沥青老化再生机理及再生剂效用影响因素分析

摘要 使用再生剂能够恢复老化沥青的流变特性，进而改善再生沥青混合料的路用性能，经济环保效益显著，文章首先阐述了沥青老化和再生机理，然后分析了再生剂类型、掺量、新沥青等级和产地、旧路面材料的类型和质量、混合时间和温度、混合料中加入再生剂的方法等影响再生剂效用的六大因素，并进行了价值效益分析。结果表明，经最终决算分析，使用再生剂的设计方案可节省成本约50%。同时，文章还指出了再生剂应用过程中存在的问题和面对的挑战，以期为国内沥青再生剂研究和应用提供参考借鉴。

关键词 沥青混合料；再生剂；再生机理；旧沥青路面材料；路面性能

中图分类号 U460 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）13-0176-04

0 引言

美国公路运输路网较早建成，目前每年产生近8 000万吨旧沥青路面材料，考虑环保和节约的因素，其中大部分都被再生利用为沥青路面。近年来，随着我国大量沥青路面进入大中修养护期，越来越多的旧路面再生材料亟需再生利用。因此，借鉴和学习美国采用沥青再生剂的经验，对我国旧沥青路面的再生使用颇具意义。

旧沥青路面材料再生利用是路面工程领域可持续发展的必经之路，然而大量掺入旧沥青路面材料后的沥青混合料普遍存在黏稠、易脆的特性，导致再生混合料不易拌和、难于压实，与新沥青路面相比易于开裂、剥落、耐久性差等问题。为再生利用旧沥青路面材料、持续保证再生混合料的路用性能，美国各州通常采用软沥青、温拌技术、沥青再生剂或综合措施予以解决。采用软沥青或温拌技术，再生利用的旧沥青路面材料数量有限，若需大比例的再生利用旧沥青路面材料，添加再生剂才是必经之路。

沥青再生剂是一种能够有效恢复老化沥青流变性能的材料，在再生沥青混合料中使用再生剂具有三大优点：改进施工和易脆性；提升混合料性能；具备经济和环保优势。在美国，一些再生剂产品存在数十年之久，早在20世纪70年代末80年代初，就开发了ASTM D4552试验，依据60 °环境下的黏度指标，将再生剂产品分为六个等级，以帮助不同再生沥青混合料使用者选择合适的再生剂[1-2]。

该文首先基于胶体模型分析了沥青老化级再生机理，然后综述了目前美国有关沥青路面工业中再生剂使用的相关知识，包括再生机理、再生剂使用效果的影响因素等。

1 沥青老化和再生机理

沥青材料可以采用胶体模型表示，包括离散相和连续相两部分，其中高极性不溶的沥青质分散在可溶性的软沥青相中，沥青质是离散相，分别形成基团，但并没有交联成网；软沥青是连续相，包括饱和物、芳烃和树脂等[3]。沥青流变特性受各相组分比例、沥青质集群大小及其分散性影响。一般来说，高延性的软质沥青中可溶性相占比较大，沥青质分散性好。

随着沥青的老化，连续相中的一部分轻质油分挥发，另有一部分经氧化作用转化为沥青质，改变了沥青胶体模型中各相组分比例和沥青质集群的大小，导致沥青黏结剂的硬化和脆化，影响了它的拉伸和抗裂能力。再生剂可以改变沥青中离散相和连续相的比例，减少沥青质集群的大小，提高离散相的分散性，增加分子的流动性，从而改善再生沥青的黏度、脆性和延展性能。

再生剂能改变沥青中离散相和连续相的比例，减少沥青质集群的大小，提高连续相的分散性，增加分子的流动性。这反过来又降低了再生沥青黏合剂的黏度、刚度和脆性，并提高了其延性。

