瀝青老化再生機理及再生劑效用影響因素分析

摘要 使用再生劑能夠恢復(fù)老化瀝青的流變特性，進(jìn)而改善再生瀝青混合料的路用性能，經(jīng)濟環(huán)保效益顯著，文章首先闡述了瀝青老化和再生機理，然后分析了再生劑類型、摻量、新瀝青等級和產(chǎn)地、舊路面材料的類型和質(zhì)量、混合時間和溫度、混合料中加入再生劑的方法等影響再生劑效用的六大因素，并進(jìn)行了價值效益分析。結(jié)果表明，經(jīng)最終決算分析，使用再生劑的設(shè)計方案可節(jié)省成本約50%。同時，文章還指出了再生劑應(yīng)用過程中存在的問題和面對的挑戰(zhàn)，以期為國內(nèi)瀝青再生劑研究和應(yīng)用提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞 瀝青混合料；再生劑；再生機理；舊瀝青路面材料；路面性能

中圖分類號 U460 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）13-0176-04

0 引言

美國公路運輸路網(wǎng)較早建成，目前每年產(chǎn)生近8 000萬噸舊瀝青路面材料，考慮環(huán)保和節(jié)約的因素，其中大部分都被再生利用為瀝青路面。近年來，隨著我國大量瀝青路面進(jìn)入大中修養(yǎng)護(hù)期，越來越多的舊路面再生材料亟需再生利用。因此，借鑒和學(xué)習(xí)美國采用瀝青再生劑的經(jīng)驗，對我國舊瀝青路面的再生使用頗具意義。

舊瀝青路面材料再生利用是路面工程領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路，然而大量摻入舊瀝青路面材料后的瀝青混合料普遍存在黏稠、易脆的特性，導(dǎo)致再生混合料不易拌和、難于壓實，與新瀝青路面相比易于開裂、剝落、耐久性差等問題。為再生利用舊瀝青路面材料、持續(xù)保證再生混合料的路用性能，美國各州通常采用軟瀝青、溫拌技術(shù)、瀝青再生劑或綜合措施予以解決。采用軟瀝青或溫拌技術(shù)，再生利用的舊瀝青路面材料數(shù)量有限，若需大比例的再生利用舊瀝青路面材料，添加再生劑才是必經(jīng)之路。

瀝青再生劑是一種能夠有效恢復(fù)老化瀝青流變性能的材料，在再生瀝青混合料中使用再生劑具有三大優(yōu)點：改進(jìn)施工和易脆性；提升混合料性能；具備經(jīng)濟和環(huán)保優(yōu)勢。在美國，一些再生劑產(chǎn)品存在數(shù)十年之久，早在20世紀(jì)70年代末80年代初，就開發(fā)了ASTM D4552試驗，依據(jù)60 °環(huán)境下的黏度指標(biāo)，將再生劑產(chǎn)品分為六個等級，以幫助不同再生瀝青混合料使用者選擇合適的再生劑[1-2]。

該文首先基于膠體模型分析了瀝青老化級再生機理，然后綜述了目前美國有關(guān)瀝青路面工業(yè)中再生劑使用的相關(guān)知識，包括再生機理、再生劑使用效果的影響因素等。

1 瀝青老化和再生機理

瀝青材料可以采用膠體模型表示，包括離散相和連續(xù)相兩部分，其中高極性不溶的瀝青質(zhì)分散在可溶性的軟瀝青相中，瀝青質(zhì)是離散相，分別形成基團(tuán)，但并沒有交聯(lián)成網(wǎng)；軟瀝青是連續(xù)相，包括飽和物、芳烴和樹脂等[3]。瀝青流變特性受各相組分比例、瀝青質(zhì)集群大小及其分散性影響。一般來說，高延性的軟質(zhì)瀝青中可溶性相占比較大，瀝青質(zhì)分散性好。

隨著瀝青的老化，連續(xù)相中的一部分輕質(zhì)油分揮發(fā)，另有一部分經(jīng)氧化作用轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，改變了瀝青膠體模型中各相組分比例和瀝青質(zhì)集群的大小，導(dǎo)致瀝青黏結(jié)劑的硬化和脆化，影響了它的拉伸和抗裂能力。再生劑可以改變?yōu)r青中離散相和連續(xù)相的比例，減少瀝青質(zhì)集群的大小，提高離散相的分散性，增加分子的流動性，從而改善再生瀝青的黏度、脆性和延展性能。

再生劑能改變?yōu)r青中離散相和連續(xù)相的比例，減少瀝青質(zhì)集群的大小，提高連續(xù)相的分散性，增加分子的流動性。這反過來又降低了再生瀝青黏合劑的黏度、剛度和脆性，并提高了其延性。

