沥青老化及再生对自愈合性能的影响

徐 浩，张文武，何兆益，*，孔 林，黄佳兴

（1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；
2.山东高速集团有限公司，山东 济南 250101）

疲劳开裂是沥青路面的主要破坏形式，对路面性能具有显著的负面影响.沥青作为一种典型的黏弹性材料，具有自愈合性能，即自动修复疲劳裂纹的能力，从而延长路面疲劳寿命［1-3］.1965 年Deacon［4］发现沥青混凝土的使用寿命随间歇时间增加而延长.从此，学者们对沥青自愈合机理、自愈合表征方法及影响因素等展开了大量研究.Wool 等［5-6］将沥青自愈合过程归结为裂缝界面的润湿及分子的扩散.程耀飞等［7］研究表明自愈合指标与愈合时间t0.25具有较高的线性拟合度.罗蓉等［8］在现有自愈合指标基础上作了进一步修正，得到了考虑愈合前后动态剪切模量和加载时间变化的新指标.崔亚楠等［9］通过正交试验分析表明老化是影响SBS 改性沥青自愈合性能的最大因素.

沥青在长期服役过程中会逐渐老化，自愈合性能也会降低，添加再生剂能恢复老化沥青自愈合性能.中国大部分路面超过设计使用年限而逐渐进入大中修期，废旧沥青混合料的再生技术是环保经济的道路修复方法，国内外对再生沥青混合料的使用量也逐年增加，因此研究再生沥青自愈合性能十分必要.本文通过动态剪切流变（DSR）试验和红外光谱（IR）试验，研究老化及再生对沥青自愈合性能的影响，并分析沥青自愈合性能与其化学组成的相关性.

1.1 原材料及试样制备

采用70#基质沥青，通过旋转薄膜烘箱老化（RTFOT）试验模拟沥青不同程度的老化，将70#基质沥青经RTFOT 老化85、170、340 min 后的试样分别表示为70#R85、70#R170 和70#R340.基质沥青和老化沥青的技术指标如表1 所示.再生剂选用课题组自主研发的R、S、Y 型3 种再生剂，R 型为矿物油再生剂，S和Y 型为生物油再生剂，其性能指标如表2所示.

表1 基质沥青和老化沥青的技术指标Table 1 Technical indicators of matrix asphalt and aging bitumen

表2 再生剂的性能指标Table 2 Properties of the regenerant

再生沥青制备过程如下：将不同程度老化沥青在烘箱中预热至160 ℃，按试验所需质量倒入杯中；
按设计掺量（质量分数）称取再生剂并加入到老化沥青中；
将老化沥青与再生剂混合试样杯放置在160 ℃恒温油浴锅中，采用搅拌机以1 000 r/min 的速率持续搅拌30 min，使再生剂与老化沥青混合均匀，得到再生沥青.

再生沥青编号以“老化沥青编号+再生剂掺量和类型”来表示，如70#R85+5%Y 表示向老化沥青70#R85 中添加5%Y 型再生剂后制备的再生沥青.针对不同的问题，采用控制变量法进行分组，当研究不同老化程度再生沥青的自愈合性能时，以老化时间为变量，固定再生剂类型和掺量；
当研究不同再生剂掺量对老化沥青自愈合性能的影响时，以向70#R340 中掺加Y 型再生剂的再生沥青为研究对象，变量为Y 型再生剂掺量（5%，7%，9%）；
当研究不同再生剂类型对老化沥青自愈合性能的影响时，以向70#R340 中掺加9%再生剂的再生沥青为研究对象，变量为再生剂类型（Y、S、R）.

1.2 试验方法

1.2.1 自愈合试验方法及评价指标

“疲劳-愈合-疲劳”循环加载试验是研究沥青自愈合性能的常用方法.试验采用DSR 时间扫描模式，选取平行板直径和间距分别为8、2 mm，控制应变为5%，加载频率为10 Hz，试验温度为30 ℃，间歇时间t分别设置为10、20、40、60、80 min.试验流程如图1 所示，图中各参数定义同式（1）.

图1 沥青“疲劳-愈合-疲劳”循环加载试验流程Fig.1 Test procedure for‘fatigue-healing-fatigue’cycle loading of asphalt

本文采用罗蓉等［8］提出的愈合指数HI 对沥青自愈合性能进行表征，如式（1）所示：式中：G*a为沥青自愈合后的初始动态剪切模量，MPa；
G*b为沥青自愈合前的终止动态剪切模量，MPa；
G*0为沥青自愈合前的初始动态剪切模量，MPa；
t1、t2表示加载时间，s.

此外，根据毛细扩散理论可知，沥青自愈合由毛细力引起的瞬时自愈合和分子扩散形成的扩散愈合组成，愈合指数HI 可以通过愈合温度和愈合时间的函数来表征［10］，如式（2）所示：

式中：HI(θ，t)为温度θ下间歇时间为t时的愈合指数；
HI0为瞬时自愈合强度；
K为愈合速率；
t0.25为愈合时间.

