高渗透型再生剂的制备及其对老化沥青的性能影响研究

摘要：基于溶解渗透和组分调节理论，以芳烃类油分和渗透剂作为组分调节剂制备渗透型再生剂。通过研究芳烃类油分和渗透剂对再生剂物理性能和渗透性能的影响，研究发现：芳烃类油的加入使再生剂中的轻质组分增多，黏度降低；渗透剂的加入能够显著增强再生剂在老化沥青中的渗透能力。相比较未改性的再生剂，渗透型再生剂能够明显提高老化沥青的针入度和延度，降低软化点和黏度，使得老化沥青的物理性能在一定程度上得到恢复，而且还可以弥补老化导致沥青的轻质组分的减少和沥青质的增加，使老化沥青胶体结构由凝胶型向凝胶-溶胶型转变，恢复老化沥青的使用性能。关键词：再生剂；渗透性能；老化沥青；物理性能；化学组分0引言近几十年来，沥青路面以其优异的使用性能而被广泛地应用在公路建设中，目前我国80%以上的高等级和一级公路采用的是沥青路面。但是沥青路面在服役过程中受到外界环境的影响，容易发生老化。我国每年因沥青材料老化需要投入大量的人力和物力对沥青路面进行维护，因此，对老化的沥青混合料进行再生重复使用具有十分重要的意义。沥青混合料再生技术目前主要可分为：厂拌冷再生、厂拌热再生、就地冷再生、就地热再生等四类。这几类再生技术主要是对废旧沥青混合料进行破碎，筛分、掺入新集料以及再生剂后进行再生，在保证再生沥青混合料的综合性能满足规范要求后，重新进行沥青路面摊铺。在废旧沥青混合料再生过程中，再生剂的渗透性能对再生废旧沥青混合料的性能恢复具有重要作用。这是因为在实际生产过程中，再生剂和沥青混合料混合时间（60~90s）较短，旧的沥青硬度和黏度较大，而现有常见的再生剂渗透性能较差，在较短的混合时间内，无法保证再生剂能够充分渗透进沥青混合料中，从而导致再生剂对旧沥青再生效果大大减弱。因此，提高再生剂的渗透能力对废旧沥青的再生尤为重要。针对上述情况，基于溶解渗透和组分调节理论，本文以芳烃类油分和渗透剂作为组分调节剂制备高渗透性的沥青再生剂，通过研究芳烃类油分和渗透剂对制备的再生剂物理性能、渗透性能的影响规律，以制备出性能优异的渗透型再生剂，并在此基础上研究渗透型再生剂对老化沥青物理性能和化学组分的影响。1

试验部分1.1

原材料选用的沥青为SK70，SK70主要的性能指标如表1所示；普通再生剂为实验室自制芳烃类油分类再生剂，其性能指标如表2所示。1.2

高渗透型再生剂的制备将再生剂与SK-70按照不同掺量（再生剂∶沥青=1∶2；1∶1；2∶1；3∶1，以沥青的质量为基准）进行熔融混合，在温度为150℃、转速为4000rpm的条件下高速搅拌45min，即得到普通沥青再生剂；在此基础上，将质量掺比（0%，2%，4%，6%）的渗透剂（具有极性环氧官能团）与普通沥青再生剂在140℃条件下混合，即获得高渗透性能的沥青再生剂，其性能指标如表3所示。1.3

高渗透沥青再生剂性能测试（1）物理性能测试采用旋转薄膜老化（RTFOT）模拟再生剂在生产再生沥青过程中的热氧老化，通过测试老化前后再生剂的质量损失率和黏度比以反映所制备的再生剂的抗老化性能。（2）渗透性能测试再生剂渗透进入老化沥青之后，老化沥青的物理性能势必会发生变化。本文通过将渗透型再生剂倒在老化沥青表面，置于135℃烘箱中保温，通过测试不同渗透时间（1~6h）条件下，老化沥青的针入度，以此表征再生剂的渗透性能。1.4

再生沥青的制备将不同掺量的再生剂（0%，2%，4%，6%，8%，以老化沥青的质量为基准）与老化沥青在160℃进行熔融共混15min，即可制备出不同的再生沥青。1.5

