新型自制温拌再生剂对老化沥青的再生效果研究_汪杰.pdf

50汪 杰 等 新型自制温拌再生剂对老化沥青的再生效果研究新型自制温拌再生剂对老化沥青的再生效果研究汪 杰1，燕永兵1，王俊军1，付森锋2，陈明明1（1 甘肃省天水公路事业发展中心，甘肃天水 741000；2 河南省大道路业有限公司，河南郑州 450000）摘要：为实现公路老化沥青的高效回收利用，研制了一种新型自制温拌再生剂（WR），通过对温拌再生沥青进行常规物理性能和 MSCR 试验，并与两种工业再生剂进行对比分析，探究 WR 的最佳配比、再生效果及最优掺量；通过FTIR 和 SEM 分析探究 WR 对老化沥青的再生机理。结果表明，WR 成分质量分数的最佳比例为：原油：表面活性剂：增塑剂：抗老化剂=80.0：9.5：8.0：2.5；WR 比工业再生剂具有更加优异的再生性能，但 WR 含量过高会增加成本和降低再生沥青的耐车辙性能，WR 的最优含量为 7%。FTIR 和 SEM 测试结果表明，WR 能通过物理作用显著地补充老化沥青中的挥发成分，使再生沥青组分比例和微观结构恢复至原沥青相似水平。上述研究成果能为老化沥青的经济再生提供更加合理的途径。关键词：老化沥青；新型温拌剂；最佳配比；最优掺量；再生效果中图分类号：U 414Research on Regeneration Eff ect of a New Self-made Warm Mix Regenerator on Aged AsphaltWANG Jie1,YAN Yong-bing1,WANG Jun-jun1,FU Sen-feng2,CHEN Ming-ming1(1 Gansu Tianshui Highway Development Center,Tianshui 741000,Gansu,China;2 Henan Dadao Road Industry Co.,Ltd.,Zhengzhou 450000,Henan,China)Abstract:In order to realize effi cient recovery and utilization of road aging asphalt,a new type of warm mix regenerated agent WR was developed.Through conventional physical properties and MSCR tests of reclaimed asphalt,and comparative analysis with two industrial regenerated agents,the regeneration effect and optimal dosage of WR were explored.The regeneration mechanism of WR on aged asphalt was investigated by FTIR and SEM.The results show that the optimal proportion of composition mass fraction is:base oil：surfactant：plasticizer：antiaging agent=80.0：9.5：8.0：2.5.The WR has better regeneration performance than industrial regenerator,but too high WR content will increase the cost and reduce the rutting resistance of regenerated asphalt,and the optimal WR content is 7%.The results of FTIR and SEM showed that WR can signifi cantly replenish the volatile components in the aged asphalt through physical action,and restore the proportion and microstructure of the recycled asphalt to the similar level of the original asphalt.The above research results can provide a more reasonable way for the economic regeneration of aged asphalt.Key words:aging asphalt;new warm mix agent;optimum ratio;optimal dosage;regenerative eff ect作者简介：汪杰，硕士，甘肃省领军人才，正高级工程师，主要研究方向：公路工程。