再生剂特性对再生沥青老化性能演变的影响

韩晓斌; 柳神光; 牛玺荣; 余剑英; 张壮; 曹志龙

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2508078

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (27) :11898-11907 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2508078

交通运输

再生剂特性对再生沥青老化性能演变的影响

韩晓斌 ¹ ,
柳神光 ¹ ,
牛玺荣 ¹ ,
余剑英 ²^,^* ,
张壮 ¹ ,
曹志龙 ³

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Effect of Rejuvenator Characteristics on Aging Performance Evolution of Rejuvenated Asphalt

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摘要

为探究再生剂特性与再生沥青二次老化性能演变的相关性,采用蓖麻油、腰果酚与废机油分别对老化沥青进行再生,分析了三种再生剂的分子结构、热性能和活化能特性,及其对再生沥青老化性能的影响规律。结果表明,三种再生剂均能有效恢复老化沥青的使用性能;在再生沥青长期抗老化性能方面,再生剂自身的热稳定性与活化能是核心决定因素。Pearson相关性分析结果显示,再生剂的初始分解温度(T_d)、最大失重温度(T_p)及活化能(E_m)均与再生沥青的长期耐久性高度相关,且T_d、T_p与E_m越大,对应再生沥青的抗老化性能越好。由此可见,优选分子结构稳定、热性能优良且活化能大的再生剂,对保障再生沥青的长期服役性能具有重要意义。

Abstract

In order to investigate the correlation between rejuvenator characteristics and the performance evolution of recycled asphalt under secondary aging, castor oil, cashew nut shell liquid, and waste engine oil were used to regenerate aged asphalt. The properties of the three rejuvenators (molecular structure, thermal performance, and activation energy) and their effects on the aging performance of the recycled asphalt were analyzed. The results indicate that all three rejuvenators effectively restore the performance of the aged asphalt. However, in terms of long-term anti-aging performance, the thermal stability and activation energy of the rejuvenators are the key determining factors. Pearson correlation analysis shows that the initial decomposition temperature (T_d), maximum weight loss temperature (T_p), and activation energy (E_m) of the rejuvenators are highly correlated with the long-term durability of the rejuvenated asphalt. Higher T_d, T_p, and E_m values correspond to better aging resistance of the rejuvenated asphalt. Therefore, selecting rejuvenators with stable molecular structure, high thermal stability, and high activation energy is crucial for ensuring the long-term service performance of rejuvenated asphalt.

Graphical abstract

关键词

再生沥青 / 再生剂 / 分子结构 / 热性能 / 活化能 / 老化性能

Key words

rejuvenated asphalt / rejuvenators / molecular structure / thermal properties / activation energy / aging characteristics

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韩晓斌, 柳神光, 牛玺荣, 余剑英, 张壮, 曹志龙. 再生剂特性对再生沥青老化性能演变的影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(27): 11898-11907 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2508078

HAN Xiao-bin, LIU Shen-guang, NIU Xi-rong, YU Jian-ying, ZHANG Zhuang, CAO Zhi-long. Effect of Rejuvenator Characteristics on Aging Performance Evolution of Rejuvenated Asphalt[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(27): 11898-11907 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2508078

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沥青路面的维修与翻修会产生大量废旧沥青混合料^[1-3],对其进行高效再生利用能够缓解资源与环境压力^[4-5]。再生沥青技术的核心,在于恢复老化沥青胶结料的使用性能。沥青在长期服役过程中,受高温、氧气、紫外线及行车荷载等多因素耦合作用,会发生组分迁移(轻质组分减少、沥青质富集)与分子结构变化,宏观上表现为流变性能劣化、黏结能力与耐久性下降^[6]。目前,老化沥青再生主要遵循“组分补偿-性能恢复”的作用机制,常用再生剂主要分为石油基与生物基两大类。石油基再生剂(如软沥青、芳烃油)与沥青基质相容性好,对老化沥青的再生效果优异^[7-9],但这类再生剂本身依赖不可再生资源,发展可持续性受到限制。在此背景下,来源于植物、微生物及动物油脂的生物基再生剂(如蓖麻油、地沟油),凭借来源广泛、可再生、对老化沥青再生效果良好等优势^[10-13],为沥青再生技术开辟了新的可持续发展路径^[14]。梁庆等^[15]研究发现,废机油中的轻质组分可以降低老化沥青的脆性,提升再生沥青的抗荷载能力与低温抗裂性能。刘成等^[16]指出,废食用油符合再生剂的技术要求,能够有效恢复老化沥青的性能。刘启征等^[17]的研究结果表明,生物柴油可以恢复老化沥青的常规性能,显著延长再生沥青的疲劳寿命。由此可见,实际应用中需要结合沥青老化程度、性能恢复需求及成本控制等多方面因素,科学选用石油基或生物基再生剂,从而实现沥青的优质再生。

