丁龍亭，叢波日，張夢媛，哈 圖，王選倉

（1.山東高速集團有限公司創(chuàng)新研究院，山東 濟南 250001；2.長安大學公路學院，陜西 西安 710064）

0 引言

光、氧等自然因素會對服役的瀝青路面產(chǎn)生影響，導致路面瀝青產(chǎn)生老化，減弱其使用性能和服役年限，瀝青的再生與老化互為逆過程，研究瀝青老化規(guī)律、老化程度評價及分級對提升路面再生技術具有重要意義[1，2]。

舊路瀝青老化一直是國內外眾多道路工作者研究的熱點問題。Fang C Q等[3]通過對基質瀝青進行老化試驗，得出瀝青老化后針入度降低60%，軟化點升高13 ℃。Vargas X A等[4]通過在反應器中模擬基質瀝青的熱氧老化，得出隨熱氧老化溫度的升高，瀝青質集料黏度和粒徑分布表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。Nivitha M R等[5]采用紅外光譜跟蹤了老化過程中瀝青化學官能團的變化，表明羰基和亞砜基含量會表現(xiàn)出增加的趨勢。葉奮等[6]研究了舊路銑刨料表面裹附瀝青在路面深度方向的差異老化，提出舊路瀝青的老化沿厚度方向大體呈線性關系，并通過紅外光譜試驗證明了輕質組分揮發(fā)程度沿路面厚度逐漸降低，最外層瀝青中基本不含芳香族化合物。王珺卓等[7]研究了老化時間對SBS改性瀝青性能的影響，綜合分析了瀝青老化后殘留針入度比、軟化點增量、延度和黏度老化指數(shù)的變化規(guī)律。王民等[8]采用傅里葉變換紅外光譜法（FTIR）和凝膠滲透色譜法（GPC）研究了不同超熱溫度時SBS 改性瀝青分子基團的細觀結構變化規(guī)律，得到了不同溫度對SBS 改性瀝青老化影響的微觀機理。張恒龍等[9，10]采用傅里葉紅外光譜、凝膠滲透色譜和原子力顯微鏡（AFM）探討了基質瀝青和SBS 改性瀝青長期老化過程中化學組成與形貌的變化，發(fā)現(xiàn)老化后兩種瀝青黏度均增大，抗剪切變形能力提高，瀝青中的彈性成分增加，老化后瀝青表面的典型蜂狀結構遭到破壞，蜂狀結構的數(shù)量和尺寸有較大變化。

雖然國內外相關學者在舊路瀝青老化方面做了大量工作，但系統(tǒng)的研究主要集中在瀝青老化機理、老化過程中的性能預測及抗老化劑的開發(fā)等，很少有學者基于舊路瀝青分層老化研究舊瀝青整體老化程度，并提出老化程度分級及應用層位。本文基于三大指標、四組分試驗及紅外光譜測試，得到舊路面層瀝青分層老化規(guī)律，以此為基礎確定了基于分層老化的舊瀝青整體老化程度評價方法，并提出瀝青老化程度分級標準，根據(jù)老化程度分級推薦了再生混合料的應用層位。研究成果為再生銑刨料的精準化利用奠定了基礎。

1 試驗設計

1.1 三大指標及四組分試驗

依托工程為內蒙古省際通道（白音察干至安業(yè)段公路），原路面結構為上面層3 cm 細粒式瀝青混凝土+下面層4 cm 中粒式瀝青混凝土+20 cm 水泥穩(wěn)定碎石基層，2005 年底前建成通車后，經(jīng)多年運行局部路段出現(xiàn)路面病害?？紤]到舊路面上下面層受光、氧等環(huán)境作用影響情況不同，其相同使用年限回收料性能會有所不同，故對上下面層分層銑刨料及整體銑刨料分別進行抽提，抽提后測試回收瀝青的三大指標及四組分。

銑刨料進行破碎，放入三氯乙烯溶劑中浸泡半小時，然后采用離心機分離瀝青與集料，獲得瀝青溶液后，采用高速離心分離法將溶液中的礦粉分離，之后用旋轉蒸發(fā)器法對瀝青溶液蒸餾回收得到舊瀝青，試驗過程如圖1所示。