再生沥青的物理性能测试采用SD-0604型针入度测试仪、SD-0606T型软化点测试仪、SD-0605A型延度测试仪（上海地学仪器研究所）和DV-II+Pro型Brookfield旋转黏度测试仪（美国BrookfieldEngineering公司），分别按照T0602-2011，T0606-2011，T0605-2011和T0625-2011技术规范，对老化沥青和再生沥青的针入度（25℃），软化点，延度（10℃）和黏度（135℃）等物理性能进行测试。1.6

再生沥青的化学组分测试利用IATROSCANMK-6型棒状薄层色谱-氢火焰离子测定仪（日本三菱雅特隆公司）对老化沥青和再生沥青化学组分进行测试。其方法如下：首先将沥青样品溶解在二氯甲烷（CH2Cl2），然后将溶液滴加在色谱柱。为了确保沥青化学组分充分分离，将滴有沥青溶液的色谱柱先后放入正庚烷，甲苯/正庚烷混合液，甲苯/无水乙醇混合液等三种扩展液中进行扩散，最后进行点火测试，即可得到沥青不同化学组分的百分比。1.7

再生沥青的化学结构测试采用Nexus型傅立叶变换红外光谱仪对不同沥青样品的化学结构进行表征。利用CS2将沥青样品溶解成沥青溶液，通过涂覆在溴化钾（KBr）底片进行红外光谱扫描测试，测试范围：4000~400cm-1，扫描分辨率：4cm-1，扫描次数：64次/min。2

结果与讨论2.1

渗透型再生剂的制备及其性能研究2.1.1物理性能RTFOT老化前后，芳烃类油分掺量对再生剂质量损失率的影响如图1所示。图1再生剂质量损失率变化情况Fig.1Changesinthemasslossrateofregenerant从图1中可以看出，RTFOT老化后，再生剂的质量减小，这是因为在老化过程中再生剂中的轻质组分在高温条件下发生挥发，导致其质量降低；此外，还可以发现，随着芳烃类油分的掺量增加，再生剂的质量损失率增大，这是由于芳烃类油分的掺量增加导致再生剂中的轻质组分增多，继而造成在老化过程中，挥发的轻质组分的质量也在增加，最终导致再生剂的质量损失率增大。RTFOT老化前后，芳烃类油分掺量对再生剂黏度的影响如图2所示。图2再生剂黏度变化情况Fig.2Viscositychangeofregenerant由图2可知，老化后再生剂的黏度明显增加，而且随着芳烃类油分掺量的增加，老化后的再生剂黏度增加越明显，说明芳烃类油分的加入不利于再生剂的抗老化性能。再生剂在老化过程中受高温的影响导致流动性大的轻质组分易挥发，同时部分组分与氧气发生化学反应生成分子量更大的化合物，这双重作用最终导致再生剂的黏度在老化后不断增大，而且这种影响随着芳烃类油分掺量的增加越明显。从图1、图2可以发现，当芳烃类油分与沥青质量比超过2∶1时，再生剂老化后的黏度变化已无法满足再生剂技术规范的要求。综合考虑再生剂的物理性能、老化性能以及经济效益，本文在制备渗透型再生剂时，芳烃类油分与SK-70的掺和比为2∶1。2.1.2渗透性能通过将芳烃类油分与SK-70（掺和比为2∶1）进行混合制备成普通再生剂，并向普通再生剂添加不同掺量的渗透剂以制备出具有优异渗透性的再生剂。相比较老化沥青，再生剂的针入度较小，其加入沥青中可以显著降低沥青的针入度，因此可以将再生剂倒在老化沥青表面，通过测试沥青针入度变化以表征再生剂渗入沥青中深度。图3为不同渗透剂掺量的再生剂针入度增量随时间变化情况，从图中可以看出，随着时间的增加，各老化沥青样品的针入度增量均不断增加，说明延长渗透时间有利于提高再生剂在沥青内部的渗透，即渗透时间增加有助于提高再生剂对老化沥青性能恢复的能力。图3不同时间下再生剂针入度增量变化情况Fig.3Theincreaseinpenetrationofregeneratingagentat

differenttimes此外，还可以发现，随着渗透时间延长，各老化沥青样品的针入度增量增长速率明显减缓，尤其渗透时间超过4h后，各老化沥青样品的针入度增量变化几乎很小，这主要是因为涂覆在沥青表面的再生剂在长期高温条件轻质组分发生挥发，导致其黏度增加，其在沥青中的渗透能力减弱，继而影响其对老化沥青的物理性能恢复能力。与未添加渗透剂的再生剂空白样相比，添加了渗透剂的再生剂样品的针入度增量明显提高，表明渗透剂有利于提高再生剂在老化沥青中的渗透能力，即渗透剂加到再生剂中有助于提高再生剂对老化沥青性能恢复能力。其中再生剂对老化沥青的改性效果，随渗透剂掺量的增加先增大后逐渐变缓，综合考虑，渗透型沥青再生剂中渗透剂掺量为4%。2.2

