植物油再生瀝青老化再生機(jī)制及其流變特性研究

楊 青, 胡鋼華, 周土瑤, 項(xiàng)震宇, 朱震海, 谷 雨,2

(1.浙江師范大學(xué) 道路與交通工程研究中心,浙江 金華 321004;2.浙江師范大學(xué) 浙江省城市軌道交通智能運(yùn)維技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 金華 321004；3.磐安縣公路管理局,浙江 磐安 322300；4.金華市公路與運(yùn)輸管理中心,浙江 金華 321000；5.浙江省交通集團(tuán)高速公路金華管理中心,浙江 金華 321000)

0 引 言

截至2020年底，全國公路養(yǎng)護(hù)里程為514.40 萬km[1]，其中路面養(yǎng)護(hù)是重中之重，而瀝青路面作為我國主要的路面形式，更需重點(diǎn)關(guān)注.在瀝青路面的長期服役過程中，作為瀝青路面最主要有機(jī)結(jié)合料的瀝青[2]在紫外線照射、雨水沖刷、氧氣老化等環(huán)境作用和復(fù)雜車輛荷載的反復(fù)碾壓作用下，發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的老化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致瀝青路面的使用性能下降，甚至嚴(yán)重危及行車安全.若能解決廢舊瀝青路面材料中瀝青的老化問題，實(shí)現(xiàn)其再生利用，將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益.對瀝青路面的再生利用可減少開山取石，直接節(jié)約材料費(fèi)用[3]，降低RAP作為廢棄物的處理成本和對環(huán)境的破壞，并降低瀝青路面原材料開采和運(yùn)輸過程中消耗的能量和排放的污染物，且符合當(dāng)前國際國內(nèi)資源循環(huán)利用和碳達(dá)峰、碳中和等環(huán)保政策，因此,在過去幾十年國內(nèi)外對再生瀝青大量研究與應(yīng)用的基礎(chǔ)上，瀝青再生問題目前仍是研究熱點(diǎn).美國公路合作研究項(xiàng)目(NCHRP)(09-46)指出，瀝青再生劑的摻入是老化瀝青再生的主要方式[4].然而，目前使用較多的芳烴油類瀝青再生劑含有較多致癌性與污染性物質(zhì)PAHs(polycyclic aromatic hydrocarbon)，已逐漸不再滿足人們對環(huán)保與健康日益嚴(yán)苛的要求.

植物油是化工領(lǐng)域來源廣泛、環(huán)境友好、毒性和揮發(fā)性低的可再生資源之一[5]，作為一種新型瀝青再生劑具有廣闊的應(yīng)用前景，因此，近幾年吸引了國內(nèi)外許多學(xué)者對植物油再生瀝青性能及再生機(jī)理的關(guān)注.Zargar等[6]研究發(fā)現(xiàn)，地溝油的性能指標(biāo)與基質(zhì)瀝青相似，可以成為一種再生劑，其被加入了老化瀝青后，老化瀝青的瀝青質(zhì)相對含量降低，從而改善了老化瀝青的路用性能；Gong等[7]研究了老化瀝青物理化學(xué)性質(zhì)受生物柴油殘?jiān)惿镉偷挠绊懸?guī)律，發(fā)現(xiàn)生物油能夠使老化瀝青的使用性能得到恢復(fù)；Guarin等[8]以黏度、車轍和疲勞因子等為指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)植物油具有改善瀝青的擴(kuò)散性和流變性的能力；唐伯明等[9]分析了以大豆毛油提純過程中產(chǎn)生的生物油為再生劑的再生瀝青的流變性能，證實(shí)了10%生物油再生瀝青的抗老化性能、高溫穩(wěn)定性、抗疲勞性能均優(yōu)于基質(zhì)瀝青；曹雪娟等[10]發(fā)現(xiàn)新鮮大豆油、煎炸大豆油、生物柴油殘?jiān)?種常見植物油和一種礦物油再生劑均可恢復(fù)老化瀝青的針入度、軟化點(diǎn)和延度指標(biāo)至基質(zhì)瀝青水平，故以此為標(biāo)準(zhǔn)確定了再生劑的最佳摻量.