从化学观点来看，再生剂不能逆转旧沥青路面材料中沥青的氧化作用，相反，它主要从流变学和性能特性两个方面逆转了老化的作用。再生剂的作用机制主要取决于三个关键因素：

（1）再生剂、老化沥青、新沥青在沥青混合料中的均匀分散。

（2）再生剂在老化沥青中的扩散。

（3）老化沥青、新沥青、再生剂的配伍性。

分散性是物理过程引起的混合，再生剂通过机械搅拌均匀分散在沥青混合料的未处理和回收的老化沥青中。在装置内的机械搅拌通常足以实现再生剂在混合料内部的均匀分散，且分散程度与搅拌时间正相关：混合时间越长，分散性越好。

扩散是一个组分从高浓度向低浓度移动的过程。当再生剂与旧沥青路面材料直接接触时，由于扩散机制，老化的沥青容易迅速吸收再生剂中的所有烃类液体。再生剂分四个步骤扩散到老化的沥青中[4]：

（1）该再生剂形成一个非常低的黏度层，该层包裹着老化的沥青，覆盖在回收材料颗粒上。

（2）再生剂开始扩散到老化的沥青外层，并开始软化老化的沥青；随着扩散过程的继续，再生剂在老化颗粒材料周围的数量持续减少。

（3）随着时间的推移，再生剂扩散到老化的沥青内部，降低其内层黏度。

（4）一段时间后，扩散达到平衡。

随着混合温度和压实温度的升高，扩散速率加快。此外，再生剂的类型和剂量以及老化沥青的流变性能也会影响扩散过程。较低黏稠的再生剂以高剂量添加到较软的老化沥青中，其扩散预期要高于高黏稠的再生剂以低剂量添加到极老化沥青中。

在沥青混合料中加入再生剂的方法对其扩散有影响，从而影响其在沥青混合料中的有效性。当再生剂与旧路面材料混合后，再与原始沥青和骨料结合时，再生剂的扩散效果会更好，因为再生剂与原始沥青和骨料的直接接触，有利于再生剂在老化沥青中扩散。

然而，需要注意的是，这一过程很难在沥青工厂中实际实施。通常情况下，再生剂添加到新沥青中，然后将沥青再生剂混合液添加到新集料和回收材料的组合中。与在新沥青中加入再生剂相比，将再生剂与再生材料直接混合，可以获得更好的扩散效果，并且随着混合温度和压实温度的提高，扩散速度可以加快。

再生剂在老化沥青中不完全扩散会引起路面破损。如果再生剂没完全扩散到老化的沥青中，部分老化的沥青混合料仍会以单独的形式存在，这会有效降低混合料中活性黏结剂的含量，导致混合料变硬、变脆，增加开裂的危险。同时，没有扩散的再生剂聚集在局部范围的混合料中，可能会使沥青组分软化过度，从而在重载下引发车辙的危险。

再生剂的效率取决于分散和扩散过程以及它与新旧沥青的相容性，配伍性也是一个重要的参数。如果再生剂与其他组分材料配伍性差、分布不均匀，则再生混合料路面在高温下的车辙性能较差，在低温下的抗裂性较差。

2 影响再生剂效用的因素

影响再生剂发挥效用的因素概括起来包括材料因素和生产因素。材料因素，例如：再生剂的类型及用量，再生材料的种类、来源和数量，新沥青的来源和等级等。生产因素，例如：拌和时间和温度，混合料中加入再生剂的方法（添加到沥青或直接添加到回收材料中）。

2.1 再生剂类型

再生剂的类型影响再生沥青混合料的再生机理和相容性能。基于不同的化学原理，可生产制造不同种类的再生剂。再生剂有单一组分和混合组分之分，总体来说，组合组分的再生剂再生效果更好。目前市面上有几种回收剂，根据NCAT（2014）[5]分类为石蜡油、芳香族萃取物、妥儿油、环烷油、甘油三酯和脂肪酸（来自植物油）。

石蜡油是一种矿物油，是从原油分馏中所得到的无色无味的混合物。芳香族萃取物是一种以极性芳香族油成分为主的精制原油产品和传统回收剂。妥儿油是造纸的副产品，通常由脂肪酸和树脂组成。环烷油是用于沥青改性的工程烃。植物油通常由甘油和脂肪酸的混合物组成。