1.2.2 红外光谱试验

采用NEXUS EU-RO 红外光谱仪，以薄膜法测定沥青的化学官能团，扫描次数为32 次/s，分辨率为4 cm-1.采用特征官能团吸收峰面积比来定量分析官能团组成与含量对沥青自愈合性能的影响［11］，如式（3）所示.

式中：Ii为官能团i的指数；
Ai为官能团i的吸收峰面积；
∑A为600～2 000 cm-1波段范围内所有吸收峰面积之和.

2.1 自愈合行为方程拟合

对不同类型沥青进行“疲劳-愈合-疲劳”循环加载试验，采用式（2）对各沥青愈合指数HI 进行拟合，得到各沥青在30 ℃下愈合指数与愈合时间的关系，如图2 所示.

由图2 可知：各沥青愈合指数HI 均随着愈合时间的延长而增大，充分的间歇时间有利于沥青自愈合修复；
除重度老化沥青（RTFOT 老化340 min 的沥青）以外，沥青愈合指数HI 与愈合时间t0.25拟合相关度较高（R2＞0.9），说明基于毛细扩散理论的自愈合模型（式（2））能够较好地描述沥青愈合指数随愈合时间的发展变化，重度老化沥青拟合相关性较差的原因可能是30 ℃时重度老化沥青的流动性较差，自愈合现象不明显；
拟合曲线斜率为沥青愈合速率K，反映了沥青愈合过程中的恢复速率，拟合曲线的截距为沥青的瞬时自愈合强度HI0，图2 中所有沥青拟合曲线的截距均为负数，说明沥青瞬时自愈合并不能恢复其承受荷载作用的能力［11］；
图2（b）～（d）中，不同状态再生沥青自愈合拟合曲线之间存在交叉点，因为沥青愈合指数随时间变化，以某一个时间点的愈合指数进行沥青自愈合性能的对比会比较片面.因此，本文以平均愈合指数HIa对原样沥青、老化沥青和再生沥青的自愈合能力进行评价，结合愈合速率K分析沥青老化及再生过程中自愈合性能的变化规律.

2.1.1 老化程度对沥青自愈合性能的影响

图3 为不同老化程度沥青再生前后的自愈合参数.由图3 可见：随沥青老化程度加重（老化时间延长），平均愈合指数HIa减小，愈合速率K降低；
70#R85、70#R170、70#R340 的平均愈合指数HIa分别为基质沥青的72.6%、53.4%、26.9%，愈合速率K分别降低至基质沥青的77.1%，59.5%，20.8%，表明老化对于沥青自愈合性能具有显著的负面影响.原因在于老化后沥青中轻质组分减少，沥青质增加，分子间作用力增大，分子扩散运动能力减弱.

图3 不同老化程度沥青再生前后的自愈合参数Fig.3 Self-healing parameters of asphalt with different aging degrees before and after regeneration

由图3还可见：老化沥青添加再生剂后自愈合性能明显恢复，平均愈合指数HIa提高，愈合速率K增大；
再生 后70#R85+5%Y、70#R170+5%Y、70#R340+5%Y的平均愈合指数HIa分别恢复至基质沥青的100.9%、96.4%、63.2%，愈合速率K分别恢复至基质沥青的89.7%，94.7%，40.7%.原因是再生剂补充了沥青在老化过程中缺失的轻质组分，溶解并分散了老化过程中生成的强极性物质，改善了老化沥青的胶体结构，促进了沥青自愈合.

2.1.2 再生剂掺量对老化沥青自愈合性能的影响

图4 为不同再生剂掺量下再生沥青的自愈合参数.由图4 可见：随着再生剂掺量的增加，再生沥青自愈合性能明显提高；
70#R340 老化沥青添加5%、7%、9%的Y 型再生剂后，平均愈合指数HIa分别恢复到基质沥青的63.2%、78.5%、100.9%，愈合速率K分别恢复至基质沥青的40.7%，56.7%，84.9%，再生剂对愈合速率K的恢复作用弱于平均愈合指数HIa；
70#R340 添加9%Y 型再生剂后的自愈合性能与基质沥青较为接近，说明70#R340 重度老化沥青需要更大掺量的再生剂才能补充其老化过程中损失的轻质组分，恢复胶体结构.

图4 不同再生剂掺量下再生沥青的自愈合参数Fig.4 Self-healing parameters of recycled asphalt with different regenerant content

2.1.3 再生剂类型对老化沥青自愈合性能的影响

图5 为不同再生剂类型下再生沥青的自愈合参数.由图5 可见：3 种再生剂均能恢复老化沥青自愈合性能，向70#R340 老化沥青中添加9%的Y 型、S 型、R 型再生剂后平均愈合指数HIa分别恢复到基质沥青的100.9%、91.5%、80.3%，愈合速率K分别恢复至基质沥青的84.9%，76.1%，90.9%；
3 种再生剂对老化沥青平均愈合指数HIa的恢复效果排序为Y＞S＞R，对老化沥青愈合速率K的恢复效果排序为R＞Y＞S.3 种再生剂均能提高老化沥青的自愈合性能，因再生剂组分不同，对老化沥青的化学组成影响存在差异，改善效果不同.