從化學(xué)觀點來看，再生劑不能逆轉(zhuǎn)舊瀝青路面材料中瀝青的氧化作用，相反，它主要從流變學(xué)和性能特性兩個方面逆轉(zhuǎn)了老化的作用。再生劑的作用機制主要取決于三個關(guān)鍵因素：

（1）再生劑、老化瀝青、新瀝青在瀝青混合料中的均勻分散。

（2）再生劑在老化瀝青中的擴散。

（3）老化瀝青、新瀝青、再生劑的配伍性。

分散性是物理過程引起的混合，再生劑通過機械攪拌均勻分散在瀝青混合料的未處理和回收的老化瀝青中。在裝置內(nèi)的機械攪拌通常足以實現(xiàn)再生劑在混合料內(nèi)部的均勻分散，且分散程度與攪拌時間正相關(guān)：混合時間越長，分散性越好。

擴散是一個組分從高濃度向低濃度移動的過程。當(dāng)再生劑與舊瀝青路面材料直接接觸時，由于擴散機制，老化的瀝青容易迅速吸收再生劑中的所有烴類液體。再生劑分四個步驟擴散到老化的瀝青中[4]：

（1）該再生劑形成一個非常低的黏度層，該層包裹著老化的瀝青，覆蓋在回收材料顆粒上。

（2）再生劑開始擴散到老化的瀝青外層，并開始軟化老化的瀝青；隨著擴散過程的繼續(xù)，再生劑在老化顆粒材料周圍的數(shù)量持續(xù)減少。

（3）隨著時間的推移，再生劑擴散到老化的瀝青內(nèi)部，降低其內(nèi)層黏度。

（4）一段時間后，擴散達(dá)到平衡。

隨著混合溫度和壓實溫度的升高，擴散速率加快。此外，再生劑的類型和劑量以及老化瀝青的流變性能也會影響擴散過程。較低黏稠的再生劑以高劑量添加到較軟的老化瀝青中，其擴散預(yù)期要高于高黏稠的再生劑以低劑量添加到極老化瀝青中。

在瀝青混合料中加入再生劑的方法對其擴散有影響，從而影響其在瀝青混合料中的有效性。當(dāng)再生劑與舊路面材料混合后，再與原始瀝青和骨料結(jié)合時，再生劑的擴散效果會更好，因為再生劑與原始瀝青和骨料的直接接觸，有利于再生劑在老化瀝青中擴散。

然而，需要注意的是，這一過程很難在瀝青工廠中實際實施。通常情況下，再生劑添加到新瀝青中，然后將瀝青再生劑混合液添加到新集料和回收材料的組合中。與在新瀝青中加入再生劑相比，將再生劑與再生材料直接混合，可以獲得更好的擴散效果，并且隨著混合溫度和壓實溫度的提高，擴散速度可以加快。

再生劑在老化瀝青中不完全擴散會引起路面破損。如果再生劑沒完全擴散到老化的瀝青中，部分老化的瀝青混合料仍會以單獨的形式存在，這會有效降低混合料中活性黏結(jié)劑的含量，導(dǎo)致混合料變硬、變脆，增加開裂的危險。同時，沒有擴散的再生劑聚集在局部范圍的混合料中，可能會使瀝青組分軟化過度，從而在重載下引發(fā)車轍的危險。

再生劑的效率取決于分散和擴散過程以及它與新舊瀝青的相容性，配伍性也是一個重要的參數(shù)。如果再生劑與其他組分材料配伍性差、分布不均勻，則再生混合料路面在高溫下的車轍性能較差，在低溫下的抗裂性較差。

2 影響再生劑效用的因素

影響再生劑發(fā)揮效用的因素概括起來包括材料因素和生產(chǎn)因素。材料因素，例如：再生劑的類型及用量，再生材料的種類、來源和數(shù)量，新瀝青的來源和等級等。生產(chǎn)因素，例如：拌和時間和溫度，混合料中加入再生劑的方法（添加到瀝青或直接添加到回收材料中）。

2.1 再生劑類型

再生劑的類型影響再生瀝青混合料的再生機理和相容性能。基于不同的化學(xué)原理，可生產(chǎn)制造不同種類的再生劑。再生劑有單一組分和混合組分之分，總體來說，組合組分的再生劑再生效果更好。目前市面上有幾種回收劑，根據(jù)NCAT（2014）[5]分類為石蠟油、芳香族萃取物、妥兒油、環(huán)烷油、甘油三酯和脂肪酸（來自植物油）。