截至 2019 年底，中国高速公路总里程达 14.96 万公里，其中大部分为典型的三层沥青路面1。随着路面建设的发展及环境条件和交通负荷的影响，对路面材料的要求也越来越高。因此，老化路面需要进行修复或重建，铣刨将产生大量的再生沥青路面材料（RAP），回收利用 RAP 材料具有减少资源消耗、减少环境污染和降低生产成本等显著优势2-3。但未添加特殊添加剂的再生沥青路面存在诸多缺陷4-5，主要原因是 RAP 沥青老化严重，导致与新沥青的附着力明显减弱6。RAP 材料的再生机理是在老化沥青中加入轻质组分，补充挥发物，协调其化学成分和比例，从而恢复其性能7，可以采用含有大量轻质油组分的材料对老化沥青进行再生。Behnood 的研究表明，确定最佳的再生剂含量可以成功地恢复老化沥青的性能8。此外，再生沥青混合料混合温度十分重要9，冷拌回收在常温下对沥青路面具有修复潜力10，但是强度和耐久性还需要提高；热拌沥青混合料具有更好的性能和耐久性，但是需要消耗大量的能源，而且容易产生大量的烟雾和有毒气体等有害物质11；温拌技术可以降低生产温度，减少温室气体排放，保证沥青路面在不影响其性能的前提下在较低的温度下进行施工12。温拌再生技术近年来得到一定发展，有学者将沥青乳状液或稳定乳状液与 RAP 材料相结合，但该混合料的性能略低于常规热拌沥青混合料13。在沥青混合料中加入某些再生剂会对沥青混合料的抗疲劳性能产生不利影响14-15。因此，在提高再生沥青的性能和降低其施工温度方面还有很大的研究空间。本文主要目的是研究掺有新型温拌再生剂（WR）的老化沥青再生效果。首先确定 WR 最佳配合比，并选取两种工业再生剂进行比较；然后探讨 WR 再生沥青的物理性能和高低温流变特性，并对 WR 再生沥青材料微观成分和结构进行分析，探讨 WR 的再生机理。DOI:10.16584/ki.issn1671-5381.2023.01.012合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期511 试验部分1.1 试验材料WR 作为一种自主研发的再生剂，具有增加轻组分含量、补充老化沥青中的挥发物成分、恢复其性能和降低施工温度的显著优势，WR 的原料包括原油、增塑剂、抗老化剂(基本性能见表 1)和表面活性剂。原油是从石油中提取的废油，它用于添加老化沥青缺失的成分和恢复老化沥青的结构，并为其他原料提供稳定的胶态结构；增塑剂采用相容性好和挥发性低的环氧大豆油，可提高沥青的塑性和热稳定性；抗老化剂采用耐高温和抗氧化能力强的二苯胺，可提高再生沥青的抗老化性能；表面活性剂采用改性聚乙烯蜡，有利于加速其他成分的扩散，并提高再生沥青的流动性。表 1 WR 部分原料的基础性质Table 1 Basic properties of WR raw materials原料动力粘度(40)密度(20)/(g/cm3)酸性值/(mg KOH/g)燃点(室外)/含氮量/%环氧值/%原油4571.0010.56122增塑剂1130.9560.812606抗老化剂2120.9821561824.5采用配方均匀设计法依次将原油、增塑剂、表面活性剂和抗老化剂加入烧杯中，通过前期试验，最终确定混合温度为 60，搅拌转速为 2500r/min，搅拌时间为15min，制作完成 WR 再生剂。利用旋转蒸发器从RAP材料中获得回收沥青(RA)，RAP 材料是从 2005 年建造的老化沥青路面上收集而来，以三氯乙烯为溶剂，采用离心分离法制备沥青浸出液，然后将浸出液倒入旋转蒸发器中去除三氯乙烯后得到RA。通过熔融混合法制备再生沥青，对在不同混合温度、时间和速度下的再生沥青混合方案进行了试点测试，结果见表 2。从表 2 可以看出，随着混合时间、温度和速度的增加，再生沥青的针入度和延度先增大后减小。因此，制备再生沥青是通过将 RA 加热至 130，直至熔化，再与温拌剂混合，然后用螺旋桨搅拌机以 2500r/min 的速度搅拌 10min 得到。