梁庆， 郑云， 张关发， 张礼超， 高杰

(1. 中铁城市发展投资集团有限公司， 成都 610015； 2. 华东交通大学交通运输工程学院， 南昌 330013； 3. 华东交通大学土木建筑学院， 南昌 330013)

近年来中国公路已由高速发展向建养并重进行转变，为减少环境污染及资源浪费，沥青混合料回收料(reclaimed asphalt pavement， RAP)的合理利用得到了诸多关注[1]。沥青路面在长期使用过程中，热氧老化会加速沥青轻质组分的散失，提升胶结料的刚度及抗变形能力[2-3]。然而，将RAP直接用于沥青路面铺筑，易导致路面产生疲劳开裂、低温缩裂等病害[4]。

沥青再生是一种沥青调和过程，采用外掺添加剂的方式，使沥青常规及流变性能迅速恢复[5]。沥青再生剂的合理选择不仅能够提升再生路面使用性能，还能降低建造成本。目前，废机油(waste engine oil， WEO)因其具有类似沥青的分子结构且含有大量轻质组分而普遍应用于工程实践领域[6-7]。Fakhri等[8]研究表明，废机油加入老化沥青中能够降低其黏度，并提升老化沥青低温性能。Jia等[9]基于动态剪切流变试验(dynamic shear rheometer， DSR)研究废机油残渣对老化沥青的再生效果，发现5%掺量的废机油残渣对老化沥青的低温、抗疲劳及弹性恢复能力改善显著。Li等[10]借助薄膜烘箱试验模拟沥青老化，得出最佳掺量下废机油可将老化沥青性能恢复至原样沥青水平。徐朋朋[11]通过相似相容理论阐述了废机油作为沥青再生剂的可行性，研究发现废机油作为再生剂不仅能恢复老化沥青性能，还能产生巨大的社会经济效益。胡琦等[6]通过研究发现废机油掺量为1%～3%时，不仅够缓解沥青老化的不利影响，且能增强沥青的弹性和柔韧性。然而，目前废机油的再生研究主要集中于基质沥青的老化再生，对苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene， SBS)改性沥青的再生效果未有全面的研究成果。此外，随着道路沥青流变学的不断发展[12-13]，研究人员开发出如线性振幅扫描试验(linear amplitude sweep， LAS)、基于4 mm平行板的低温DSR试验等研究手段探究全温度域内沥青流变性能[14-15]。

鉴于此，现采用压力老化试验模拟SBS沥青的长期热氧老化，并添加不同掺量的废机油对老化沥青进行再生。通过布氏黏度、温度扫描、频率扫描、LAS及弯曲梁流变试验对全温度域内再生改性沥青的流变性能进行评价，研究废机油掺量对老化SBS沥青的黏度、高低温流变及疲劳性能的影响规律。以红外光谱试验、4组分分析试验及荧光显微镜试验探究废机油再生SBS改性沥青机理。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

改性沥青选用京博石化公司生产的SBS(I-D)改性沥青，其技术性能指标如表1所示。废机油从普通家用小汽车中回收，主要技术性能指标如表2所示。

表1 SBS沥青技术性能指标Table 1 SBS asphalt technical performance index

表2 废机油主要性能指标Table 2 Main performance indicators of waste engine oil

1.2 老化沥青及再生沥青制备

采用压力老化容器在高温高压条件下老化沥青，以模拟沥青在长期使用过程中的热氧老化。研究表明，20 h的压力老化容器(pressure aging vessel， PAV)沥青加速老化试验相当于室外沥青路面使用7～8年[16-17]。基于此，对SBS改性沥青进行40 h PAV试验以模拟长期使用后的路面沥青状态。按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，在100 ℃、2.1 MPa压力的条件下对SBS沥青进行40 h的PAV试验以制备老化沥青。

采用高速剪切法制备再生沥青：将SBS老化沥青在175 ℃烘箱内加热至流动状态后，取500 g老化沥青加入烧杯中，随后将占沥青质量分数3%的废机油加入烧杯，采用高速剪切机在160 ℃环境下以4 000 r/min的速度剪切1 h，制备3%废机油掺量的再生沥青。6%与9%掺量的废机油再生沥青按相同方法制备。为方便试验分析，各掺量废机油及老化沥青分别记为P40W3、P40W6、P40W9、P40。