渗透型再生剂对老化沥青物理性能的影响

图4给出了渗透型再生剂对老化沥青物理性能（针入度、软化点、延度及黏度）影响的试验结果。图4渗透型再生剂对老化沥青物理性能影响Fig.4Influenceofpenetratingregenerantonphysicalproperties

ofagedasphalt从图4可以看出，随着再生剂的加入，老化沥青的针入度和延度增加，软化点和黏度降低，而且这种变化随着再生剂的掺量增加变得更加明显。再生剂对沥青物理性能的影响正好与老化对沥青物理性能的影响正好相反，这表明再生剂能够使老化沥青的物理性能在一定程度上得到改善。此外，相比较普通再生剂，渗透型再生剂对老化沥青物理性能恢复的效果更明显，说明渗透型再生剂对老化沥青的再生效果更好，这主要是因为渗透型再生剂在老化沥青中渗透深度更深，其与沥青间相互作用更均匀。2.3

渗透型再生剂对老化沥青化学组分的影响老化导致沥青轻质组分减少，沥青质增加，胶体结构趋向于凝胶型，沥青变硬变脆，最终使得沥青性能不能满足使用要求。图5为不同再生剂对沥青化学组分（饱和分、芳香分、胶质、沥青质）的影响情况。从图中可以看出，再生剂的加入使得沥青轻质组分（饱和分和芳香分）的含量增加，胶质含量减小，沥青质含量显著降低。并且随着再生剂含量的增加，轻质组分含量的增加和沥青质含量的下降变得更为明显，但胶质的含量却有着略微的增长。导致沥青的化学组分发生变化的主要原因是再生剂中芳烃类油分，其加入沥青中弥补了沥青老化后轻质组分含量的减少，使得老化沥青的胶体结构逐渐由凝胶型向凝胶-溶胶型转变。相比于普通再生剂，渗透型再生剂对老化沥青的化学组分的影响更明显，这表明渗透型再生剂对老化沥青性能恢复效果更好，更有助于老化沥青的再生。其中在掺量为2%~6%时，随渗透型再生剂掺量的增加，再生剂对老化沥青各化学组分的恢复在明显增强，当掺量超过6%时，渗透型再生剂的增强效果变缓，最终，渗透型沥青再生剂的掺量确定为6%。图5渗透型再生剂对老化沥青化学组分的影响Fig.5Influenceofpenetratingregenerantonchemical

compositionofagedasphalt2.4

渗透型再生剂对老化沥青化学结构的影响图6为新鲜沥青、老化沥青、普通再生沥青以及渗透型再生沥青的红外光谱。图6渗透型再生剂对老化沥青化学结构的影响Fig.6Theinfluenceofpenetratingregenerantonthechemical

structureofagedasphalt从图6中可以看出，四种沥青均在1700cm-1和1030cm-1附近均存在吸收峰，这两种吸收峰分别对应了沥青中的羰基C=O的伸缩振动（1700cm-1）和亚砜基S=O的对称伸缩振动（1030cm-1）。然而在老化后的沥青样品中（包括老化沥青、普通再生沥青和渗透型再生沥青），这两种吸收峰强度均强于新鲜沥青样品。这主要是因为在老化过程中，沥青分子主要是发生氧化反应，导致老化后沥青中含氧官能团如C=O和S=O增加。相比较老化沥青，普通再生沥青的C=O和S=O红外吸收峰强度明显减弱，主要是因为再生剂的加入可以与老化沥青中含氧官能团发生化学反应，减轻老化沥青的氧化程度，在一定程度上恢复老化沥青的化学结构，而渗透型再生剂的这种改性效果表现得更为突出，一方面是因为渗透型再生剂对老化沥青的渗透效果更为突出，另一方面是因为渗透型再生剂具有强极性基团（环氧官能团），环氧官能团与含氧官能团化学反应极性较强，能够显著提高再生剂对老化沥青的改性效果。3

结论（1