表 2 试点测试试验结果Table 2 Results of the pilot test混合时间/min混合温度/混合速度/(r/min)针入度(25,5s,100g)/0.1mm软化点/延度(5cm/min,10)/cm5130250061.452.423.210130250063.450.025.615130250063.150.125.120130250062.650.424.610110250061.153.622.610120250062.652.124.610140250063.150.523.610130230062.651.124.610130240063.150.125.110130260062.650.425.11.2 试验方案首先采用配方均匀设计法得到 WR 各种原料的最佳配合比；然后对不同 WR 含量的再生沥青进行针入度(25)、软化点、延度(10)和弹性恢复(25)试验，每组试验设置三个试样，结果取平均值。根据相关研究16，利用针入度和软化点计算再生沥青的渗透指数(PI)，如式（1）所示。PI=(1952-500log(Pen25)-20SP)(50log(Pen25)-SP-120 (1)式（1）中，PI 为渗透指数；Pen25和 SP 分别为再生沥青在 25 时的针入度和软化点。采用动态剪切流变仪（DSR）对再生沥青进行不同温度(46、52、58、64、70)下的多应力蠕变恢复(MSCR)试验，首先施加 0.1kPa 的应力进行 20 个循环，然后施加 3.2kPa 的应力再进行 10 个循环，单个循环包含 1s 剪切蠕变加载阶段和 9s 卸载后恢复阶段。不同应力状态下的平均应变恢复率(R)和不可恢复蠕变柔量(Jnr)两个参数用公式（2）（5）分别进行计算。R(0.1)=110(cn-rn)/20n=11(cn-0n)100 (2)Jnr(0.1)=110(cn-rn)/20n=110.1 (3)R(3.2)=110(cn-rn)/30n=21(cn-0n)100 (4)Jnr(3.2)=110(cn-rn)/20n=113.2 (5)式（2）（5）中：0n为第 n 个循环开始时的剪切应变，cn和 rn分别为单个循环蠕变开始 1s 后的峰值应变和停止蠕变 9s 后的不可恢复应变增量。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试，对自制 WR、老化沥青、原始沥青和再生沥青的官能团进行鉴定，所用的设备为 Control Cary 630 FTIR 光谱仪，其波数精度大于0.005，信噪比大于 5000，光谱记录范围为 4000650 cm-1，分辨率为 4cm-1，每次测量需进行 30 次扫描。以针入度为评价指标，对比研究了两种工业温拌剂（乳化温拌剂 ER 和树脂温拌剂 RR）与自主研制的 WR温拌剂的再生效果；最后，通过 SEM 扫描电镜对老化沥青和再生沥青的微观形貌进行分析，结合FTIR测试结果，从成分和结构方面分析 WR 对老化沥青的再生机理。2 结果与讨论2.1 WR 原料最优配比根据以往研究17，大致确定原油作为 WR 中含量最多的一种成分；表面活性剂、增塑剂和抗老化剂用量相对较少。设置 9 种混合比例，制备 9 种不同配比的WR，采用渗透系数、软化点和延展性三个指标对 9 种WR 的再生沥青进行评价，结果见表 3。对表 3 数值进行回归计算，回归系数可达 0.97。当原油、表面活性剂、增塑剂和抗老化剂的质量分数分别为 80.0%、9.5%、8.0%和 2.5%时，回归方程的 Y 值取得最大值 5.3，由此得到了 WR 的最优配比。表 3 配方均匀设计组合及结果Table 3 Formula uniform design combination and results序号原油含量 X1/%表面活性剂含量 X2/%增塑剂含量X3/%抗老化剂含量X4/%针入度(25,5s.100g)/0.1mm软化点/延度(5cm/min,10)/cm176.4010.0012.441.1660.841.619.6277.909.4411.401.2657.645.620.9378.609.3510.701.4570.450.622.1479.609.059.651.7065.555.623.0580.608.309.151.9563.650.621.6681.108.258.102.5565.854.620.4782.607.057.652.7070.746.618.9884.355.056.652.9562.753.618.1984.605.806.403.2072.540.620.652汪 杰 等 新型自制温拌再生剂对老化沥青的再生效果研究2.2 传统物理性质分析将最优配比的 WR 按不同比例进行老化沥青的再生试验，对不同 WR 含量的再生沥青结合料的针入度、软化点、延度、弹性恢复和 PI 等常规物理性能进行了研究，结果如图 1 所示。