1.3 试验方法

1.3.1 物理性能试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的规定，对沥青进行针入度、5 ℃延度以及软化点试验，并采用Brookfield旋转黏度计测试沥青在不同温度下的布氏黏度。此外，为保障试验结果的可靠性，各类试验分别进行3组平行试验。

1.3.2 流变试验

采用动态剪切流变仪对沥青进行温度扫描、频率扫描试验以研究再生沥青的高温流变性能，分别进行2组平行试验。温度扫描试验的温度范围为34～70 ℃，温度间隔6 ℃，应力水平为1.25%，加载角频率为10 rad/s。频率扫描试验温度范围为40～80 ℃，温度间隔10 ℃，应力水平为1.25%，角频率范围0.1～100 rad/s。

根据AASHTO TP 101-12的试验规程对沥青进行LAS试验，试验温度为25 ℃。并按照黏弹性连续介质损伤力学理论模型(visco elastic continuum damage， VECD)计算沥青的疲劳寿命[14]。

在-12 ℃条件下对沥青试样进行弯曲梁流变试验(bending beam rheometer， BBR)，每组试验进行6组平行试验。按式(1)和式(2)计算可得到评价沥青低温性能的劲度模量与蠕变速率。

(1)

(2)

式中：S为劲度模量，MPa;t为加载时间，s;P为仪器施加恒定荷载，980 mN;L、b、h为沥青小梁长、宽、高，其值分别为127、6.35、12.7 mm；δ为随时间变化的小梁跨中应变；m为蠕变速率。

1.3.3 微观试验

采用Thermo公司IS5型红外光谱试验仪对废机油、未老化沥青、老化沥青以及废机油再生沥青进行扫描，每种沥青进行2组平行试验，获得各样品红外光谱图。

按照《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中沥青化学组分试验的规定，采用色谱柱法对废机油、原样SBS沥青、老化沥青及不同废机油掺量下再生沥青进行4组分成分分析，每种沥青进行3组平行试验。

采用Leika公司DM3000型荧光显微镜对原样沥青及再生沥青进行试验，在400倍放大倍数下对沥青进行观测。

2 结果与分析

2.1 物理性能试验结果

对不同沥青按试验规程分别进行针入度、延度及软化点试验，试验结果如表3所示。

表3 不同沥青物理性能试验结果Table 3 Physical properties of different asphalt

由表3中原样SBS与P40的试验结果可以看出经过长期老化后，SBS沥青针入度减小，软化点增大，且在5 ℃下进行延度试验时发生脆断。这表明老化后沥青硬度增大，高温性能增强但低温延展性降低。相比于老化沥青，当掺入废机油后，再生沥青针入度与延度增大，软化点降低，且随着废机油掺量增加，变化幅度也越大。这是由于废机油的掺入增加了再生沥青中的轻质组分，有效地软化沥青，降低了老化沥青硬度[8]。

不同温度下各沥青布氏黏度试验结果如图1所示。由图1可见，SBS改性沥青在3个温度下有最低的黏度值。沥青老化后，其黏度显著增大，为未老化SBS沥青的两倍。当加入废机油后，再生沥青的黏度值显著降低，但在135 ℃时仍高于原样沥青。随着温度增加，沥青黏度值减小，当温度达到175 ℃时，不同沥青之间黏度值相差较小。在不同废机油掺量下，再生沥青黏度值基本一致，这表明掺加废机油虽然能够实现老化沥青的再生，但其黏度不能恢复到原样沥青水平。

图1 沥青布氏黏度Fig.1 Brookfield viscosity of asphalt

2.2 流变试验结果

采用温度扫描所得的车辙因子对沥青高温流变性能进行评价，老化沥青及再生沥青车辙因子-温度关系曲线如图2所示。由图2可见，随着温度的增加，沥青的车辙因子呈现出逐渐衰减的趋势，这是由于随着温度升高，沥青逐渐从粘弹态转变为黏流态，流动性增强，高温抗变形能力减小。此外，老化沥青与SBS沥青的车辙因子曲线近似平行，且老化沥青在各温度下车辙因子较SBS沥青提升约226%。表明SBS沥青老化后，沥青样品刚度提升，具备更优的抗车辙性能。加入废机油后，再生沥青车辙因子逐渐减小，且随着废机油掺量增大，再生沥青车辙因子降低的幅度也越大。