此外，还有更多类型的再生剂，如生物基础油和改性植物油，正在不断生产和投放市场。生物基础油主要由脂肪胺衍生物和生物溶剂组成，而改性植物油则是含有基本植物油成分和添加化学成分的复合回收剂。乳液形式的回收剂也可用于热拌沥青混合料的生产，但它们最常用于现场冷再生。市面上出售的大部分再生剂都是专利产品，因此很难对它们的成分进行详细的化学描述。

再生剂对再生黏结剂和沥青混合料的影响，在不同产品间存在显著差异。为将老化沥青再生为相同PG等级的沥青，采取的有机类的再生剂数量应少于石油基类的再生剂数量。有机类的再生剂包括废植物油、有机油、废植物油及蒸馏植物油等，石油基的再生剂包括芳香族萃取物和废机油等。废弃食用油和蓖麻油比以石油为基础的产品需要更低的剂量，就能对老化黏合剂的黏度产生同样的效果。与以石油为基础的产品相比，妥尔油、植物油和生物基础油需要更低的剂量以减少可回收黏合剂混合物的高温性能。与环烷基油、石蜡基油、常规机油等循环剂相比，生物油和石油馏分油是降低老化黏合剂黏度的最有效的再生剂。比较了三种回收剂的效果（芳香族萃取物、高油、大豆油）对再生沥青混合料的性能影响，并通过动态模量和半圆弯曲试验，发现芳香族萃取物在降低刚度和增加抗裂性方面比其他回收剂更有效。

在讨论再生剂的类型时，区分其中的软化剂的再生成分很重要。有的文献将这两组分混淆，研究表明将两者分开很有必要，软化组分主要降低老化沥青的黏性，而再生组分则恢复沥青的化学和物理组分（通过改变沥青质和分散相的比例），从化学方面来说，沥青氧化老化增加了极性和分子量，将非极性或溶剂相转变为极性。软化剂可将低极性和低分子量的芳香烃、环烷或石蜡油补充在沥青胶态结构中，而再生剂的作用机理不同，其可以分解老化形成的沥青质团簇和团聚体。因此，在降低刚度、逆转老化沥青的脆化、将老化沥青的黏弹性响应转变为弹性响应等方面，再生剂比软化剂具有更大的剂量效率优势。

2.2 再生剂掺量

再生剂的用量旨在平衡再生沥青混合料的性能，在不降低其抗车辙性能的前提下，提高其抗开裂性能。

对于特定类型的再生剂和回收材料，不足的剂量可能会降低回收的沥青刚度和脆性，但在提高沥青混合料的抗裂性方面可能没有明显的效果。相反，过量的再生剂可以软化再生的沥青，显著提高其抗裂性，但会导致再生沥青混合料抗车辙性能的不佳。过量的再生剂也会导致其他问题，如附着力差、再生沥青膜从集料中剥离等。再生剂的用量也会影响再生沥青混合料在长期老化后的流变学和化学变化。因此，对于特定的旧沥青路面材料，谨慎地选择再生剂剂量以优化再生混合料性能也很重要。

一般来说，再生剂的剂量是根据经验或再生剂制造商的建议进行选择。然而，对于不同类型和数量的回收旧沥青路面材料的混合物，再生剂因类型不同而所用剂量的差异很大，主要受新沥青的来源和等级、回收材料的老化程度以及它们在混合物中的比例等因素的影响。为了确定再生剂的剂量，有研究人员综合分析了不同因素对掺量的影响，提出选用的推荐表，大大简化了现场人员的操作难度。

另外，再生剂用量应均衡，使用不足的剂量可能无法在中低温下恢复再生沥青的流变性和混合物性能，而使用高剂量可能不利于混合物在高温下的性能。目前选用再生剂剂量的基本思路，还是要兼顾高温抗车辙、低温流变、气候和交通等综合因素进行最终确定。

2.3 新沥青等级和产地

为了减轻再生沥青混合料增加的硬度和脆性，美国几个州建议使用较软的新沥青，其通常具有较低黏度和较高的针入度。较软的新沥青也可以与再生剂一起使用。当使用较软的沥青时，与使用较硬的沥青相比，所需再生剂的数量相应降低。