尽管石油基和生物基再生剂在老化沥青再生领域已经展现出良好的应用潜力,但现有研究大多集中在将老化沥青的常规物理性能与流变性能恢复至接近老化前的水平。目前关于不同类型再生剂对再生沥青二次老化后性能演变规律的研究仍较为匮乏,同时不同再生剂自身特性(化学结构、初始分解温度、最大质量损失温度与活化能)和再生沥青二次老化性能之间的关联机制尚不明确,这一问题制约着再生剂的精准选用,也影响了其实际工程应用效果。

选取蓖麻油、腰果酚和废机油三种来源与结构差异显著的再生剂,测试其化学结构与热稳定性能,并分别计算其活化能。采用三种再生剂对老化沥青进行再生,探究不同再生沥青的老化性能演变规律,通过对物理性能、流变性能、化学结构的多维度对比分析,揭示再生剂特性(化学结构、初始分解温度、最大质量损失温度与活化能)与再生沥青老化性能的内在关联机制,为面向长寿命路面需求的再生剂优选与应用提供理论依据。

1 原材料与方法

1.1 原材料

试验采用70#基质沥青,其基本性能指标如表1所示;三种再生剂分别为蓖麻油、腰果酚与废机油,主要性能指标如表2所示。其中,蓖麻油是从蓖麻种子中提取得到的可再生植物油;腰果酚是通过蒸馏或萃取工艺从腰果壳液中提取出的主产物,同时兼具酚类活性与长碳侧链特性;废机油属于石油基产物,来源于车辆更换后产生的废弃润滑油。

1.2 试验方法

1.2.1 沥青老化及其再生

老化沥青按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG 3410—2025)要求制备:首先通过薄膜烘箱试验(thin film oven test, TFOT,163 ℃, 5 h)制备短期老化沥青样品;随后再通过压力老化容器试验(pressure aging vessel, PAV,100 ℃, 20 h)获得长期老化沥青样品,两种样品的基本性能指标如表3所示。

再生沥青的制备方法如下:首先将老化沥青置于140 ℃环境下加热至流动状态,接着按照老化沥青的质量比,将不同类型、不同掺量的再生剂加入上述老化沥青中,以1 000 r/min的转速搅拌15 min,即可制得不同的再生沥青。

1.2.2 再生剂与再生沥青老化

将蓖麻油、腰果酚、废机油均置于163 ℃烘箱中进行12 h的热氧老化,其老化前后外观如图1所示。

再生沥青的老化按照1.2.1节的沥青老化部分执行。为方便后文对比分析,将所有沥青样品的代码汇总于表4。

1.3 测试方法

1.3.1 傅里叶变换红外光谱测试

采用傅里叶变换红外光谱仪(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR,美国Thermo Nicolet公司)分析再生剂与沥青样品的化学结构^[18]。测试时,取少量再生剂样品直接均匀涂覆在KBr片上即可进行检测;沥青样品需先溶解于二硫化碳中配制质量分数为5%的溶液,再将溶液滴在KBr片上,待溶剂完全挥发形成薄膜后进行测试。所有测试的扫描范围均为4 000~500 cm^-1,分辨率设置为4 cm^-1,累积扫描64次。

1.3.2 热稳定性测试

采用同步热分析仪(simultaneous thermal analyzer,TGA 2瑞士)分别对三种再生剂老化前后的样品进行热稳定性测试。测试过程中使用氮气作为保护气体,流速为100 mL/min,温度由40 ℃升至800 ℃,升温速率分别设定为5、10、15 ℃/min。在加热过程中记录再生剂的质量变化和热流。

1.3.3 活化能计算

燃烧过程中样品的转化率α计算公式为

(1)α=$\frac{{\mathit{m}}_{0}-\mathit{m}}{{\mathit{m}}_{0}-{\mathit{m}}_{\mathit{\infty }}}$

式(1)中:m 为样品在某一时刻的质量;m₀和m_∞ 分别为燃烧开始与结束时样品的质量。

采用 FWO(Flynn-Wall-Ozawa)积分法对三种再生剂在程序升温过程中的燃烧反应进行动力学分析。该方法属于多重扫描速率法,基于不同升温速率下的热重曲线,无需预设反应机理函数,仅根据相同转化率 α 下的热数据即可直接计算活化能,从而避免因机理函数假设不当引入误差。FWO 方法的数学表达式^[19]为