图2 沥青车辙因子Fig.2 Rutting factor of asphalt

在不同温度下进行频率扫描试验，并基于时温等效原理转化为60 ℃下复数模量主曲线，老化沥青及再生沥青的复数模量主曲线如图3所示。由图3可见，不同沥青复数模量主曲线间的关系与由车辙因子分析得出的结论相似。老化沥青主曲线位于最上方，未老化SBS改性沥青主曲线位于最下方。掺加废机油后，再生沥青复数模量主曲线向下方移动，随着废机油掺量增加，主曲线向下移动趋势也越大。在中低频率域内，老化沥青复数模量相比与原样SBS沥青要高出两个数量级。这进一步证明老化使得沥青高温性能得到提升。值得注意的是，当废机油掺量为3%与6%时，在中高频率域内其主曲线与老化沥青相比降低不显著，较低的废机油掺量对老化SBS改性沥青的再生效果不明显。

根据LAS试验数据，采用黏弹性连续介质损伤力学理论模型(VECD)对再生沥青结合料的疲劳性能进行分析，计算老化沥青、原样沥青及再生沥青疲劳寿命，应力水平选择为2.5%。再生沥青疲劳寿命计算结果如图4所示。

图3 沥青复数模量主曲线Fig.3 Complex modulus master curve of asphalt

图4 沥青疲劳寿命Fig.4 Fatigue life of asphalt

由图4可知，经过长期老化后，SBS改性沥青疲劳寿命相比于未老化沥青下降69%，这表明老化使得沥青变得更硬，从而降低了沥青抵抗荷载重复作用的能力，进而使得疲劳寿命减小。当加入废机油后，再生沥青疲劳寿命有所恢复，且随着废机油掺量的增加，疲劳寿命恢复的也越多，但仍未达到原样SBS改性沥青的水平。此外，9%的废机油掺量下疲劳寿命比老化沥青增加137%，说明以废机油作为再生剂能够有效延长沥青路面使用寿命，达到重复利用资源的目的。

根据试验规程，以BBR试验第60 s时S与m评价沥青低温性能。各沥青在-12 ℃下BBR试验结果如图5所示。SHRP研究指出，在低温条件下S越大，m越小，表明沥青具有更好的应力松弛能力，其低温抗裂性能也越好。由图5(a)可以看出，当沥青经过长期老化后，其低温劲度模量相比于未老化沥青增加了152.7%，这表明老化后沥青变得更硬，其低温抗荷载作用能力减弱。而加入废机油后，再生沥青劲度模量随着废机油掺量增加逐渐减小。这说明在老化沥青中掺入废机油，能够软化沥青，使沥青低温性能有所恢复。但掺加9%废机油的再生沥青劲度模量要比未老化沥青高出86.5%，说明仅靠掺加废机油无法完全恢复SBS改性沥青性能。

由图5(b)可知，未老化SBS蠕变速率最大，达到0.451，经过长期老化后，沥青蠕变速率减小。掺入废机油后，再生沥青蠕变速率有所恢复，但提升幅度并不大。这表明废机油能够提升老化沥青低温条件下抗荷载作用能力，然而对于蠕变恢复性能影响并不显著。

2.3 老化及再生机理分析

2.3.1 红外光谱分析

废机油红外光谱图如图6所示，为了突出部分沥青中特征峰，未老化SBS改性沥青，老化沥青及掺加废机油再生沥青部分红外光谱图如图7所示。

图5 沥青BBR试验结果Fig.5 Asphalt BBR test results

图6 废机油红外光谱图Fig.6 Infrared spectrum of waste engine oil

图7 沥青红外光谱图Fig.7 Infrared spectrum of asphalt

基于红外光谱图，计算特征峰面积比，可以半定量地分析沥青老化及再生机理[19]。根据式(3)～式(5)计算特征峰指数。

(3)

(4)

(5)