綜上所述，合理的植物油再生劑摻量能夠使老化瀝青的性能恢復(fù)至基質(zhì)瀝青水平.然而，由于植物油再生劑含有較多不飽和鍵而易降解[11-12]，故植物油再生瀝青抗老化能力欠佳[13].但現(xiàn)有相關(guān)研究對植物油再生瀝青二次老化后的性能涉及較少；在確定植物油再生劑的最佳摻量時(shí)，也未充分考慮二次老化的影響.為了揭示植物油對老化瀝青的再生及其二次老化機(jī)制，探究其對高溫流變特性的影響，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，首先量化分析了瀝青老化、經(jīng)植物油再生和二次老化后的微觀結(jié)構(gòu)組成和微觀形貌特征，以此揭示植物油再生瀝青的老化再生機(jī)制；然后分析了瀝青老化、經(jīng)植物油再生和二次老化后的高溫流變特性變化趨勢，并以老化再生機(jī)制加以解釋；最后結(jié)合再生及二次老化后再生機(jī)制和流變特性研究結(jié)果推薦了植物油再生劑的摻量范圍.

1 原材料及試樣制備

1.1 基質(zhì)瀝青

采用鎮(zhèn)海70號基質(zhì)瀝青，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程：JTG E20—2011》[14](下簡稱“JTG E20—2011”)進(jìn)行性能測試，結(jié)果如表1所示.

表1 基質(zhì)瀝青路用性能試驗(yàn)結(jié)果

1.2 植物油再生劑

采用廢舊植物油為再生劑，密度與石油瀝青接近，常溫下呈液態(tài)，其組成成分如表2所示.

表2 植物油再生劑組成成分 單位：%

以往研究[15-16]表明，廢舊植物油中芳香分含量較高，適宜作為再生劑的基礎(chǔ)油分.

1.3 試樣制備

老化瀝青的制備參照J(rèn)TG E20—2011中T0610和T0630方法執(zhí)行,首先在163 ℃恒溫條件下通過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化85 min后獲得短期老化瀝青樣品,然后在100 ℃和2.1 MPa空氣條件下,通過壓力老化容器模擬老化20 h,制得長期老化的瀝青試樣.該組試樣用“Aged”表示.

再生瀝青是在老化瀝青中加入摻量分別為4%，6%，8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)的植物油，并一起預(yù)熱至135 ℃，然后保持該溫度在轉(zhuǎn)速3 000 r·min-1的剪切機(jī)下持續(xù)剪切15 min制得.該組試樣分別用“4%Rec”“6%Rec”和“8%Rec”表示.

二次老化瀝青則是先將上述再生瀝青再按照老化瀝青的制備方法制得.該組試樣分別用“4%Rec+Aged”“6%Rec+Aged”和“8%Rec+Aged”表示.

此外，基質(zhì)瀝青試樣用“BA”表示.

2 研究方法及方案

瀝青的老化、再生或二次老化前后性能變化的程度，以及植物油再生劑摻量對其性能變化程度的影響，主要可通過上述各組試樣的微觀結(jié)構(gòu)組成、微觀形貌特征和宏觀流變行為來反映.

2.1 微觀結(jié)構(gòu)組成

各組試樣微觀結(jié)構(gòu)組成通過傅里葉變換紅外光譜儀(FT-IR)測定，每個(gè)試樣以16次掃描后平均值作為測定結(jié)果，并截取范圍為3 500～700 cm-1的光譜曲線以4 cm-1的分辨率顯示，便于分析.

2.2 微觀形貌特征

各組試樣微觀形貌特征通過布魯克原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)觀察.以SCANASASST-AIR探頭、80 kHz的特征共振頻率，選取長度為600 nm的微懸臂梁，設(shè)置1 Hz的掃描頻率、0.4 N/m的彈性常數(shù)，選擇峰值力輕敲模式以20 μm×20 μm的圖像掃描面積、 512×512的掃描像素，獲取所有微觀形貌圖像.