(2)lnβ=ln$\left[\frac{\mathit{A}\mathit{E}}{\mathit{G}\left(\mathit{\alpha }\right)\mathit{R}}\right]$-5.331-1.052$\frac{\mathit{E}}{\mathit{R}\mathit{T}}$

式中:β为升温速率,K/min;E为表观活化能,J/mol;R为理想气体常数,8.314 J/(mol·K);T为绝对温度,K;A为指前因子;G(α)为机理函数积分形式。

在相同转化率 α 下,G(a)为定值,可根据不同升温速率下相同 α 所对应的数据,绘制lnβ 与 1/T 关系图,通过直线斜率求得该转化率下燃烧反应的活化能 E。

1.3.4 三大指标测试

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG 3410—2025),对沥青试样的25 ℃针入度、软化点及10 ℃延度进行测试。

1.3.5 温度扫描测试

采用动态剪切流变仪(dynamic shear rheometer, DSR,TADHR-2,美国)在 40~80 ℃进行温度扫描试验,加载应变为 1%,角频率为10 rad/s,使用直径为25 mm 的平行板夹具,间距设为 1 mm。通过复数剪切模量(G^*)和相位角(δ)来评价沥青的黏弹性行为。

1.3.6 多重应力蠕变恢复测试

采用动态剪切流变仪(DSR,TADHR-2,美国)进行多重应力蠕变恢复测试(multiple stress creep and recovery test,MSCR) 试验,测试温度设置为58 ℃,在 0.1 kPa 和 3.2 kPa 两个应力水平下分别进行10 次蠕变恢复循环。每个循环包括1 s 的恒定载荷加载与9 s 的卸载恢复。采用直径25 mm 的平行板夹具,板间距为1 mm。采用应变恢复率R和不可恢复柔量J_nr分别用于分析沥青的弹性恢复和抗永久变形能力;进一步,计算 R_diff 与 J_nr-diff 反映材料在不同应力之间的恢复百分比差异和不可恢复蠕变柔量差异,计算公式为

(3)R_diff=$\frac{{\mathit{R}}_{3.2}-{\mathit{R}}_{0.1}}{{\mathit{R}}_{0.1}}$×100%

(4)J_nr-diff=$\frac{{\mathit{J}}_{\mathit{n}\mathit{r},3.2}-{\mathit{J}}_{\mathit{n}\mathit{r},0.1}}{{\mathit{J}}_{\mathit{n}\mathit{r},0.1}}$×100%

1.3.7 线性振幅扫描测试

采用线性振幅扫描(linear amplitude sweep, LAS)试验评价沥青的疲劳寿命^[20]。试验在25 ℃下进行,首先在0.1%的固定应变下进行0.2~30 Hz的频率扫描;随后在10 Hz的固定频率下,执行应变振幅从0.1%线性增加至30%的振幅扫描。试验模拟沥青材料在循环荷载作用下的损伤演化行为,获取复数模量 G^* 以及滞后角 δ 随应变增长的变化,进而采用黏弹性连续破坏理论(viscoelastic continuum damage, VECD)理论模型^[21]进行参数拟合。疲劳损伤变量 D 的计算公式为

(5)D(t)≅$\sum _{\mathit{i}=1}^{\mathit{N}}$[πI_G${\mathit{\gamma }}_{0}^{2}$($\left|{\mathit{G}}^{\mathit{*}}\right|$sinδ_i_-1-$\left|{\mathit{G}}^{\mathit{*}}\right|$sinδ_i)${]}^{\frac{\mathit{\xi }}{1+\mathit{\xi }}}({\mathit{t}}_{\mathit{i}}-{\mathit{t}}_{\mathit{i}-1}{)}^{\frac{1}{1+\mathit{\xi }}}$

式(5)中: I_G为应变水平为1%时的复数剪切模量,MPa;γ₀ 为应变水平,%; |G^*|为复数剪切模量,MPa;t 为测试时间,s;ξ为系数;i为第i个采样点。ξ的计算公式为

(6)lgG'(ω)=mlgω+b

(7)ξ=1+$\frac{1}{\mathit{m}}$

式中: G'(ω) 为储存模量,G'(ω)=|G^*|cosδ(ω),MPa;ω 为频率,Hz; m 为拟合参数;b为截距。

根据VECD以及试验数据,可将材料的虚模量 |G^*|sin δ(ω) 和累积疲劳破坏变量 D(t) 的关系表示为

(8)$\left|{\mathit{G}}^{\mathit{*}}\right|$sinδ=C(t)=C₀-C₁(D)^C₂

式(8)中: 参数C₀ = 1;C₁ 和 C₂ 为规划求解得到的最佳拟合参数。

定义疲劳失效准则 D_f 为疲劳损伤变量D 达到初始|G^*| sin δ 的 35%,表达式为

(9)D_f=${\left(\frac{0.35}{{\mathit{C}}_{1}}\right)}^{1/{\mathit{C}}_{2}}$

预测疲劳寿命的公式为

(10)N_f=A₃₅(${\mathit{\gamma }}_{\mathit{m}\mathit{a}\mathit{x}}^{\mathit{B}}$)