石蠟油是一種礦物油，是從原油分餾中所得到的無色無味的混合物。芳香族萃取物是一種以極性芳香族油成分為主的精制原油產(chǎn)品和傳統(tǒng)回收劑。妥兒油是造紙的副產(chǎn)品，通常由脂肪酸和樹脂組成。環(huán)烷油是用于瀝青改性的工程烴。植物油通常由甘油和脂肪酸的混合物組成。

此外，還有更多類型的再生劑，如生物基礎(chǔ)油和改性植物油，正在不斷生產(chǎn)和投放市場。生物基礎(chǔ)油主要由脂肪胺衍生物和生物溶劑組成，而改性植物油則是含有基本植物油成分和添加化學(xué)成分的復(fù)合回收劑。乳液形式的回收劑也可用于熱拌瀝青混合料的生產(chǎn)，但它們最常用于現(xiàn)場冷再生。市面上出售的大部分再生劑都是專利產(chǎn)品，因此很難對它們的成分進(jìn)行詳細(xì)的化學(xué)描述。

再生劑對再生黏結(jié)劑和瀝青混合料的影響，在不同產(chǎn)品間存在顯著差異。為將老化瀝青再生為相同PG等級的瀝青，采取的有機類的再生劑數(shù)量應(yīng)少于石油基類的再生劑數(shù)量。有機類的再生劑包括廢植物油、有機油、廢植物油及蒸餾植物油等，石油基的再生劑包括芳香族萃取物和廢機油等。廢棄食用油和蓖麻油比以石油為基礎(chǔ)的產(chǎn)品需要更低的劑量，就能對老化黏合劑的黏度產(chǎn)生同樣的效果。與以石油為基礎(chǔ)的產(chǎn)品相比，妥爾油、植物油和生物基礎(chǔ)油需要更低的劑量以減少可回收黏合劑混合物的高溫性能。與環(huán)烷基油、石蠟基油、常規(guī)機油等循環(huán)劑相比，生物油和石油餾分油是降低老化黏合劑黏度的最有效的再生劑。比較了三種回收劑的效果（芳香族萃取物、高油、大豆油）對再生瀝青混合料的性能影響，并通過動態(tài)模量和半圓彎曲試驗，發(fā)現(xiàn)芳香族萃取物在降低剛度和增加抗裂性方面比其他回收劑更有效。

在討論再生劑的類型時，區(qū)分其中的軟化劑的再生成分很重要。有的文獻(xiàn)將這兩組分混淆，研究表明將兩者分開很有必要，軟化組分主要降低老化瀝青的黏性，而再生組分則恢復(fù)瀝青的化學(xué)和物理組分（通過改變?yōu)r青質(zhì)和分散相的比例），從化學(xué)方面來說，瀝青氧化老化增加了極性和分子量，將非極性或溶劑相轉(zhuǎn)變?yōu)闃O性。軟化劑可將低極性和低分子量的芳香烴、環(huán)烷或石蠟油補充在瀝青膠態(tài)結(jié)構(gòu)中，而再生劑的作用機理不同，其可以分解老化形成的瀝青質(zhì)團(tuán)簇和團(tuán)聚體。因此，在降低剛度、逆轉(zhuǎn)老化瀝青的脆化、將老化瀝青的黏彈性響應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥皂憫?yīng)等方面，再生劑比軟化劑具有更大的劑量效率優(yōu)勢。

2.2 再生劑摻量

再生劑的用量旨在平衡再生瀝青混合料的性能，在不降低其抗車轍性能的前提下，提高其抗開裂性能。

對于特定類型的再生劑和回收材料，不足的劑量可能會降低回收的瀝青剛度和脆性，但在提高瀝青混合料的抗裂性方面可能沒有明顯的效果。相反，過量的再生劑可以軟化再生的瀝青，顯著提高其抗裂性，但會導(dǎo)致再生瀝青混合料抗車轍性能的不佳。過量的再生劑也會導(dǎo)致其他問題，如附著力差、再生瀝青膜從集料中剝離等。再生劑的用量也會影響再生瀝青混合料在長期老化后的流變學(xué)和化學(xué)變化。因此，對于特定的舊瀝青路面材料，謹(jǐn)慎地選擇再生劑劑量以優(yōu)化再生混合料性能也很重要。

一般來說，再生劑的劑量是根據(jù)經(jīng)驗或再生劑制造商的建議進(jìn)行選擇。然而，對于不同類型和數(shù)量的回收舊瀝青路面材料的混合物，再生劑因類型不同而所用劑量的差異很大，主要受新瀝青的來源和等級、回收材料的老化程度以及它們在混合物中的比例等因素的影響。為了確定再生劑的劑量，有研究人員綜合分析了不同因素對摻量的影響，提出選用的推薦表，大大簡化了現(xiàn)場人員的操作難度。