采用與AFM配套的軟件NanoScope Analysis 1.7中的Flatten功能，對微觀形貌圖像分別進(jìn)行0～2階修復(fù)，修復(fù)前后的效果差異如圖1所示.

0階階階

經(jīng)修復(fù)后，可更清晰地觀察到試樣的相結(jié)構(gòu)，并可獲得樣品的形貌狀態(tài)參數(shù)均方根粗糙度和算術(shù)平均粗糙度，用以量化分析試樣的微觀形貌特征變化情況.

2.3 流變特性

各組試樣流變特性用Anton Par MCR-302動態(tài)剪切流變儀，通過溫度掃描和多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)(multiple stress creep recovery,MSCR)實(shí)驗(yàn)測定.

在溫度掃描實(shí)驗(yàn)中，掃描頻率為10 rad/s，初始溫度為58 ℃，升溫間隔為6 ℃，直至車轍因子G*/sinδ低于1 kPa，得到不同溫度下各組試樣的復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ和車轍因子G*/sinδ.

在MSCR實(shí)驗(yàn)中，先以0.1 kPa的剪切應(yīng)力對樣品在1 s內(nèi)完成1次加載和快速卸載，等待9 s后再重復(fù)加載卸載10次,然后重復(fù)施加10次3.2 kPa的剪切應(yīng)力，得到58,64和70 ℃溫度下各組試樣的剪切應(yīng)變和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr.

3 研究結(jié)果與分析

3.1 植物油再生瀝青微觀結(jié)構(gòu)組成

各組試樣的FT-IR掃描結(jié)果如圖2所示，以疊加光譜形式顯示，便于區(qū)分.

由圖2可看出，各組試樣分別在波數(shù)為2 920，2 850，1 700，1 460，1 376和1 030 cm-1處具有相同的譜峰.其中，亞甲基(CH2)中的C-H鍵非對稱和對稱伸縮振動分別引起2 920 cm-1附近和與其臨近的2 850 cm-1處出現(xiàn)譜峰;羰基(C=O)的振動引起1 700 cm-1處出現(xiàn)吸收峰;甲基(CH3)和CH2的變角振動共同引起1 460 cm-1處出現(xiàn)譜峰，而CH3的變角振動引起1 376 cm-1處出現(xiàn)譜峰，它們均屬于脂肪族化合物的烷烴彎曲振動吸收峰;此外，亞砜基(S=O)的伸縮振動引起1 030 cm-1處出現(xiàn)強(qiáng)吸收峰.

圖2 各組試樣的FT-IR疊加光譜圖

通常，羰基(C=O)和亞砜基(S=O)的變化與瀝青的氧化程度有關(guān)[8]，脂肪族和芳香族是瀝青的主要組成部分.然而，如圖2所示，瀝青在老化和再生前后，芳香族對應(yīng)譜峰變化不大.因此，在掃描結(jié)果中，選取脂肪族(1 460 cm-1和1 376 cm-1)、羰基(1 700 cm1)和亞砜基(1 030 cm-1)等特征官能團(tuán)，計(jì)算其峰值面積A，并依據(jù)式(1)～式(3)計(jì)算各官能團(tuán)指數(shù)I值.I值反映了老化、再生條件對瀝青內(nèi)部組分及結(jié)構(gòu)的影響程度，其中，IB反映了脂肪族官能團(tuán)的變化，IC=O和IS=O分別反映了羰基和亞砜基的變化.

IB=I1 376/(A1 376+A1 462);

(1)

IC=O=A1 700/(∑A);

(2)

IS=O=A1 030/(∑A).

(3)

式(1)～式(3)中：∑A=A2 920+A2 850+A2 729+A1 700+A1 600+A1 460+A1 376+A1 030+A866+A812+A723;Ai表示對應(yīng)波數(shù)處的峰面積.