式中:A₃₅=

$\frac{\mathit{f}({\mathit{D}}_{\mathit{f}}{)}^{\mathit{K}}}{\mathit{k}\left(\mathit{\pi }\right.{\mathit{I}}_{\mathit{G}\mathit{*}}{\mathit{C}}_{1}{\mathit{C}}_{2}{)}^{\mathit{\xi }}}$

,其中f为加载频率(10 Hz),k = 1+(1-C₂)ξ; γ_max为路面结构预估最大应变,%;B= -2ξ。

2 结果与分析

2.1 再生剂特性

2.1.1 化学结构

三种再生剂的红外光谱如图2所示。由图2可知,蓖麻油在2 925 cm^-1和2 854 cm^-1处的吸收峰分别归属于亚甲基(—CH₂—)的不对称与对称伸缩振动。位于1 745 cm^-1的强吸收峰源于酯羰基(C=O)的伸缩振动,而1 163 cm^-1处的吸收峰则对应酯基中C—O—C的伸缩振动,表明蓖麻油的主要化学成分为甘油三酯类化合物。腰果酚的红外光谱则呈现出更为复杂的特征。除在2 924、2 853 (亚甲基伸缩振动)、1 458、1 376 (亚甲基弯曲振动)cm^-1处观察到烷烃链的特征吸收峰外,在3 012 cm^-1附近出现芳香环C—H伸缩振动峰,并于1 597 cm^-1处显示芳香环骨架(C=C)的伸缩振动,3 328 cm^-1处宽散的O—H伸缩振动峰表明酚羟基的存在。废机油的光谱呈现出典型的非极性饱和烃类特征,其主要吸收峰位于2 922、2 852、1 456、1 375 cm^-1,均源于烷烃链中亚甲基的振动。721 cm^-1处的吸收峰则归属于长链亚甲基—CH_2n—(n ≥ 4)的面内摇摆振动。对比分析可知,腰果酚是强极性再生剂,蓖麻油为中等极性再生剂,废机油是弱极性再生剂。

2.1.2 热稳定性

三种再生剂的热稳定性曲线如图3所示。定义质量损失2%时的温度为起始分解温度(T_d),由图3可知,蓖麻油、腰果酚和废机油的老化前的T_d分别为377.9、228.6、235.6 ℃;经热氧老化后,其T_d分别为370.1、203.8、225.2 ℃。表明蓖麻油的热氧稳定性最为优异,而腰果酚的热稳定性最差。图3还展示了相应的导数热重(derivative thermogravimetry,DTG)曲线。蓖麻油、腰果酚和废机油老化前的最大质量损失率峰值温度(T_p)分别为425.5、339.7、361.6 ℃;老化后,其T_p分别降低至为421.5、320.4、347.3 ℃。值得注意的是,老化后蓖麻油的T_p高于腰果酚和废机油约50 ℃,表明蓖麻油分子结构在高温条件下具有较好稳定性。

2.1.3 活化能

采用Flynn-Wall-Ozawa(FWO)方法计算了3种再生剂的热分解表观活化能,结果如表5所示。其中,E_m为转化率α=0.1~0.9范围内的平均表观活化能,R²为拟合相关系数。由表5可知,蓖麻油、腰果酚和废机油的E_m分别为257.7、118.5、166.4 kJ/mol,表明蓖麻油分子结构最为稳定,热分解需克服更高的能量势垒,因而热稳定性最优;而腰果酚的表观活化能最低,表明其分子更易发生热分解。此外,随着转化率α升高,再生剂的活化能 (E_a) 呈现持续显著上升趋势,说明其分解反应随加热进程推进愈发困难,可能因为反应后期分子中更稳定的化学键断裂所需能量增加。