03691215102030405060708090100 针入度 弹性恢复不同WR掺量/%针入度/01m m(a)60657075808590 弹性恢复/%036912154546474849505152535455 软化点 延度不同WR掺量/%软化点/(b)51015202530354045 延度/mm03691215-1.8-1.6-1.4-1.2-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.0不同WR掺量/%PI(c)图 1 不同 WR 掺量再生沥青结合料的传统物理性质Fig.1 Traditional physical properties of recycled asphalt binder with different WR dosage从图 1 可以看出，在老化沥青中加入 WR 后，其针入度、延度和弹性恢复值均有所提高，软化点和 PI 值均明显降低，且上述变化趋势随 WR 含量的增大而更加明显，表明该自行研制的再生剂对老化沥青的再生效果良好。根据前人的研究发现17，当 WR 的含量为 6%时，各项物理指标均能达到原生沥青的标准，且随着 WR 含量的进一步增加，再生沥青的针入度、延度和弹性恢复值均高于原生沥青，而软化点和 PI 值均低于原生沥青。2.3 MSCR 试验结果分析通过 MSCR 试验，得到了在不同温度及两种应力水平下不同 WR 掺量再生沥青的平均应变恢复率(R)，如图 2 所示。455055606570036912151821R(0.1)/%温度/0 3%6%9%12%15%(a)4550556065700369121518R(3.2)/%温度/0 3%6%9%12%15%(b)(a)0.1kPa (b)3.2kPa图 2 不同 WR 掺量再生沥青结合料在不同温度下的 R 值Fig.2 R values of recycled asphalt binder with different WR dosage at different temperatures从图 2 可以看出，所有的再生沥青应变恢复率均随着温度或应力的增加而降低；与加入不同掺量 WR 的再生沥青相比，未加 WR 的老化沥青在相同温度和应力状态下 R 值最大，这是老化沥青硬化的结果；添加 WR 后，老化沥青的恢复率明显降低，说明 WR 对老化沥青的弹性恢复有显著影响。根据前人的研究发现17，当 WR 掺量大于 3%时，老化沥青的应变恢复率低于原生沥青。图 3 给出了含不同 WR 掺量的再生沥青的不可恢复蠕变柔度(Jnr)，以评价其应变对应力的响应，该参数已被广泛用于评价再生沥青在高温反复加载下的变形抗力。如图 3 所示，Jnr值随着温度或应力水平的升高而升高，一般情况下，Jnr值越大，车辙阻力越差。未加 WR 的老化沥青 Jnr值最低，而加入 WR 的再生沥青在两种应力水平下的 Jnr值都相对较高，且在相同温度和应力水平下，Jnr值随着 WR 含量的增加而增大，当 WR 掺量大于 12%时，Jnr值显著增加，说明 WR 的过量添加会对再生沥青的抗车辙性能产生不利影响。4550556065700369121518Jnr(0.1)/kPa-1温度/0 3%6%9%12%15%(a)455055606570036912151821Jnr(3.2)/kPa-1温度/0 3%6%9%12%15%(b)(a)0.1kPa (b)3.2kPa图 3 不同 WR 掺量再生沥青结合料在不同温度下的 Jnr值Fig.3 Jnr values of recycled asphalt binder with different WR dosage at different temperatures2.4 FTIR 结果分析对 WR 进行红外光谱测试，结果如图 4 所示。可以看出，在 2922cm-1和 2853cm-1处有明显的吸收峰，这是由于 C-H 的不对称伸缩振动和对称伸缩振动造成的；在 725cm-1处的吸收峰是 C-H 在-(CH2)n-(n4)上的面外弯曲振动引起的；在 1746cm-1处的显著吸收峰是由羧基中 C=O 的伸缩振动引起的；而在 1105cm-1处的吸收峰归属于 C-OH 的伸缩振动，上述特征峰表明 WR 中含有较多的饱和烃和酯类化合物，这是环氧大豆油、萃取油和聚乙烯蜡的主要化学结构。1320cm-1处的吸收峰是由C-O-C 的伸缩振动引起的，这是因为环氧大豆油含有环氧基。在 1605cm-1和 1155cm-1处的吸收峰分别由苯环骨架和 C-N 的伸缩振动引起，表明 WR 中有二苯胺的存在。1605cm-1和 1465cm-1处的吸收峰分别是由芳烃中的 C=C和亚甲基中的 C-H 伸缩振动引起的。以上分析结果有效地证明了WR再生剂中存在的官能团成分及其对应物质，为后续测试提供了理论基础。