按式(1)～式(3)計(jì)算得到的各組試樣特征官能團(tuán)指數(shù)如圖3所示.由圖3可知：

圖3 各組試樣的特征官能團(tuán)指數(shù)

1)不論對于基質(zhì)瀝青還是再生瀝青，且不論再生瀝青中植物油再生劑的摻量如何變化，經(jīng)老化后其羰基和亞砜基的官能團(tuán)指數(shù)IC=O和IS=O均有所提升，證實(shí)了羰基(C=O)和亞砜基(S=O)是瀝青老化過程中氧化反應(yīng)的主要產(chǎn)物.

2)相比于老化瀝青，再生瀝青的IC=O和IS=O均較低，且隨著植物油再生劑摻量的增大，IC=O和IS=O均呈降低的趨勢，這從微觀結(jié)構(gòu)的角度證實(shí)了老化瀝青可通過植物油再生劑的摻入得以再生，且再生程度與植物油再生劑的摻量成正比；此外，隨著植物油再生劑摻量的增大，IS=O的下降幅度比IC=O大，說明亞砜基在植物油再生劑對老化瀝青再生效果的評價(jià)方面敏感性更強(qiáng).

3)當(dāng)植物油再生劑的摻量達(dá)到8%時(shí)，老化瀝青中IC=O和IS=O才恢復(fù)到基質(zhì)瀝青水平，再生瀝青二次老化后IC=O和IS=O也與原老化瀝青持平，從這個(gè)角度來說，植物油再生劑的最佳摻量為8%.

4)不論瀝青老化或再生與否，脂肪族的官能團(tuán)指數(shù)IB變化幅度不大，說明其影響老化、再生的行為較小.

3.2 植物油再生瀝青微觀形貌特征

3.2.1 微觀形貌特征定性分析

通過AFM能夠有效觀察到瀝青老化或再生前后的各組分微觀形貌特征的變化.瀝青微觀形貌有基體相、“蜂狀結(jié)構(gòu)”兩相之分,以黑、白交替的“蜂狀結(jié)構(gòu)”為中心，周圍包裹著基體相.“蜂狀結(jié)構(gòu)”主要由蠟結(jié)晶組成，常被瀝青質(zhì)和膠質(zhì)包裹，其波浪形結(jié)構(gòu)主要由瀝青冷卻收縮時(shí)不同區(qū)域的局部應(yīng)力引起.而基體相按顏色深淺又可分為2個(gè)部分：深褐色區(qū)域稱為分散相，以瀝青質(zhì)與膠質(zhì)為主要成分,它們均未與蠟結(jié)晶相互結(jié)合;淺棕色區(qū)域以芳香分和飽和分為主,稱為連續(xù)相.

采用AFM觀察得到基質(zhì)瀝青“BA”和老化瀝青“Aged”兩組試樣的微觀形貌特征，如圖4所示.

從圖4可看出，基質(zhì)瀝青老化后，“蜂狀結(jié)構(gòu)”逐漸變小，數(shù)量增多.其原因是老化過程使基質(zhì)瀝青的芳香分和飽和分含量減少，而瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量增加，并吸引蠟結(jié)晶，導(dǎo)致蠟晶核增加.瀝青質(zhì)和膠質(zhì)積聚在蠟晶核的表面，充當(dāng)天然抑制劑，降低蠟的表面自由能和強(qiáng)度.與此同時(shí)，極性的膠質(zhì)會迅速包裹瀝青質(zhì)，阻礙瀝青質(zhì)的聚集，而蠟晶分散在各處時(shí)會開始凝固，最終粘附在蠟晶表面的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)減少.

對上述老化瀝青摻入不同比例的植物油再生劑制得的再生瀝青(即“4%Rec”“6%Rec”和“8%Rec”試樣)的微觀形貌特征及相結(jié)構(gòu)如圖5所示.