2.2 再生沥青性能演化规律研究

2.2.1 再生剂掺量确定

再生剂掺量对老化沥青针入度、软化点与延度的影响如图4所示。图4(a)显示,随着再生剂掺量的增加,针入度显著提升,表明再生剂中的轻质油分有效补偿了老化损失,降低了沥青稠度,恢复其流动性。当蓖麻油与废机油掺量为3%~5%时,C-RBA与E-RBA的针入度恢复至规范范围;而腰果酚作用更为显著,仅需1.5%~3.5%掺量即可使S-RBA针入度达标。图4(b)表明,软化点随再生剂掺量增加而下降,说明再生剂削弱了沥青的高温抗变形能力,在5%掺量下,3种再生沥青软化点仍略高于规范要求。图4(c)显示,延度随掺量增加明显改善,表明再生剂增强了沥青的低温韧性与变形恢复能力。当蓖麻油与废机油掺量超过3.3%,腰果酚掺量超过1.7%时,延度即可满足规范要求。综合三大指标变化及规范要求,确定蓖麻油、腰果酚与废机油的最佳掺量分别为5%、3%和5%。腰果酚因分子极性强,可有效解聚老化沥青中的氧化大分子簇,实现四组分的重新平衡,故能以较低掺量高效恢复沥青物理性能。

2.2.2 再生沥青老化物理性能

采用残留针入度比(residual penetration ratio,PRR)、延度保留率(ductility retention ratio,DRR)和软化点增量(softening point increment,SPI)评估再生沥青的长期老化性能。各指标按式 (11)~式(13) 计算。通常,PRR和DRR越高、SPI越低,表明材料的抗老化性能越优。

(11)PRR=$\frac{{\mathit{P}}_{\mathit{老}\mathit{化}\mathit{后}}}{{\mathit{P}}_{\mathit{老}\mathit{化}\mathit{前}}}$×100%

(12)DRR=$\frac{{\mathit{D}}_{\mathrm{老}\mathrm{化}\mathrm{后}}}{{\mathit{D}}_{\mathrm{老}\mathrm{化}\mathrm{前}}}$×100%

(13)SPI=S_老化后-S_老化前

式中:P、D和S分别代表针入度、延度和软化点。

表6展示了再生沥青老化后的三大指标老化指数。可以看出,S-RBA的老化程度最为严重,其PRR、DRR和SPI值分别为53.3%、13.8%和6.3 ℃,这主要是由于腰果酚中的活性组分在热氧老化过程中易挥发和分解,导致其补充的轻质组分迅速损失,从而使再生沥青快速硬化。该结果与其热重分析中较低的热分解温度和活化能相一致。相比之下,C-RBA表现出最优的抗老化性能,其PRR、DRR和SPI值分别为73.0%、33.0%和2.8 ℃,物理性能变化最小,这得益于蓖麻油优异的热稳定性和较高的活化能,有效延缓沥青胶结料的整体硬化。E-RBA的抗老化性能介于二者之间,相应指标分别为59.7%、16.6%和4.2 ℃,究其原因是废机油中的非极性烃类的热稳定性和活化能介于蓖麻油与腰果酚之间。

2.2.3 再生沥青老化前后车辙因子

车辙因子 (G^*/sinδ) 是评价沥青抵抗永久变形能力的关键指标,测定结果如图 5 所示。随着温度从40 ℃升高至80 ℃,所有沥青样品的车辙因子均出现明显下降,表明沥青材料发生高温软化,抗变形能力出现普遍衰减。与基质沥青BA相比,老化沥青ABA的车辙因子明显增大,这主要源于老化过程中沥青轻组分的挥发以及氧化缩合反应,进而提升了沥青的整体刚性。经3种再生剂处理后,再生沥青的G^*/sinδ均恢复至基质沥青BA的水平,说明再生剂有效补充了沥青在老化过程中损失的轻质组分,改善了沥青的流变特性。在长期老化过程中,三种再生沥青的G^*/sinδ均出现不同程度的上升,这主要是由三种再生剂的热稳定性与耐老化能力存在差异导致的。蓖麻油的热稳定性最佳、活化能最高,其对应再生沥青在老化过程中的性能变化相对平缓;废机油的热稳定性和活化能均次于蓖麻油,因此其对应再生沥青的G^*/sinδ上升较为明显;腰果酚的热稳定性最差、活化能最低、抗老化能力最弱,使得其对应再生沥青在老化过程中更易发生硬化,弹性响应显著增强,因此G^*/sinδ的提升最为显著。

2.2.4 再生沥青老化前后蠕变恢复性能

再生沥青老化前后的蠕变恢复性能曲线如图6所示。图6(a)展示了再生沥青在58 ℃条件下老化前后的剪切应变曲线。结果表明,当应力水平从0.1 kPa增至3.2 kPa时,所有试样的剪切应变均出现显著增长,表明高温与重载共同作用会加剧沥青路面的永久变形风险。3种再生剂均可将老化沥青的蠕变恢复性能恢复至老化前水平,说明再生剂能有效改善老化沥青的黏性行为,提升了材料的变形能力。但再生沥青经历长期老化后,C-RBA-A、S-RBA-A、E-RBA-A的蠕变恢复性能呈现出明显差别。