圖1 抽提舊料瀝青

為研究回收舊瀝青基本性能及微觀結構變化情況，將抽提出的瀝青放入60 ℃烘箱30 min，取出后成型試件，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011），對抽提瀝青進行三大指標試驗并測試其四組分。

1.2 紅外光譜試驗

四組分測試試驗操作復雜，測試結果變異性大，故采用簡單快捷的紅外光譜法對抽提瀝青的化學成分進行分析。傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）是基于傅里葉變換原理對干涉后的紅外光進行變換而開發(fā)的紅外光譜儀[11]。本文采用BRUKER TENSOR II 型傅里葉變換紅外光譜儀測定各瀝青試樣（不同銑刨層位抽提瀝青等）的含氧官能團，如圖2 所示，光譜測試范圍為4000 cm-1～500 cm-1，分辨率0.5 cm～1.0 cm，室溫25 ℃。相關研究表明[12，13]，瀝青的老化主要體現(xiàn)在吸收峰1700 cm-1峰值的含氧官能團羰基（C=O），以及吸收峰1030 cm-1峰值的含氧官能團亞砜基（S=O）的變化上，瀝青老化情況越嚴重，其含氧官能團峰位變化越顯著。因此可以通過計算羰基指數(shù)（IC=O）與亞砜基指數(shù)（IS=O）對抽提瀝青中的含氧官能團進行定量分析，確定瀝青老化狀況，計算公式[14]見式（1）和式（2）。

圖2 傅里葉變換紅外光譜儀及定量分析方法

式中，AC為含氧官能團羰基（峰值1700 cm-1）特征峰面積；AS為含氧官能團亞砜基（峰值1030 cm-1）特征峰面積；AT為峰值2000 cm-1～600 cm-1之間的總峰區(qū)間面積。

2 舊瀝青分層老化規(guī)律及整體老化程度評價

2.1 基于多指標分析的分層老化規(guī)律

2.1.1 基于三大指標及四組分的老化規(guī)律分析

對分層銑刨料進行三指標及四組分試驗，試驗結果如圖3所示。

圖3 三指標、四組分試驗結果

由圖3三大指標變化的數(shù)據(jù)分析可以看出，相比于原樣基質瀝青，抽提瀝青三大指標變化明顯，尤其延度指標，僅為原樣基質瀝青的10%左右，針入度降低了40%左右，軟化點增加約45%。不同層位瀝青老化程度不同，各層瀝青檢測指標表現(xiàn)出了較大的差異，相比于表面層，下面層軟化點較低，針入度與延度更大，從三大指標數(shù)據(jù)可以說明，舊路整體老化嚴重，且上面層老化程度明顯高于下面層。說明瀝青老化程度受原路面結構影響，不同層位瀝青在自然環(huán)境和荷載作用下，受陽光、紫外線照射程度不同，會表現(xiàn)出不同的老化規(guī)律。

從圖3四組分試驗結果可以看出，與原樣基質瀝青相比，瀝青老化后輕質組分減少，瀝青質和膠質增加，飽和分與芳香分含量分別減少了約2%、8%，而瀝青質含量增加了6%以上，說明老化過程中芳香分逐漸向瀝青質進行轉變，與瀝青老化機理一致。上面層飽和分指標變化區(qū)別于下面層，但相差不大，這是因為老化初期，飽和分含量會快速減少，此時上下面層之間飽和分含量會有所差別。而隨著老化進程不斷持續(xù)，飽和分減少的速度會逐步下降。瀝青老化時性質穩(wěn)定的飽和分會因為部分受熱而揮發(fā)，導致其含量減少，老化過程不斷持續(xù)其易揮發(fā)成分含量逐漸降低，部分還會緩慢聚合成膠質或瀝青質，所以飽和分含量后期下降速率逐漸減小，長時間的老化過程導致上下面層之間飽和分減少含量相差不大。通過試驗結果及分析可以看出，相比于三大指標的變化，瀝青老化后四組分變化不是很明顯。

綜合三大指標及四組分結果來看，用三大指標評價瀝青老化，試驗操作簡單，數(shù)據(jù)結果離散性小且變化更加明顯。而四組分試驗操作復雜，試驗結果受操作影響較大，且規(guī)律變化相對不大，所以評價舊路瀝青老化確定分級指標時可以重點考慮三大指標，四組分可作為輔助指標。