(a)4%再生瀝青形貌圖 (b)6%再生瀝青形貌圖 (c)8%再生瀝青形貌圖

對比圖5中再生瀝青形貌與圖4中基質(zhì)瀝青和老化瀝青形貌發(fā)現(xiàn)，再生瀝青的“蜂狀結(jié)構(gòu)”數(shù)量比基質(zhì)瀝青和老化瀝青少，尺寸比基質(zhì)瀝青和老化瀝青大.此外，從圖5可看出，隨著植物油再生劑摻量的增大，“蜂狀結(jié)構(gòu)”的數(shù)量也呈減少趨勢，尺寸呈增大趨勢.這是因?yàn)椋褐参镉驮偕鷦┯捎诜枷惴纸M分含量較高，其在老化瀝青中的摻入降低了瀝青質(zhì)的相對含量,減小了瀝青質(zhì)的團(tuán)聚程度,加快了蠟晶在極性組分周圍的生長、積累速度，從而抑制了老化瀝青的相分離；植物油再生劑摻入越多，蠟晶積累越多.這種植物油再生劑對老化瀝青的組分調(diào)和作用，實(shí)現(xiàn)了對老化瀝青的再生利用.

再生瀝青經(jīng)二次老化后制得的“4%Rec+Aged”“6%Rec+Aged”和“8%Rec+Aged”試樣的微觀形貌特征及相結(jié)構(gòu)如圖6所示.

從圖6不難發(fā)現(xiàn),二次老化使得再生瀝青“蜂狀結(jié)構(gòu)”變得更致密，且再生瀝青中植物油再生劑的摻量越小，經(jīng)二次老化后“蜂狀結(jié)構(gòu)”的致密程度更大.說明在二次老化過程中，再生瀝青中的植物油再生劑及原老化瀝青中殘余的芳香分和飽和分減少,而瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量相應(yīng)增加[17].再生瀝青組分的改變，降低了極性組分的極性，極性分子和氧元素相互結(jié)合，導(dǎo)致蠟晶分散性再次變大.因此，二次老化比一次老化的程度更深，且植物油再生劑摻量越少，老化程度越深.

(a)4%二次老化瀝青形貌圖 (b)6%二次老化瀝青形貌圖 (c)8%二次老化瀝青形貌圖

3.2.2 微觀形貌特征量化分析

為了進(jìn)一步表征不同老化程度瀝青的微觀形貌特征，基于圖4～圖6中各組試樣的相結(jié)構(gòu)，以均方根粗糙度、算術(shù)平均粗糙度對比了瀝青的老化、再生和二次老化行為.均方根粗糙度和算術(shù)平均粗糙度能夠直觀展現(xiàn)瀝青表面高低起伏的形貌程度.利用NanoScope Analysis 1.7軟件計(jì)算上述2個(gè)指標(biāo)，結(jié)果如表3所示.

由表3不難發(fā)現(xiàn)，各組試樣的均方根粗糙度和算術(shù)平均粗糙度變化趨勢大致相同，從小到大依次為4%二次老化瀝青、6%二次老化瀝青、8%二次老化瀝青、長期老化瀝青、4%再生瀝青、6%再生瀝青、8%再生瀝青、基質(zhì)瀝青.這是因?yàn)椋?/p>

表3 各組試樣相結(jié)構(gòu)均方根粗糙度和算術(shù)平均粗糙度

1)基質(zhì)瀝青老化導(dǎo)致瀝青質(zhì)和膠質(zhì)含量增加，吸引的蠟晶核數(shù)量增加，從而使“蜂狀結(jié)構(gòu)”的高度降低，瀝青表面微觀形貌變均勻，因此，均方根粗糙度和算術(shù)平均粗糙度均變小.

2)老化瀝青中摻入植物油再生劑后，蠟晶核得以軟化，“蜂狀結(jié)構(gòu)”變高，瀝青表面微觀形貌變粗糙，從而使均方根粗糙度和算術(shù)平均粗糙度增大了.

3)再生瀝青經(jīng)二次老化后，比一次老化程度更深，故相比于老化瀝青，其“蜂狀結(jié)構(gòu)”高度的降幅更大，表面微觀形貌變得更均勻，均方根粗糙度和算術(shù)平均粗糙度均更小.