图6(b)展示了不同应力水平下老化前后试样的恢复率(R)。可见,随着应力从0.1 kPa增至3.2 kPa,所有试样的R值均出现下降,说明高应力条件下材料的弹性恢复能力减弱,更易发生不可逆变形。在0.1 kPa应力下,C-RBA、S-RBA与E-RBA的恢复率R较BA分别提高了55.6%、42.6%与65.4%,表明再生剂的加入显著增强了沥青的弹性恢复性能与抗永久变形能力。经历老化后,C-RBA-A、S-RBA-A与E-RBA-A的R值均超过其未老化状态。这主要源于老化过程中沥青分子发生结构化与交联,增强了材料的刚性恢复行为。其中,腰果酚热稳定性最差,活化能最低,在老化过程中易挥发与分解,且长碳侧链上的羟基易被氧化,导致S-RBA老化程度最大,弹性响应增强,表现为剪切应变急剧下降。蓖麻油因其优异的热稳定性和较高的活化能,赋予C-RBA较好的抵抗热氧的能力。废机油的热性能和活化能介于两者之间,E-RBA的抗老化能力也呈现出相同的规律。此外,J_nr随应力升高而增大[图6(c)],进一步验证了高应力对沥青塑性流动的促进作用。老化后,各试样的J_nr普遍降低,说明材料硬化导致塑性变形能力下降,尽管弹性恢复指标提高,但其整体抗变形性能仍趋于脆化。另外,由R_diff与J_nr-diff可见,不同应力水平下材料表现出较大差异,特别是在高应力下蠕变恢复能力显著降低。

2.2.5 再生沥青老化前后疲劳性能

沥青在2.5%与5.0%应变水平下的疲劳寿命(N_f)如图7所示。与BA相比,ABA的N_f急剧下降,这主要源于老化过程中沥青质含量上升与分子链运动能力降低,严重削弱了材料的应力松弛性。在2.5%应变水平下,三种再生沥青的 N_f相较于ABA分别提升了177.8%(C-RBA)、194.5%(S-RBA)与178.7%(E-RBA),其数值甚至超过BA,表明再生处理不仅恢复了老化沥青的疲劳性能,还优化了其抗损伤结构。再生沥青在经历老化后,其疲劳寿命出现了不同程度的衰减。在2.5%应变下,C-RBA-A、S-RBA-A与E-RBA-A的N_f值分别下降至其未老化状态的36.8%、60.4%与53.8%,其中S-RBA-A的衰减最为严重,显示出其抗老化疲劳性能最差。这是因为腰果酚的分子结构、热稳定性和活化能决定了S-RBA在热氧环境下的老化程度更为剧烈,从而严重降低了再生沥青的疲劳寿命。相反,蓖麻油因具有较好的抗老化能力,使得C-RBA表现出较好的耐老化性。在5.0%应变水平下,所有再生老化样品的疲劳寿命进一步降低,表明沥青材料在高应变条件下更易损坏。

2.3 再生沥青老化官能团指数

三种再生沥青老化前后的FTIR光谱如图8所示。沥青老化性能与其化学结构变化息息相关,采用羰基指数(I_C==O)和亚砜基指数(I_S==O)来评价不同沥青胶结料的老化程度^[22],计算公式分别为

(14)I_C==O=$\frac{{\mathit{A}}_{\mathit{C}==\mathit{O}}}{{\mathit{A}}_{1\mathit{ }376}}$

(15)I_S==O=$\frac{{\mathit{A}}_{\mathit{S}==\mathit{O}}}{{\mathit{A}}_{1\mathit{ }376}}$

式中:A_C==O为1 700 cm^-1 附近羰基特征峰面积,A_S==O为1 030 cm^-1 附近亚砜特征峰面积;A_{1 376}为1 376 cm^-1内标峰面积。

三种再生沥青的I_C==O、I_S==O、ΔI_C==O、ΔI_S==O如表7所示。由表7可知,ABA的ΔI_C==O明显大于BA,表明沥青发生了严重氧化。经再生后,三种再生沥青的I_C==O和I_S==O均出现下降,这是因为三种再生剂增大了老化沥青中的轻质组分含量,减小了羰基和亚砜基的浓度。再生沥青经长期老化后,不同再生沥青的抗老化性能呈现显著差异,其中S-RBA-A的I_C==O始终维持在最高水平,说明其再生体系化学稳定性较差,S-RBA更易发生二次氧化;而C-RBA-A的I_C==O和I_S==O最小,低于其他两种再生沥青,表明蓖麻油再生沥青的抗老化能力最佳,这是因为其分子结构抵抗热氧老化的能力最强,这与上述研究结果一致。

