摘要
为探究厂拌热再生沥青混合料中新旧沥青的老化进程及老化机理,模拟再生混合料的拌和与使用过程,首先测试了基质沥青、回收沥青以及新旧沥青三种试样依次经历旋转薄膜烘箱老化试验RTFOT和加速加压老化试验PAV之后各自的动力粘度与路用性能,对比分析了热再生中新旧沥青在老化过程中的宏观性能衰减规律,进而采用红外光谱和差示量热分析扫描等微观测试手段探明了新旧沥青的老化进程与老化机理。测试结果表明,先后经历RTFOT老化和PAV 老化之后,回收沥青的粘度上升最显著,低温性能下降也十分迅速,但新旧沥青的动力粘度与低温性能变化幅度均远远高于基质沥青,证明其老化速率较基质沥青快;新旧沥青在经历RTFOT老化和PAV 老化过程中,除新沥青和回收沥青各自独立的老化外,还存在一种介于二者之间的化学作用,即回收沥青中某些活性基团对新沥青的老化进程具有较明显的促进作用,称之为“诱导老化”,这种诱导老化通过改变基质沥青的老化进程而改变其老化机理。
中国公路建设经过20余年的快速发展,无论是高速公路还是普通道路里程,均已成为世界第
1)回收沥青:由重庆渝遂高速公路废弃混合料经离心抽提制得;
2)新沥青:中海7
3)新旧沥青:回收沥青与新沥青按3:7的质量比均匀混合而成。
其相关技术性能指标列于
沥青种类 | 25 ℃针入度/(0.1 mm) | 15 ℃延度/cm | 软化点/℃ |
---|---|---|---|
新沥青 | 63.3 | 135.3 | 48.9 |
回收沥青 | 35.3 | 17.4 | 63.1 |
新旧沥青 | 51.6 | 97.2 | 54.3 |
动力粘度试验:采用Brookfield 粘度计按GBT22235—2008液体黏度的测定标准测试3种沥青老化前后在120 ℃的动力粘度; 低温弯曲蠕变(BBR)试验:测试3种沥青试验老化前后在-12 ℃和-18 ℃下的劲度模量S和蠕变速率m值;低温柔性试验:参照建筑防水涂料试验方法GB/T16777—2008分别测试3种沥青试验老化前后的低温柔性;红外光谱(IR)试验:采用Bruker 公司生产的 VERTEX 70 红外分析仪分别测出3种沥青试验老化前后的红外谱图,光谱扫描范围4 000-500 c
沥青的老化程度与它的动力粘度紧密相关,随着沥青老化程度的加深,其动力粘度也会随之增大。分别测试了新沥青、回收沥青及新旧沥青原样以及先后经历RTFOT老化和PAV老化后的120 ℃时动力粘度,结果见
沥青种类 | 原样 | RTFOT后 | 上升百分比/% | RTFOT+PAV后 | 上升百分比/% |
---|---|---|---|---|---|
新沥青 | 0.140 | 0.199 | 42.1 | 0.410 | 192.8 |
回收沥青 | 0.381 | 1.350 | 254.3 | 2.775 | 628.3 |
新旧沥青 | 0.158 | 0.262 | 65.8 | 0.590 | 273.4 |