表4 不同沥青特征峰指数计算结果Table 4 Calculation results of characteristic peak index of different asphalt

从红外光谱分析可知，SBS沥青未老化时，沥青中存在大量由聚合物组成的三维网状结构，这些结构在收到外部荷载作用时，能够很好地传递和消散应力，防止应力积累产生的破坏。而沥青老化后，内部网状结构被破坏，这种破坏通过掺加废机油无法逆转。这也验证了LAS及BBR试验结果，即废机油再生沥青疲劳寿命相比于老化沥青有所提升，但无法恢复至原样沥青水平，同时掺加废机油对于再生沥青蠕变速率无明显提升效果。

2.3.2 4组分分析

为进一步研究废机油对老化沥青再生机理，对废机油及不同沥青进行4组分分析，结果如图8所示。

由图8可见，废机油基本由芳香分与饱和分组成，其胶质与沥青质含量较少，分别为11.3%和5.3%。这证明将废机油作为再生剂掺入老化沥青中，以实现沥青组分调节与再生是合理的。对比老化前后的SBS改性沥青可以看出，经过长期热氧老化作用后，沥青中芳香分含量大幅减少，饱和分含量也下降。同时沥青质与胶质含量增加。即沥青在热氧作用下，轻质组分挥发或转化为胶质沥青质等重质组分，从而使得老化后重质组分所占比例增大。当掺入废机油后，随着废机油掺量增大，再生沥青中芳香分含量逐渐增加，胶质含量逐渐降低，饱和分与沥青质含量变化幅度不大。这说明将废机油掺入老化沥青中能够调节各组分含量，尤其是增加沥青中饱和分含量，使得沥青软化，性能得到恢复。

图8 废机油及不同沥青四组分结果Fig.8 Component analysis of waste engine oil and different asphalt

2.3.3 荧光显微镜分析

对不同沥青进行荧光显微镜试验，定性分析废机油再生SBS改性沥青机理。各沥青荧光显微镜图像如图9所示。

图9 不同沥青荧光显微镜图像Fig.9 The Fluorescence microscope image of different asphalt

在荧光显微镜图像中，亮色为SBS及废机油中物质，暗色为沥青相。由图9(a)和图9(b)可知，未老化的SBS改性沥青中大量的聚合物SBS均匀分散在沥青中，形成交联结构。而当SBS沥青经过长期老化后，SBS沥青中仅存在少量游离SBS分子。这也证实了红外光谱试验结果，即长期老化作用下沥青中SBS发生降解破坏，无法形成网状结构，导致沥青弹性恢复性能降低。当富含轻质组分的废机油加入老化沥青后，使得老化沥青中断裂成小分子的SBS溶胀，从而在荧光显微镜中出现游离的聚合物相。当废机油掺量进一步增大时，沥青中出现较多的荧光相，这些是由SBS进一步溶胀及废机油中物质产生。

3 结论

将废机油作为再生剂掺入老化SBS改性沥青中，对再生沥青性能及再生机理进行研究，得出如下结论。

(1) 废机油的掺入增加了老化沥青的流动性，降低再生沥青黏度及高温抗车辙性能。且随着废机油掺量增加，再生沥青的高温性能降幅越大。但各废机油掺量下再生沥青的高温性能均高于未老化SBS沥青。

(2) 长期老化后沥青疲劳寿命下降69%，掺入废机油能过延长沥青疲劳寿命。9%废机油掺量下疲劳寿命恢复至原样沥青的73%。仅靠调节轻质组分无法修复沥青中老化裂解的SBS。

(3) 在低温条件下，废机油能够降低老化沥青脆性，提升老化沥青抗荷载作用能力，增强其低温抗裂性能。而废机油对沥青蠕变速率没有显著影响。

(4) SBS沥青在长期热氧老化作用下，沥青中产生羰基与亚砜基，同时SBS聚合物发生破坏。且将废机油掺入老化沥青中没有新的吸收峰出现，属于物理改性。

(5) 废机油中含有的大量芳香分、饱和分等轻质组分，能够调节沥青组分，增加沥青轻质组分含量并使得沥青中重质组分含量降低。且废机油中富含的轻质组分能够使断裂的SBS部分溶胀，从而达到再生沥青的目的。