2.1.2 基于紅外光譜的老化規(guī)律分析

測試得到上下面層銑刨料抽提瀝青的紅外光譜圖像，并與基質瀝青、改性瀝青的紅外光譜圖像進行對比，如圖4所示。

圖4 紅外光譜試驗結果對比分析

分析圖4光譜結果得出，除在某些特殊峰位吸光率不同外，不同瀝青光譜特征吸收峰出現(xiàn)位置基本相同，主要區(qū)別是SBS 改性瀝青在1200 cm-1～600 cm-1范圍處波動幅度相對劇烈，可能是苯環(huán)上C-H 振動搖擺而出現(xiàn)吸收峰，一定程度上說明相比于基質瀝青，改性瀝青抵抗老化的性能更強。特定官能團吸收峰的大小可以反映瀝青的老化程度，對比基質瀝青與抽提瀝青可以發(fā)現(xiàn)，基質瀝青在1700 mm-1峰位處幾乎沒有波動，而上下面層抽提瀝青在此峰位處出現(xiàn)吸收峰，說明瀝青老化后羰基增加，瀝青老化過程中生成了醛、酮、酯或羧酸類等含氧組分。另外，瀝青老化后1030 mm-1附近的亞砜基增大，說明硫元素對瀝青老化過程有重要影響。瀝青老化過程中，官能團與氧結合形成的羰基、亞砜基等極性或兩性基團，使瀝青分子間的相互作用增強，從而使瀝青變硬，勁度增大。

計算各瀝青試樣的老化指數(shù)結果如圖5所示，羰基指數(shù)和亞砜基指數(shù)增加幅度越大，瀝青老化越嚴重。從圖5 中可看出，不同層位老化程度不同，下面層羰基指數(shù)和亞砜基指數(shù)為0.00998和0.01446，上面層羰基指數(shù)和亞砜基指數(shù)比下面層分別高31.8%、8.9%，上面層老化程度大于下面層。這與三指標、四組分的結論一致，說明利用羰基和亞砜基指數(shù)的變化幅度能有效區(qū)分瀝青的老化程度。

圖5 老化指數(shù)圖

2.2 基于分層老化的整體老化程度評價

道路建設過程中是將各面層銑刨料進行統(tǒng)一混合使用，通過前文研究分析可知，在長期使用和環(huán)境影響作用下，路面每層混合料瀝青老化程度和含量會有一定的差異，故對瀝青整體老化程度的影響不同。為充分合理利用舊路銑刨料，進行再生使用時應考慮其老化程度，更應考慮不同層位瀝青的老化程度不同對舊瀝青整體老化程度的影響。綜合各影響因素，提出基于舊路瀝青分層老化的整體老化評價計算指標，在混合料中每層瀝青指標計算見式（3）。

式中，Ni為第i層面層厚度；為第i層面層混合料密度；wi為第i層面層油石比；n為面層層數(shù)。

因抽提舊瀝青來自于原路面面層，所以瀝青混合料抽提出的舊瀝青性能指標和各個面層瀝青性能指標相關，可以通過式（4）計算。

式中，z為混合料中舊瀝青的指標；γi為第i 層面層瀝青指標；yi為第i層瀝青占總瀝青的比例。

以依托工程為例，對老化評價計算指標進行驗證，以式（3）計算舊路各層瀝青用量，結果見表1。

表1 瀝青混合料回收瀝青中各面層瀝青比例

根據(jù)表1，由式（3）、式（4）計算可得銑刨料抽提舊瀝青基于分層老化的各項技術指標整體老化評價，見表2。

表2 混合料中舊瀝青各項指標值

由表2混合料抽提舊瀝青的計算值與實測值可知，通過不同層位舊瀝青指標計算得到的混合料整體老化評價值與實測值差別不大，說明提出的基于覆蓋層影響的混合料整體老化評價指標計算公式是合理可靠的。實際再生工程中，可取典型點分層銑刨進行舊瀝青取樣并測試各指標，然后根據(jù)評價指標公式計算舊瀝青整體老化指標，評價混合料老化程度。