图1 3种沥青老化前后在120 ℃时的动力粘度
Fig. 1 Dynamic viscosity of the three asphalts at 120 ℃ before and after aging
由
通过3种沥青试样依次经历RTFOT老化和PAV老化之后的动力粘度变化情况可以推理得出,在RTFOT老化和PAV老化过程中,回收沥青不仅自身的老化迅速,而且通过某种化学作用加速了新沥青的老化进程,这种现象对RAP的再生循环利用极为不利,也是目前厂拌热再生技术必须要解决的关键问题。
采用BBR低温弯曲蠕变试验测得蠕变速率和劲度模量来评价沥青的低温性
老化类型 | 沥青种类 | -12 ℃ | -18 ℃ | ||
---|---|---|---|---|---|
劲度模量S/MPa | m | 劲度模量S/MPa | m | ||
原样 | 新沥青 | 116 | 0.316 | 131 | 0.282 |
新旧沥青 | 142 | 0.291 | 208 | 0.258 | |
回收沥青 | 163 | 0.257 | 279 | 0.223 | |
RTFOT老化后 | 新沥青 | 135 | 0.299 | 228 | 0.268 |
新旧沥青 | 171 | 0.271 | 334 | 0.225 | |
回收沥青 | 182 | 0.231 | 347 | 0.212 | |
RTFOT+PAV老化后 | 新沥青 | 159 | 0.278 | 276 | 0.243 |
新旧沥青 | 202 | 0.244 | 405 | 0.217 | |
回收沥青 | 211 | 0.209 | 429 | 0.188 |
分析3种沥青的BBR试验结果还发现,回收沥青的加入引起基质沥青在RTFOT老化和PAV老化过程中劲度模量及蠕变速率的突变,由此提出猜测:在新旧沥青先后经历RTFOT老化和PAV老化的过程中,除了基质沥青和回收沥青各自老化外,还存在特殊的化学作用,这种化学作用在加速基质沥青的老化进程,改变了基质沥青的老化机理,这种特殊的化学作用为“诱导老化”。
高分子材料的低温柔性与老化程度呈线性负相关。将新沥青、新旧沥青及回收沥青3种试样及其经历RTFOT老化和PAV老化后的试样溶解于二甲苯中,再涂刷于厚度为100 mm× 10 mm×0.5 mm的铝片上,控制涂膜厚度为0.1±0.05 mm,完全固化后置于-20 ℃的冰箱中恒温2 h,取出试件绕Φ15的圆管弯曲180°,观察其开裂情况(见

图2 180°低温弯曲之后的沥青试样
Fig. 2 Asphalt samples after bending at 180°
沥青种类 | 原样 | 经历RTFOT老化 | 经历RTFOT+PAV老化 |
---|---|---|---|
新沥青 | 无 | 很少且细 | 较多且细 |
新旧沥青 | 无 | 较多较粗 | 较多很粗 |
回收沥青 | 较多 | 很多较粗 | 很多很粗 |
对比观察发现,新沥青及新旧沥青原样均未出现任何裂纹,而回收沥青开裂较明显,表明新沥青及新旧沥青具有优良的低温柔性,回收沥青低温柔性较差;经历RTFOT老化后的裂纹情况表明,相对于新沥青,新旧沥青的低温柔性劣化迅速;进一步经历PAV老化后,尽管新沥青也出现了较明显开裂,但裂纹较细且分布均匀,而新旧沥青和回收沥青低温开裂进一步增强,裂纹不仅多,且粗,表明其低温柔性严重下降,展现了显著的脆性特征。依次经历RTFOT老化和PAV老化之后,相对于新沥青,新旧沥青的低温柔性劣化速度明显更快,并最终接近于回收沥青。低温柔性试验结果表明,回收沥青不仅自身低温柔性较差,抗老化能力弱,少量回收沥青还可能会加速新沥青的老化进程,不利于厂拌热再生沥青路面的耐久性。
作为一种分析材料化学结构最常用的方法,红外光谱法可用于材料的定性和定量分析材料化学官能团的种类与结
为了验证回收沥青对基质沥青的诱导老化作用,分别将3种沥青原样、经RTFOT老化和PAV老化之后的试样进行红外光谱分析,其红外光谱图见图

图3 3种沥青原样的红外光谱图
Fig. 3 Infrared spectra of three original asphalts

图4 3种沥青经RTFOT老化后的红外光谱图
Fig. 4 Infrared spectra of three asphalts after RTFOT aging