2.4 再生剂特性与再生沥青二次老化性能相关性分析

如图9所示为再生剂特性(T_d、T_p、E_m)与再生沥青多项老化性能参数的相关性分析结果,相关系数越接近1代表二者相关性越强。由图9可知,再生剂的T_d、T_p、E_m与再生沥青的流变性能及疲劳性能之间存在极强的正相关性,T_d、T_p和E_m与不同应变水平下的疲劳寿命N_f均呈现出接近1的正相关系数,表明再生剂的热稳定性是影响再生沥青长期抗疲劳性能的关键因素。同时,再生剂的热稳定性与再生沥青的高温力学行为密切相关:T_d、T_p和E_m与60 ℃下的车辙因子 G^*/sinδ呈强负相关,相关系数范围为-0.93 ~ -1,同时与低应力(0.1 kPa)下的蠕变恢复率R_0.1呈强正相关,与不可恢复蠕变柔量J_0.1呈强负相关,说明热稳定性更高的再生剂能够在沥青老化过程中更好地维持黏性组分与弹性组分之间的平衡,抑制再生沥青发生过度老化。

3 结论

分别采用蓖麻油、腰果酚与废机油对老化沥青进行再生,分析了三种再生剂特性(分子结构、热性能和活化能)及其对再生沥青老化性能的影响,得到以下结论。

(1)蓖麻油、腰果酚与废机油在化学结构、热稳定性及活化能方面存在显著差异,这些特性直接影响其抗老化能力。具体而言,分子结构稳定性低、热稳定性差、活化能较低的再生剂更易在二次老化过程中发生性能退化。

(2)蓖麻油、腰果酚与废机油均能有效恢复老化沥青的物理与流变性能至其原始状态。其中,腰果酚凭借其较强的分子极性,能够更有效地解聚老化沥青中的氧化大分子团簇,并重新平衡四组分构成,从而表现出最优的再生效果。

(3)在经历老化后,三种再生沥青的物理性能、疲劳性能及化学结构均呈现显著区别。蓖麻油再生沥青性能在长期老化过程中保持最佳,废机油再生沥青次之,腰果酚再生沥青性能衰减最快,变化趋势与三种再生剂的基础特性稳定性高度一致。

(4)Pearson相关性分析进一步表明,再生剂的初始分解温度(T_d)、最大分解温度(T_p)及活化能(E_m)与再生沥青的长期耐久性呈高度相关。热稳定性高、活化能大的再生剂有助于提升再生沥青的耐久性。综上所述,在对老化沥青进行再生时,优先选择分子结构稳定、分子极性强、热稳定性高以及活化能大的再生剂,这对于再生沥青质量及其服役耐久性具有重要意义。

参考文献

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[1]	李宁利, 常紫攀, 栗培龙. 稻壳油生物沥青老化条件及老化机理研究[J]. 材料科学与工艺, 2025, 33(3): 11-20.

[2]	Li Ningli, Chang Zipan, Li Peilong. Study on aging conditions and mechanisms of rice hull oil bio asphalt[J]. Materials Science and Technology, 2025, 33(3): 11-20.

[3]	Zhou W, Yi J, Pei Z, et al. Thermal aging degradation of recyclable epoxy asphalt for roadway application[J]. Construction and Building Materials, 2025, 499: 144113.

[4]	乔亚宁, 文霞, 高仰明, 等. LCA分配方法对道路生命周期碳排放核算的影响及不确定性分析[J]. 交通运输工程学报, 2025, 25(5): 82-95.

[5]	Qiao Yaning, Wen Xia, Gao Yangming, et al. Influence of allocation methods on the life cycle carbon emission from roads and uncertainty analysis[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2025, 25(5): 82-95.

[6]	Sukhija M, Coleri E. A systematic review on the role of reclaimed asphalt pavement materials: insights into performance and sustainability[J]. Cleaner Materials, 2025, 16: 100316.

[7]	Wu W, Jiang W, Xiao J, et al. Investigation of LAS-based fatigue evaluation methods for high-viscosity modified asphalt binders with high-content polymers[J]. Construction and Building Materials, 2024, 422: 135810.

