下角区域的低温性能远远超过规范要求值。为得到较好的经济性，即RAP利用率越高，再生剂产量相对较小又能够满足规范要求，在再生剂6%掺量下，RAP的掺量可高达接近80%。从图10(b)可见，30%RAP掺量以内，几乎不需要再生剂的参与就可满足水稳定性的要求，4%掺量的再生剂可让RAP掺量提高到80%。为得到综合低温性能与水稳定性能的解集，将图10合并，其交集即为满足2项性能的组合值，如图11所示。

图11中，阴影部分为2个解集的交集部分，即在该阴影部分上任意一点都可满足规范要求。由图11可知，水稳定性指标对再生沥青混合料性能的影响较小，不是制约RAP掺量的主要因素。因此，要提高RAP利用率，应主要考虑其低温变形性能。

(a) 最大弯拉应变要求

(b) TSR要求

图11 双因素双响应交互作用云图

4 结论

1) 添加6%掺量的ZDDP能有效减少沥青的二次老化，6%掺量的再生剂能够有效恢复老化沥青4组分，将沥青质转化为芳香分和饱和分，且对老化沥青的3大指标改善效果良好。

2) 动态剪切流变试验表明，随着再生剂掺量的增加，老化沥青的车辙因子降低明显，当再生剂掺量为8%时，可将老化沥青的车辙因子恢复至新沥青水平。

3) 在低掺量RAP条件下，最大弯拉应力随着再生剂的增加而增大，说明再生剂在一定范围内对老化沥青的低温延性改善较好，但当RAP掺量超过40%，再生剂的掺量在8%左右会出现峰值，此时再提高再生剂的掺量也无法更好地提高再生沥青混合料的低温变形性能。

4) 再生沥青混合料的水稳定性能受RAP掺量影响很大，在无再生剂作用条件下，RAP掺量超过30%将无法满足规范要求75%的TSR值。再生剂的加入会使得TSR值产生较大的增长，特别是在0%～8%区间内，再生剂的掺量超过8%后对再生沥青混合料的水稳定性能增长效果不再明显。

5) 根据预测模型，综合低温性能和水稳定性能，在6%再生剂掺量下，RAP的掺量可高达接近80%，此时其路用性能仍能满足要求。需特别说明的是本次研究结果是基于室内试验，对于工程应用，不仅是材料组成，还必须考虑生产设备的匹配。