图5 3种沥青经RTFOT老化和PAV老化的红外光谱图
Fig. 5 Infrared spectra of three asphalts after RTFOT and PAV aging
为证实新旧沥青在老化过程中诱导老化的存在,同时考虑沥青在老化过程中发生较显著变化的特征官能团主要有羰基和亚砜基,通过计算这2种官能团在老化前后的峰面积变化情况来表征各自的老化进程及老化机理。为了消除各个试样在制样过程中的差异引起误差,引入官能团指数的概念。官能团指数是指某一官能团吸收峰的面积与某一波数范围内所有官能团面积的比
。 | (1) |
式中,。
首先对图
沥青种类 | 特征官能团系数I | 羰基指数IC=O | 亚砜基指数IS=O |
---|---|---|---|
基质沥青 | 原样 | 0.011 3 | 0.028 1 |
RTFOT | 0.043 2 | 0.039 3 | |
RTFOT+PAV | 0.053 0 | 0.050 6 | |
新旧沥青 | 原样 | 0.037 0 | 0.050 4 |
RTFOT | 0.079 8 | 0.049 0 | |
RTFOT+PAV | 0.095 4 | 0.064 6 | |
回收沥青 | 原样 | 0.055 9 | 0.081 3 |
RTFOT | 0.085 6 | 0.072 8 | |
RTFOT+PAV | 0.097 8 | 0.058 5 |

图6 3种沥青老化前后的亚砜基指数
Fig. 6 Sulfoxide index of the three asphalts before and after aging
分析图

图7 3种沥青老化前后的羰基指数
Fig. 7 Carbonyl index of the three asphalts before and after aging
对比分析3种沥青依次经历RTFOT老化和PAV老化之后其羰基指数的变化情况。3种原样沥青中羰基指数大小关系为:回收沥青>新旧沥青>基质沥青;RTFOT老化后,3种沥青的羰基指数均显著升高,其增幅分别为0.029 7、0.042 8和0.031 9,显然新旧沥青的羰基指数增长幅度最大,且与回收沥青的羰基指数之差大幅减小,与基质沥青的羰基指数之差增大;继续经历PAV老化,这3种沥青的羰基指数进一步增加,其增幅分别为0.012 2、0.015 6和0.009 8,仍然是新旧沥青羰基指数增幅最大,基质沥青与新旧沥青的羰基指数之差被进一步拉大,而新旧沥青的羰基指数已接近于回收沥青。因此,相对于基质沥青而言,新旧沥青在短期老化过程中的抗老化能力迅速下降,由此推断,新旧沥青的老化进程是非常复杂的,绝不仅仅是基质沥青和回收沥青各自老化进程的简单叠加,必定存在一种对基质沥青老化进程有显著促进作用诱导老化,导致新旧沥青中的基质沥青老化显著加速。
采用差示量热扫描法测试新沥青、新旧沥青及回收沥青分别经历FTROT和PAV老化前后的玻璃态转变温度Tg及其在Tg附近的温度转变范围变化来评价其老化程度,论证新旧沥青混合物在经历老化过程中旧沥青对新沥青的诱导老化作用,测试结果见
老化方式 | 玻璃化转变范围Tg | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
基质沥青 | 新旧沥青 | 回收沥青 | ||||
原样 | 8.01~44.11 | 8.69 | 8.85~45.21 | 9.68 | 11.82~45.88 | 16.90 |
短期老化 | 9.68~46.15 | 10.13 | 10.91~45.49 | 14.75 | 12.66~46.82 | 17.22 |
长期老化 | 11.23~46.86 | 13.18 | 12.48-~46.92 | 17.61 | 14.85~47.24 | 19.33 |
新旧沥青依次经历RTFOT老化和PAV 老化后其动力粘度和低温性能变化幅度明显高于基质沥青,高粘度的回收沥青经历RTFOT老化和PAV 老化后其粘度呈指数增长,表明回收沥青不宜直接作为热再生混合料的胶结料;红外光谱的官能团定性分析和定量计算结果表明,新旧沥青在RTFOT老化和PAV 老化过程中,羰基指数和亚砜基指数会显著上升,其上升幅度远大于基质沥青,除基质沥青和回收沥青自身各自独立的老化外,还存在一种加速新沥青老化的 “诱导老化”。这种诱导老化显著加速了新沥青的老化进程,改变了其老化机理;新旧沥青的玻璃化转变温度在老化进程中的上升幅度明显高于基质沥青,与回收沥青经历短期老化之后的玻璃化转变温度较接近,也证明了新旧沥青的老化速率明显高于新沥青。新旧沥青混合物的老化机理十分复杂,下一步工作将通过研究其老化动力学规律探究其老化进程和老化机理。
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