[8]	Tian R, Liu H, Huang L, et al. Correlation analysis between mechanical properties and fractions composition of oil-rejuvenated asphalt[J]. Materials (Basel), 2022, 15(5): 1889.

[9]	Qiu Y, Gao Y, Zhang X, et al. Conventional properties, rheological properties, and storage stability of crumb rubber modified asphalt with WCO and ABS[J]. Construction and Building Materials, 2023, 392: 131987.

[10]	白中良, 李萍, 王晖, 等. 基于响应曲面法的沥青再生剂配比设计以及抗老化性能[J]. 化工进展, 2025, 44(3): 1607-1618.

[11]	Bai Zhongliang, Li Ping, Wang Hui, et al. Proportioning design and anti-aging performance of asphalt rejuvenator based on response surface methodology[J]. Chemical Industry and Engineering Progress, 2025, 44(3): 1607-1618.

[12]	Li Y, Liu Q, Tang J, et al. Assessing pavement characteristics: an in-depth evaluation of waste engine oil and Buton rock asphalt composite modified asphalt and its mixture[J]. Construction and Building Materials, 2024, 451: 138652.

[13]	Behnood A. Application of rejuvenators to improve the rheological and mechanical properties of bitumen binders and mixtures: a review[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 231: 171-182.

[14]	Zahoor M, Nizamuddin S, Madapusi S, et al. Recycling asphalt using waste bio-oil: a review of the production processes, properties and future perspectives[J]. Process Safety and Environmental Protection, 2021, 147: 1135-1159.

[15]	Li P, Yue L, Ding Z, et al. Review on composition properties, functionalization of bio-oil and its rejuvenation behavior and mechanism on aged asphalt[J]. Journal of Road Engineering, 2025, 5(1): 21-34.

[16]	Zhang R, Shi Q, Hu P, et al. Influence of castor oil-based bio-oil on the properties and microstructure of asphalt binder[J]. Construction and Building Materials, 2023, 408: 133564.

[17]	Zhou L, Huang Z, Tang W, et al. Investigation of the rheological properties and micromorphology of waste plastic/bio-oil modified asphalt[J]. Case Studies in Construction Materials, 2025, 22: e04659.

[18]	梁庆, 郑云, 张关发, 等. 废机油再生SBS改性沥青性能及再生机理[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(2): 777-784.

[19]	Liang Qing, Zheng Yun, Zhang Guanfa, et al. Performance and mechanism of styrene-butadiene-styrene (SBS) modified asphalt regenerated from waste engine oil[J]. Science Technology and Engineering, 2023, 23(2): 777-784.

[20]	刘成, 刘一鸣, 叶群水, 等. 废食用油改性高掺量沥青混合料回收料热拌/温拌再生沥青混合料路用性能[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(9): 3828-3839.

[21]	Liu Cheng, Liu Yiming, Ye Qunshui, et al. Road performance of WCO-modified high dosage RAP hot mix/warm mix recycled asphalt mixtures[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(9): 3828-3839.

[22]	刘启征, 李传强, 凌天清, 等. 生物柴油再生沥青胶结料性能[J]. 科学技术与工程, 2022, 22(33): 14891-14897.

[23]	Liu Qizheng, Li Chuanqiang, Ling Tianqing, et al. Properties of biodiesel recycled asphalt binder[J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(33): 14891-14897.

[24]	彭毅, 孔润, 缪津科, 等. 基于傅里叶变换红外光谱分析沥青低温老化性能[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(1): 341-349.

[25]	Peng Yi, Kong Run, Miao Jinke, et al. Low-temperature aging performance of asphalt based on FTIR[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(1): 341-349.

[26]	Liao Y, Ma X. Thermogravimetric analysis of the co-combustion of coal and paper mill sludge[J]. Applied Energy, 2010, 87(11): 3526-3532.

[27]	Quan X, Liu X, Chen C, et al. Improving thermal cracking and fatigue cracking performance of hard asphalt binders with bio-renewable additives[J]. Construction and Building Materials, 2024, 456: 139305.

[28]	张万国, 万贵稳, 乔元辉, 等. 生物油基再生剂对老化沥青流变性能恢复规律研究[J]. 材料导报, 2025, 39(22): 61-68.

[29]	Zhang Wanguo, Wan Guiwen, Qiao Yuanhui, et al. Study on the recovery law of rheological properties of aged asphalt with bio-oil-based recycling agents[J]. Materials Reports, 2025, 39(22): 61-68.

[30]	Han X, Mao S, Zeng S, et al. Effect of reactive flexible rejuvenators on thermal-oxidative aging resistance of regenerated SBS modified asphalt[J]. Journal of Cleaner Production, 2022, 380: 135027.

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