除了沥青等级，沥青来源也影响再生沥青混合料的性能。通常采用Tc表征沥青原属地质量，该指标是沥青在一定刚度和松弛性能上的温度差异。研究证明，拥有较高Tc值的沥青延性和松弛性能均优于较低Tc值。同样，也可以采用这个指标评价再生后的沥青性能[6]。

旧沥青的改性（如聚合物改性剂SBS等）是影响再生剂有效性的另一个可能因素，改性后的沥青流变性能变化很大，老化后再生需要解决的问题更为复杂，适用不同沥青改性剂量的再生剂产品较少。通过对比有无SBS改性剂的老化沥青受再生剂的影响，研究得出再生剂的剂量对再生混合料的耐久性能差异显著[7]。

2.4 旧路面材料的类型和质量

旧沥青路面材料的老化程度、刚度、碎化程度等因素，对采用再生剂恢复老化沥青流变性能具有较大影响。旧材料中的沥青刚度越大、沥青越老化，恢复到同等性能所需的再生剂剂量越多，多项研究表明，特别是沥青的老化程度，受日照雨淋等气候影响，劣化老化严重的沥青对再生剂的剂量和性能要求更高。

再生剂的有效性也取决于旧路面材料的来源。不同来源地的旧沥青路面材料由于级配、沥青含量、老化程度、破碎方式的不同，再生恢复到同等性能的沥青混合料，所需同等型号的再生剂剂量差异很大。

当考虑旧路面材料的来源时，最先需要考虑的是其中有否采用聚合物改性，聚合物的存在会影响再生剂的使用效果，特别需要关注其长期使用性能，采用多种再生剂辅助再生可能会取得较好效果。

旧沥青路面材料的掺量比例也是影响再生剂效果的重要因素，随着旧路面材料掺量比例的增大，需要更高剂量的再生剂。然而，即使使用较高剂量的再生剂用于再生较高比例的旧路面材料，再生剂的有效性也会因沥青老化程度的不同而存在差异。再生剂会降低再生沥青混合料的刚度，有效性也会随老化时间的延长而降低。再生沥青混合料中，再生沥青在总沥青中的比例超过50%后，再生剂对改善混合料的长期性能效果下降显著。

2.5 混合时间和温度

再生剂在新材料和再循环料中的分散程度主要受拌和时间的影响，拌和时间越长，混合越均匀。因此，应适当延长拌和时间，保证再生剂均匀分布。

拌和温度决定沥青的黏度，低黏度能够确保沥青具有足够的流动性以覆盖和黏附集料，也保证了再生剂的均匀混合。旧沥青路面材料拌和黏度大，通常需要200 ℃的高温才能使老化沥青软化拌和，一些老化严重的旧沥青混合料可能需要更高的温度。然而，如此高的温度导致沥青老化更为严重，而且也会因制造高温而耗费大量能源。

添加再生剂的好处是可以避免如此高的生产温度，因为再生剂会软化沥青，而沥青混合料的流动性足以覆盖团聚体颗粒。与新拌沥青混合料的生产温度相比，稍微提高再生沥青混合料的生产温度，可加快再生剂向老化沥青的扩散速度，从而提高再生剂的效率，有助于沥青更容易流动、覆盖和黏附在集料上。

2.6 混合料中加入再生剂的方法

在再生沥青混合料中加入再生剂的方法对其扩散也有影响，进而影响其在再生沥青混合料中的有效性。

美国在沥青混合料拌和站现场直接将新旧材料拌和生产，工艺便捷快速。而另外一种方法，当再生剂与旧沥青路面材料混合后，再与新沥青和新集料结合，预期的扩散效果会更好。然而，这一过程在实际生产中需要更换现有的生产流程，难于实现。日本使用了较多的再生剂产品，其部分地区通常将旧沥青路面材料先加热后，再与再生剂拌和，并放置在一个预混锅内，保温拌和数小时，然后再添加新沥青和新集料，取得了较好的路用效果。后一种方法的再生剂与旧材料融合时间较久，混合更加均匀，老化沥青的再生效果更理想，因此是后期着重需要推广应用的技术。