此外，隨著植物油再生劑摻量的增大，不論再生瀝青或二次老化瀝青，粗糙度均呈增大趨勢，這也源于植物油再生劑對蠟晶核的軟化作用.當(dāng)植物油再生劑的摻量達(dá)到8%時(shí)，瀝青表面的微觀形貌才得以恢復(fù)到原基質(zhì)瀝青的水平，因此，8%植物油再生瀝青的均方根粗糙度(6.60)已與基質(zhì)瀝青(6.63)接近.

綜上，通過傅里葉變換紅外光譜定性分析、定量評價(jià)瀝青分子結(jié)構(gòu)中官能團(tuán)及其含量的變化，結(jié)合瀝青微觀形貌中“蜂狀結(jié)構(gòu)”的定性分析與粗糙度定量評價(jià)，植物油再生劑對瀝青老化后的再生及二次老化機(jī)制得以揭示.

3.3 植物油再生瀝青流變特性

3.3.1 PG分級指標(biāo)變化分析

復(fù)數(shù)剪切模量G*反映了瀝青膠結(jié)料抵抗外部荷載的能力[18]，其大小受瀝青膠結(jié)料的老化程度和溫度的影響.各組試樣在不同溫度下的復(fù)數(shù)剪切模量如圖7所示.

圖7 不同溫度下的復(fù)數(shù)剪切模量

從圖7可以看出，當(dāng)溫度為64 ℃時(shí)，復(fù)數(shù)剪切模量G*的值從大到小依次為4%二次老化瀝青、長期老化瀝青、6%二次老化瀝青、8%二次老化瀝青、4%再生瀝青、6%再生瀝青、8%再生瀝青、基質(zhì)瀝青.表明：

1)長期老化后的基質(zhì)瀝青，復(fù)數(shù)剪切模量G*增大，這是由于瀝青硬化，彈性組分增加，抵抗外部荷載的能力提高.

2)摻入不同比例的植物油再生劑后，老化瀝青得到一定程度的軟化，因此,復(fù)數(shù)剪切模量G*有所降低，且植物油再生劑摻量越大，軟化程度越明顯，其復(fù)數(shù)剪切模量G*越接近基質(zhì)瀝青.

3)二次老化瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*相比再生瀝青更大，說明瀝青再次發(fā)生硬化，主要由再生瀝青中植物油和其他輕質(zhì)組分揮發(fā)導(dǎo)致.二次老化的硬化程度與再生瀝青中植物油再生劑摻量相關(guān)，若摻量為6%，則二次老化瀝青的硬化程度與長期老化瀝青相近；但若摻量達(dá)到8%，則二次老化瀝青的硬化程度已小于長期老化瀝青.

此外，當(dāng)溫度大于70 ℃時(shí)，僅長期老化瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*略小于6%二次老化瀝青,其他趨勢均與64 ℃時(shí)相同.

對于具有黏彈特性的瀝青膠結(jié)料,以其黏、彈性組分之比作為相位角δ,其值越大,該狀態(tài)下瀝青黏性組分所占的比例就越大.各組試樣在不同溫度下的相位角δ如圖8所示.

圖8 不同溫度下各組試樣的相位角

從圖8可以看出,在同一溫度下，相位角δ的值從小到大依次為4%二次老化瀝青、6%二次老化瀝青、8%二次老化瀝青、長期老化瀝青、4%再生瀝青、6%再生瀝青、8%再生瀝青、基質(zhì)瀝青.表明：

1)長期老化后的基質(zhì)瀝青，相位角δ變小，黏性組分減少，彈性組分相應(yīng)增加.

2)摻入不同比例的植物油再生劑后，相位角δ變大，老化瀝青黏彈組分得以恢復(fù)，黏性組分增加；且加入植物油再生劑越多，黏性組分增加越多，再生瀝青相位角δ與基質(zhì)瀝青越接近.