40003500300025002000150010001105132016057251155146517462853吸收强度波数/cm-12922图 4 WR 的 FTIR 光谱Fig.4 FTIR spectrum of WR对老化沥青、原始沥青和加入 6%WR 的再生沥青进行红外光谱测试，结果如图 5 所示。与原始沥青相比，老化沥青在 1700cm-1和 1030cm-1处有新的特征峰，这些吸收峰分别由羰基中的 C=O 和亚砜中 S=O 的伸缩振动引起，根据以往的研究18，这两个官能团是评价沥青老化的常用指标；与原生沥青和老化沥青相比，再生沥青的光谱在 1746cm-1、1320cm-1和 1155cm-1处有明显的特征峰，这些峰值反映了再生沥青中 WR 的存在；通过比较，再生沥青吸收峰在 2922cm-1、2853cm-1和 725cm-1的强度明显强于原始沥青和老化沥青，但是再生沥青在1700cm-1和 1030cm-1的吸收峰并不明显，这可能是 WR补充了老化沥青中挥发的轻质组分。以上结果表明 WR对老化沥青的再生效果十分显著。结合图 4 中 WR 的化学结构进行分析，图 5 中未发现明显的因为化学反应而出现的特征锋，说明再生剂对老化沥青的再生过程主要是物理作用。合成材料老化与应用2023 年第 52 卷第 1 期53 40003500300025002000150010006%WR再生沥青原始沥青7251375103016051700110511551320146517462853吸收强度波数/cm-12922老化沥青图 5 不同沥青的 FTIR 光谱Fig.5 FTIR spectra of different asphalts2.5 不同再生剂对比研究图 6 为加入不同再生剂的再生沥青针入度对比图。可以看出，随着每种再生剂掺量的增加，针入度均随之增加，说明回收的老化沥青性能均逐渐得到恢复，与 ER和 RR 相比，WR 具有更好的抗老化作用。以原始沥青的针入度(64/0.1mm)为基准，确定老化沥青恢复到与原始沥青相同性能时不同温拌再生剂的相应含量，即 WR、RR 和 ER 的适宜含量分别为 7%、10%和 15%。4681012141618204550556065707580针入度/01m m再生剂掺量/%ER RR WR原始沥青针入度,64/01m m图 6 不同类型再生温拌剂及其含量对再生沥青针入度的影响Fig.6 Influence of different types of recycled warm mix agent and its content on the penetration of recycled asphalt2.6 WR 对老化沥青微观结构影响分析为了分析加入 WR 再生剂对老化沥青微观结构的影响，通过 SEM 扫描电镜对老化沥青和加入 6%WR 的再生沥青的微观形貌进行测试，结果如图 7 所示。(a)老化沥青 (b)6%WR 掺量再生沥青图 7 老化沥青和 6%WR 掺量再生沥青微观形貌图 Fig.7 Microstructure diagram of aged asphalt and reclaimed asphalt with 6%WR content 从图 7（a）中可以看出，老化沥青的微观结构破损严重，具有许多微小裂纹和较大的贯穿裂缝，胶结物质含量较少；加入 6%的 WR 再生剂过后，再生沥青的微观结构得到明显改善，如图 7（b）所示，裂纹数量显著减少，胶结物质含量明显增多，能增强各成分之间的粘结力，从而达到改善老化沥青性能的目的。3 结论（1）结合常规物理性能和综合性能指标，确定各组分质量分数比例，即原油：表面活性剂：增塑剂：抗老化剂=80.0：9.5：8.0：2.5 为 WR 的最佳配比，该配比的 WR 能显著恢复老化沥青的常规物理性能。（2）MSCR 试验结果表明，WR 对老化沥青的弹性恢复有显著影响，而 WR 的过量添加对再生沥青的耐车辙性能有负面影响。根据 FTIR 测试结果，发现了 WR、老化沥青、原始沥青和再生沥青中的官能团结构，证实WR 能通过物理作用对老化沥青实现再生。（3）通过将 WR 与两种工业再生剂进行对比研究，以原始沥青针入度为基准，得到 WR、RR 和 ER 的适宜掺量分别为 7%、10%和 15%。（4）通过微观结构对比分析，加入 WR 能有效地改善老化沥青的内部结构和成分，降低其内部裂纹数量，补充挥发成分。参考文献1 HONG W,MO L,PAN C,et al.Investigation of 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