3 使用再生剂的成本效益分析

沥青路面的成本主要包括四个方面，材料、拌和生产、运输和现场铺设，其中材料费用占比最大，一般在70%左右。因此，大量采用旧沥青路面材料可以大幅度降低沥青路面的成本。采用较软的新沥青拌和旧沥青路面材料是一种使用较为普遍的做法，然而旧沥青路面材料的使用比例通常受限在30%以内。此外，使用较软的沥青也不能保证再生沥青混合料的路用性能，沥青路面早期病害频发，增大了养护成本。因此，采用新沥青的再生混合料，旧沥青路面材料比例受限，路面使用性能无法保证，并且养护成本较高，再生方案的经济效益不显著。

采用再生剂使用旧沥青路面材料的比例不受限制，大比例地采用旧沥青路面材料可以节约材料费用50%～70%，大大降低了工程材料费用，而增加的再生剂成本，由于掺量较少，其成本增加有限。因此，采用再生剂的再生沥青混合料与新建沥青路面相比，成本得到大幅度降低幅度，美国部分州采用该种再生方案，项目结束后经最终决算分析，节省成本约50%。

4 结语

经济和环保双重因素的制约，迫使人们不得不大量采用旧沥青路面材料。然而，由于这些材料中的沥青坚硬、易脆，导致再生沥青混合料在现场难以压实，服役期容易出现开裂、剥落和耐久性不足等诸多问题。再生剂能够恢复老化沥青的流变性能，提高旧路面材料的使用比例，路面性能也能满足实际使用要求，是较好地解决旧沥青路面材料的途径之一。

该文总结了再生剂的再生机理，并分析了再生剂再生效果的影响因素，通过价值效益分析指出这种再生方案的经济效益显著。然而，使用再生剂还存在一些亟待深入研究的问题，比如再生剂的分类体系基于传统沥青的试验方法，不能有效体现再生效果，因此采购人员难以甄选效果较好的产品，优良产品难于推广发展；较多的旧沥青路面材料采用聚合物改性沥青，然而针对不同聚合物改性沥青再生机理的深入研究和有效产品开发较少，实际情况是较多的再生剂产品不能有效再生旧聚合物改性沥青的路面材料；再生剂与旧材料的预混技术效果显著，然而实际使用较少。因此，这些问题在旧沥青路面材料循环利用、再生剂开发、推广等方面是下一步需要着力解决的关键。

参考文献

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[3]张永兴， 熊出华， 凌天清. 再生剂与老化沥青微观作用机理[J]. 土木建筑与环境工程， 2010（6）： 55-59.

[4]T. Ma， X. Huang， Y. Zhao， Y. Zhang. Evaluation of the diffusion and distribution of the rejuvenator for hot asphalt recycling[J]. Constr. Build. Mater， 2015（98）： 530-536.

[5]Akash Bajaj， Amy Epps Martin. Evaluation and classification of recycling agents for asphalt binders[J]. Constr. Build. Mater， 2020（260）： 119-123.

[6]R. M. Anderson， G. N. King， D. I. Hanson， P. B. Blankenship. Evaluation of the relationship between asphalt binder properties and non-load related cracking[J]. J. Assoc. Asphalt Paving Technol， 2011（80）： 615-649.

[7]I. Menapace， L. Garcia Cucalon， F. Kaseer， E. Arámbula-Mercado， A. Epps Martin， E. Masad， G. King. Effect of Recycling Agents in recycled asphalt binders observed with microstructural and rheological tests[J]. Constr. Build. Mater， 2018（158）： 61-74.

收稿日期：2024-03-20

作者简介：肖江（1985—），男，本科，工程师，从事高速公路养护管理工作。

基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目“基于材料表面自由能的再生沥青混合料水损害机理研究”（GJJ190978）；江西省交通运输厅科学技术研究项目“低针入度沥青就地热再生路用性能研究”（2022H0011）。