3)再生瀝青經(jīng)二次老化后，相位角δ再次變小，且其變小的幅度大于長期老化瀝青.這也是由于再生瀝青中植物油和其他輕質(zhì)組分揮發(fā)，從而使瀝青黏性再次降低.但由于再生瀝青的相位角本身未恢復(fù)到基質(zhì)瀝青的水平，故二次老化瀝青的相位角δ均比長期老化瀝青小.

此外，不論瀝青老化與再生與否，其相位角δ都隨著溫度的升高而增大，這與前述復(fù)數(shù)剪切模量G*隨溫度的變化規(guī)律共同證實(shí)了瀝青性能與溫度的相關(guān)性，即溫度越高，彈性越弱，黏性越強(qiáng).

車轍因子G*/sinδ則反映瀝青抗車轍能力.各組試樣在不同溫度下的車轍因子G*/sinδ如圖9所示.

圖9 不同溫度下各組試樣的車轍因子

由圖9不難發(fā)現(xiàn)，在同一溫度下，車轍因子G*/sinδ的值從大到小依次為4%二次老化瀝青、6%二次老化瀝青、長期老化瀝青、8%二次老化瀝青、4%再生瀝青、6%再生瀝青、8%再生瀝青、基質(zhì)瀝青.表明：

1)瀝青經(jīng)過長期老化后逐漸硬化，車轍因子G*/sinδ迅速增大，說明其抗車轍能力得以顯著提高.

2)摻入不同比例的植物油再生劑后，長期老化瀝青在一定程度上得以軟化，導(dǎo)致其車轍因子G*/sinδ降低，即抗車轍能力減弱.當(dāng)植物油再生劑摻量從4%增至8%時(shí)，再生瀝青抗車轍能力逐漸減弱，并逐漸接近基質(zhì)瀝青水平.

3)再生瀝青經(jīng)二次老化后，車轍因子G*/sinδ再次增大，表明抗車轍能力增強(qiáng)，且增強(qiáng)的程度與再生瀝青中植物油再生劑的摻量相關(guān).當(dāng)植物油再生劑的摻量小于6%時(shí)，其抗車轍能力相比于長期老化瀝青較強(qiáng)，但當(dāng)摻量達(dá)到8%時(shí)，其抗車轍能力已偏弱于長期老化瀝青.這是因?yàn)椋喝粼偕鸀r青中植物油再生劑摻量較大，則對長期老化瀝青的軟化程度也較大；再生瀝青經(jīng)二次老化后，其中的植物油和其他輕質(zhì)組分發(fā)生揮發(fā)，殘余的植物油和輕質(zhì)組分也仍大于原長期老化瀝青.

綜上，一般情況下，不論瀝青老化或再生與否，復(fù)數(shù)剪切模量G*和車轍因子G*/sinδ的變化趨勢是正相關(guān)的，且與相位角δ呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.植物油再生瀝青的PG分級主要依據(jù)車轍因子G*/sinδ，因此，對其PG分級指標(biāo)變化的分析，主要關(guān)注車轍因子G*/sinδ，即主要考慮抗車轍能力的變化.

3.3.2 多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)分析

不同溫度和應(yīng)力水平下各組試樣剪切應(yīng)變演化規(guī)律如圖10所示.

由圖10可看出：

(a)58 ℃下0.1 kPa的剪切應(yīng)變 (b)58 ℃下3.2 kPa的剪切應(yīng)變 (c)64 ℃下0.1 kPa的剪切應(yīng)變

1)在相同溫度和應(yīng)力水平下，基質(zhì)瀝青的剪切應(yīng)變最大，但經(jīng)長期老化后大幅減小，說明基質(zhì)瀝青的高溫抗車轍能力最差，經(jīng)長期老化后得以大幅提升.長期老化雖使瀝青中的輕質(zhì)組分揮發(fā)，影響了部分路用性能，但對高溫抗車轍能力卻有改善效果.

2)摻入植物油再生劑后，長期老化瀝青的剪切應(yīng)變增大，根據(jù)植物油再生劑的含量不同，增大幅度也不同，從大到小依次為8%再生瀝青、6%再生瀝青和4%再生瀝青，因此，植物油再生劑的摻量越大，對瀝青高溫抗車轍能力的負(fù)面影響也越大.