另外，再生劑用量應(yīng)均衡，使用不足的劑量可能無法在中低溫下恢復(fù)再生瀝青的流變性和混合物性能，而使用高劑量可能不利于混合物在高溫下的性能。目前選用再生劑劑量的基本思路，還是要兼顧高溫抗車轍、低溫流變、氣候和交通等綜合因素進(jìn)行最終確定。

2.3 新瀝青等級和產(chǎn)地

為了減輕再生瀝青混合料增加的硬度和脆性，美國幾個州建議使用較軟的新瀝青，其通常具有較低黏度和較高的針入度。較軟的新瀝青也可以與再生劑一起使用。當(dāng)使用較軟的瀝青時，與使用較硬的瀝青相比，所需再生劑的數(shù)量相應(yīng)降低。

除了瀝青等級，瀝青來源也影響再生瀝青混合料的性能。通常采用Tc表征瀝青原屬地質(zhì)量，該指標(biāo)是瀝青在一定剛度和松弛性能上的溫度差異。研究證明，擁有較高Tc值的瀝青延性和松弛性能均優(yōu)于較低Tc值。同樣，也可以采用這個指標(biāo)評價再生后的瀝青性能[6]。

舊瀝青的改性（如聚合物改性劑SBS等）是影響再生劑有效性的另一個可能因素，改性后的瀝青流變性能變化很大，老化后再生需要解決的問題更為復(fù)雜，適用不同瀝青改性劑量的再生劑產(chǎn)品較少。通過對比有無SBS改性劑的老化瀝青受再生劑的影響，研究得出再生劑的劑量對再生混合料的耐久性能差異顯著[7]。

2.4 舊路面材料的類型和質(zhì)量

舊瀝青路面材料的老化程度、剛度、碎化程度等因素，對采用再生劑恢復(fù)老化瀝青流變性能具有較大影響。舊材料中的瀝青剛度越大、瀝青越老化，恢復(fù)到同等性能所需的再生劑劑量越多，多項研究表明，特別是瀝青的老化程度，受日照雨淋等氣候影響，劣化老化嚴(yán)重的瀝青對再生劑的劑量和性能要求更高。

再生劑的有效性也取決于舊路面材料的來源。不同來源地的舊瀝青路面材料由于級配、瀝青含量、老化程度、破碎方式的不同，再生恢復(fù)到同等性能的瀝青混合料，所需同等型號的再生劑劑量差異很大。

當(dāng)考慮舊路面材料的來源時，最先需要考慮的是其中有否采用聚合物改性，聚合物的存在會影響再生劑的使用效果，特別需要關(guān)注其長期使用性能，采用多種再生劑輔助再生可能會取得較好效果。

舊瀝青路面材料的摻量比例也是影響再生劑效果的重要因素，隨著舊路面材料摻量比例的增大，需要更高劑量的再生劑。然而，即使使用較高劑量的再生劑用于再生較高比例的舊路面材料，再生劑的有效性也會因瀝青老化程度的不同而存在差異。再生劑會降低再生瀝青混合料的剛度，有效性也會隨老化時間的延長而降低。再生瀝青混合料中，再生瀝青在總瀝青中的比例超過50%后，再生劑對改善混合料的長期性能效果下降顯著。

2.5 混合時間和溫度

再生劑在新材料和再循環(huán)料中的分散程度主要受拌和時間的影響，拌和時間越長，混合越均勻。因此，應(yīng)適當(dāng)延長拌和時間，保證再生劑均勻分布。

拌和溫度決定瀝青的黏度，低黏度能夠確保瀝青具有足夠的流動性以覆蓋和黏附集料，也保證了再生劑的均勻混合。舊瀝青路面材料拌和黏度大，通常需要200 ℃的高溫才能使老化瀝青軟化拌和，一些老化嚴(yán)重的舊瀝青混合料可能需要更高的溫度。然而，如此高的溫度導(dǎo)致瀝青老化更為嚴(yán)重，而且也會因制造高溫而耗費大量能源。

添加再生劑的好處是可以避免如此高的生產(chǎn)溫度，因為再生劑會軟化瀝青，而瀝青混合料的流動性足以覆蓋團(tuán)聚體顆粒。與新拌瀝青混合料的生產(chǎn)溫度相比，稍微提高再生瀝青混合料的生產(chǎn)溫度，可加快再生劑向老化瀝青的擴散速度，從而提高再生劑的效率，有助于瀝青更容易流動、覆蓋和黏附在集料上。