3 舊瀝青整體老化程度分級

3.1 瀝青老化程度分級

基于舊路銑刨后的三指標、四組分及紅外光譜試驗結果分析，參考我國《公路瀝青路面再生技術規(guī)范》（JTG/T 5521—2019）及相關研究成果[15]，以三大指標變化百分率為主要分級指標，老化系數(shù)為輔助分級指標，對舊瀝青進行老化分級，見表3。各條道路原瀝青指標不完全一致，則計算基準值各不相同，此方案基準值采用統(tǒng)一標準，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）中道路石油瀝青技術指標，取相應標號瀝青指標規(guī)定值作為計算基準值。

表3 基于多指標分析的瀝青老化分級

參考以上分級標準，結合基于瀝青分層老化的整體老化評價指標，可以判斷舊料瀝青的老化程度，確定再生混合料的老化程度，進而可以根據(jù)老化程度確定合理的應用范圍。

3.2 基于老化分級的舊料應用層位推薦

對于不同老化程度的瀝青混合料選擇合適的再生方案，才能充分利用舊路材料，達到最優(yōu)的再生路面路用性能和效益。公路瀝青路面再生技術規(guī)范（JTG/T 5521—2019）中對各再生方式的適用層位進行了明確規(guī)定，見表4。

表4 不同再生方式適用層位表

本文對舊料回收瀝青的分層指標進行分析，建立了基于舊路面層分層老化的回收料整體老化評價指標，對照老化程度分級，可確定回收料的瀝青整體老化程度。對于老化嚴重的舊料可能會出現(xiàn)再生效果不好或經(jīng)濟性差等情況，從技術性和經(jīng)濟性考慮，不同國家對用于再生的舊料老化程度都有一定的要求。日本在《廢料再生技術指南》中對再生料的老化程度提出了適用條件，規(guī)定用于廠拌熱再生的舊料瀝青針入度不小于20（0.1mm），用于現(xiàn)場熱再生的舊料瀝青針入度不小于30（0.1mm）；對于廠拌熱再生，美國規(guī)定舊料瀝青針入度不小于15（0.1mm），我國要求舊料瀝青針入度不小于20（0.1mm），各國對冷再生方式舊料老化程度無具體的規(guī)定。結合相關分析，為充分發(fā)揮舊料作用，達到最好的路用效果，廠拌熱再生宜采用舊料瀝青針入度20（0.1mm）以上的，就地熱再生宜采用舊料瀝青針入度30（0.1mm）以上的，冷再生方式可采用針入度較小的舊料。

基于以上分析，結合大量數(shù)據(jù)調研及相關研究成果[14]，本部分根據(jù)回收料舊瀝青整體老化程度擬對不同老化程度舊料的再生層位進行細化，提出基于混合料老化程度的再生層位應用推薦，見表5，進而通過老化程度選擇合理的再生層位及再生方式。

表5 基于老化程度的再生層位應用推薦

廠拌再生可以合理調整結合料含量及礦料級配，施工質量及路用性能相對可以保證。廠拌熱再生具有較好的適用性，不同老化程度的再生混合料通過調整舊料摻量可以分別用于不同層位；采用廠拌冷再生時，輕度老化的再生混合料可用于中面層以下層位，中度老化的再生料可用于下面層或基層，廠拌冷再生應用于路面基層和下面層時可以保證施工質量?，F(xiàn)場再生施工質量不易保證，難以滿足高等級路面的路用性能要求，尤其對于就地冷再生，混合料輕、中度老化時可以視情況選用于基層或下面層，重度老化不推薦采用現(xiàn)場再生方式。

4 結語

本文研究了舊路面層瀝青分層老化規(guī)律，通過老化程度分級細化了再生混合料的應用層位。主要結論如下：

①通過三大指標、四組分及紅外光譜試驗等數(shù)據(jù)多指標測試確定了舊路不同層位瀝青的老化程度，分析了瀝青分層老化規(guī)律，提出了基于分層老化的舊瀝青整體老化程度評價方法。

②提出了以三大指標變化率為主要指標，老化系數(shù)為輔助指標的舊瀝青整體老化程度分級方法，根據(jù)舊瀝青整體老化程度分級提出再生混合料的應用層位推薦，進而可以通過舊瀝青老化程度選擇合理的再生方式。