3)二次老化后，再生瀝青的剪切應(yīng)變又有所降低，說明二次老化對再生瀝青的高溫抗車轍能力又有一定幅度的改善，改善后的結(jié)果也取決于植物油再生劑的摻量.不論應(yīng)力水平和溫度如何變化，植物油再生劑摻量越小，二次老化后再生瀝青的高溫抗車轍能力越好.

不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr是評價(jià)永久變形特性的指標(biāo)，其值越大，表明在重復(fù)荷載作用下產(chǎn)生的永久變形越大[19].各組試樣在70 ℃條件下經(jīng)多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)(MSCR)實(shí)驗(yàn)后的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr如圖11所示.

圖11 70 ℃時(shí)各組試樣不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?/p>

由圖11可看出，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr與瀝青的老化程度密切相關(guān)，其值從小到大依次為4%二次老化瀝青、6%二次老化瀝青、長期老化瀝青、8%二次老化瀝青、4%再生瀝青、6%再生瀝青、8%再生瀝青、基質(zhì)瀝青，該規(guī)律與車轍因子G*/sinδ的變化規(guī)律一致.說明：

1)基質(zhì)瀝青經(jīng)長期老化后，輕質(zhì)組分揮發(fā)并發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，使其分子結(jié)構(gòu)中羰基、亞族等極性官能團(tuán)增多，瀝青硬度增大,不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr變小.

2)摻入植物油再生劑后，長期老化瀝青組分比例得以恢復(fù)，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr也相應(yīng)地得以提升，且植物油再生劑的摻量越大，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr的提升幅度越大，即高溫永久變形越大.因此，植物油再生劑摻量不宜過大.

3)再生瀝青經(jīng)二次老化后，其中部分植物油再生劑和輕質(zhì)組分再次揮發(fā)，故不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr再次變小，其變小幅度，即高溫永久變形的恢復(fù)程度，依據(jù)植物油再生劑摻量而變化.不難看出，當(dāng)植物油再生劑摻量為6%時(shí)，二次老化瀝青的高溫永久變形已恢復(fù)至長期老化瀝青的水平，當(dāng)摻量達(dá)到8%時(shí)，二次老化瀝青的高溫永久變形則大于長期老化瀝青，進(jìn)一步說明植物油再生劑的摻量并非越大越好.

4 結(jié) 論

通過試驗(yàn)研究了瀝青經(jīng)長期老化、不同摻量植物油再生和再生后二次老化3個(gè)階段的微觀結(jié)構(gòu)、形貌特征和流變特性變化，得到以下結(jié)論：

1)植物油再生劑對長期老化瀝青的再生機(jī)制是通過含有較多芳香分組分的植物油再生劑的組分調(diào)和作用，使長期老化瀝青中瀝青質(zhì)的團(tuán)聚程度降低，表面微觀形貌變粗糙，羰基(C=O)和亞砜基(S=O)含量相對減少；但經(jīng)二次老化后，植物油再生瀝青的老化程度比原長期老化瀝青更深.

2)瀝青的老化和再生機(jī)制表現(xiàn)為其高溫流變特性的變化.瀝青經(jīng)過長期老化、植物油再生和再生后二次老化3個(gè)階段，其抗車轍能力呈現(xiàn)先提高后減弱進(jìn)而再次提高的變化趨勢.

3)植物油再生瀝青的老化再生機(jī)制及流變特性還取決于植物油再生劑的摻量.當(dāng)植物油再生劑摻量達(dá)到8%時(shí)，瀝青的微觀結(jié)構(gòu)形貌得以恢復(fù)至基質(zhì)瀝青的水平，且經(jīng)二次老化后也與原長期老化瀝青接近，但植物油再生劑摻量的增大引起瀝青高溫抗車轍能力降低.綜合考慮宏觀流變行為分析結(jié)果，認(rèn)為植物油再生劑的摻量以6%～8%為宜.