2.6 混合料中加入再生劑的方法

在再生瀝青混合料中加入再生劑的方法對其擴散也有影響，進(jìn)而影響其在再生瀝青混合料中的有效性。

美國在瀝青混合料拌和站現(xiàn)場直接將新舊材料拌和生產(chǎn)，工藝便捷快速。而另外一種方法，當(dāng)再生劑與舊瀝青路面材料混合后，再與新瀝青和新集料結(jié)合，預(yù)期的擴散效果會更好。然而，這一過程在實際生產(chǎn)中需要更換現(xiàn)有的生產(chǎn)流程，難于實現(xiàn)。日本使用了較多的再生劑產(chǎn)品，其部分地區(qū)通常將舊瀝青路面材料先加熱后，再與再生劑拌和，并放置在一個預(yù)混鍋內(nèi)，保溫拌和數(shù)小時，然后再添加新瀝青和新集料，取得了較好的路用效果。后一種方法的再生劑與舊材料融合時間較久，混合更加均勻，老化瀝青的再生效果更理想，因此是后期著重需要推廣應(yīng)用的技術(shù)。

3 使用再生劑的成本效益分析

瀝青路面的成本主要包括四個方面，材料、拌和生產(chǎn)、運輸和現(xiàn)場鋪設(shè)，其中材料費用占比最大，一般在70%左右。因此，大量采用舊瀝青路面材料可以大幅度降低瀝青路面的成本。采用較軟的新瀝青拌和舊瀝青路面材料是一種使用較為普遍的做法，然而舊瀝青路面材料的使用比例通常受限在30%以內(nèi)。此外，使用較軟的瀝青也不能保證再生瀝青混合料的路用性能，瀝青路面早期病害頻發(fā)，增大了養(yǎng)護(hù)成本。因此，采用新瀝青的再生混合料，舊瀝青路面材料比例受限，路面使用性能無法保證，并且養(yǎng)護(hù)成本較高，再生方案的經(jīng)濟效益不顯著。

采用再生劑使用舊瀝青路面材料的比例不受限制，大比例地采用舊瀝青路面材料可以節(jié)約材料費用50%～70%，大大降低了工程材料費用，而增加的再生劑成本，由于摻量較少，其成本增加有限。因此，采用再生劑的再生瀝青混合料與新建瀝青路面相比，成本得到大幅度降低幅度，美國部分州采用該種再生方案，項目結(jié)束后經(jīng)最終決算分析，節(jié)省成本約50%。

4 結(jié)語

經(jīng)濟和環(huán)保雙重因素的制約，迫使人們不得不大量采用舊瀝青路面材料。然而，由于這些材料中的瀝青堅硬、易脆，導(dǎo)致再生瀝青混合料在現(xiàn)場難以壓實，服役期容易出現(xiàn)開裂、剝落和耐久性不足等諸多問題。再生劑能夠恢復(fù)老化瀝青的流變性能，提高舊路面材料的使用比例，路面性能也能滿足實際使用要求，是較好地解決舊瀝青路面材料的途徑之一。

該文總結(jié)了再生劑的再生機理，并分析了再生劑再生效果的影響因素，通過價值效益分析指出這種再生方案的經(jīng)濟效益顯著。然而，使用再生劑還存在一些亟待深入研究的問題，比如再生劑的分類體系基于傳統(tǒng)瀝青的試驗方法，不能有效體現(xiàn)再生效果，因此采購人員難以甄選效果較好的產(chǎn)品，優(yōu)良產(chǎn)品難于推廣發(fā)展；較多的舊瀝青路面材料采用聚合物改性瀝青，然而針對不同聚合物改性瀝青再生機理的深入研究和有效產(chǎn)品開發(fā)較少，實際情況是較多的再生劑產(chǎn)品不能有效再生舊聚合物改性瀝青的路面材料；再生劑與舊材料的預(yù)混技術(shù)效果顯著，然而實際使用較少。因此，這些問題在舊瀝青路面材料循環(huán)利用、再生劑開發(fā)、推廣等方面是下一步需要著力解決的關(guān)鍵。

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收稿日期：2024-03-20

作者簡介：肖江（1985—），男，本科，工程師，從事高速公路養(yǎng)護(hù)管理工作。

基金項目：江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目“基于材料表面自由能的再生瀝青混合料水損害機理研究”（GJJ190978）；江西省交通運輸廳科學(xué)技術(shù)研究項目“低針入度瀝青就地?zé)嵩偕酚眯阅苎芯俊保?022H0011）。