图5 不同再生剂类型下再生沥青的自愈合参数Fig.5 Self-healing parameters of recycled asphalt under different regenerant types

2.2 红外光谱分析

图6 为再生剂、原样沥青、老化沥青及再生沥青的红外光谱.

由图6（a）可知：在2 830～2 982 cm-1波段内3 种再生剂均出现高强度的CH3和CH2反对称与对称伸缩振动峰，表明再生剂中均存在含有非极性甲基和亚甲基官能团的烷烃；
3 种再生剂均包含多种极性官能团，1 740、1 169 cm-1处分别出现酯羰基C=O 和链酸酐C—O 极性基团吸收峰，1 030 cm-1处出现微弱的亚砜基S=O 吸收峰，表明3 种再生剂均含有一端由亲水基（极性部分）、一端由憎水基（非极性部分）组成的表面活性剂成分［12］.

由图6（b）可知：70#基质沥青经过老化后在1 700 cm-1附近出现了羰基特征峰，并随着老化程度的加重而增强；
另外，1 030 cm-1附近的亚砜基S=O伸缩振动峰和3 420 cm-1附近的O—H 吸收峰均在原有基础上有所增强.

对比图6（b）、（c）可知，老化沥青再生前后的官能团吸收峰位置基本相同，但不同状态再生沥青均在1 740 cm-1附近出现了酯羰基C=O 伸缩振动峰.原因在于，再生剂的引入导致了再生沥青中新吸收峰的出现，老化沥青再生过程中并无新物质产生.

图6 再生剂、原样沥青、老化沥青及再生沥青的红外光谱Fig.6 IR spectra of regenerant，base asphalt，aged asphalt and regenerated asphalt

2.3 沥青愈合指数与微观化学指标的相关性

现有研究［13-14］表明沥青老化及再生过程中主要关注1 700 cm-1附近的羰基C=O 及1 030 cm-1附近的亚砜基S=O 等含氧官能团的变化.采用OMNIC软件中的基线法来计算红外光谱中碳基和亚砜基特征峰的面积，进而通过式（3）得到碳基C=O 和亚砜基S=O 的官能团指数IC=O、IS=O，结果见表3.通过羰基和亚砜基官能团指数来反映沥青的老化及再生状态.

由表3 可知：随着沥青老化程度的加重，IC=O和IS=O逐渐增大，说明沥青中羰基和亚砜基含量变大，沥青发生氧化反应生成羰基和亚砜基等极性基团；
老化沥青添加3 种再生剂后均表现出IC=O和IS=O减小，表明沥青再生后极性官能团含量减少，再生剂能够补充老化沥青缺失的轻质组分，稀释溶解沥青老化过程中产生的极性物质.

表3 再生沥青官能团指数Table 3 Functional group index of recycled asphalt

图7 给出了沥青自愈合参数与官能团指数的关系.由图7 可知，IS=O与沥青平均愈合指数HIa具有一定程度的相关性（R2＞0.68），IS=O越大，沥青中极性官能团含量越高，分子间作用力越大，沥青自愈合性能越低.考虑到再生剂种类不同会影响再生沥青官能团指数，排除添加R 型和S 型再生剂的试验样品后，将沥青自愈合参数与官能团指数的关系列于图8.

图7 沥青自愈合参数与官能团指数的关系Fig.7 Relationship between asphalt self-healing parameter and functional group index

图8 排除添加R 型和S 型再生剂的试验样品后，剩余沥青自愈合参数与官能团指数的关系Fig.8 Relationship between self-healing parameters and functional group index of the remaining asphalts after excluding R and S types of recycled asphalt

由图8 可见：排除添加R 型和S 型再生剂的试验样品后，自愈合参数与官能团指数IC=O、IS=O的相关性明显提高，沥青平均愈合指数与IC=O的相关性超过0.7，表明再生剂种类影响了沥青自愈合参数与官能团指数的相关性；
对于添加Y 型再生剂的沥青，自愈合参数与IC=O、IS=O之间表现出较好的线性相关性.

（1）通过不同间歇时间下的沥青疲劳自愈合试验得出，除重度老化沥青外，其余沥青的平均愈合指数HIa与愈合时间t0.25的线性相关性较高.老化导致沥青K和HIa降低，添加再生剂能够恢复老化沥青的愈合性能，且再生剂掺量较高时效果更好；
Y 型再生剂对恢复老化沥青自愈合性能的效果最好.

（2）沥青在老化过程中发生了氧化反应，随着老化程度的加重，羰基指数IC=O和亚砜基指数IS=O增大，沥青中极性氧化物含量提高，导致分子间作用力增大，自愈合能力降低；
老化沥青再生后IC=O、IS=O减小，极性氧化物含量降低，分子间作用力减小，自愈合能力得到恢复.

（3）再生剂组分差异会影响再生沥青自愈合参数与官能团指数的相关性，添加Y 型再生剂的再生沥青自愈合参数与IC=O、IS=O均表现出较好的线性相关性.