【跟著AI學(xué)技術(shù)】使用天然瀝青Selenizza的新型結(jié)合料
發(fā)布時(shí)間：2025-08-18
編者按：該論文于2020年發(fā)表在《交通與運(yùn)輸工程期刊》第8卷 （《Journal of Traffic and Transportation Engineering》 8 ）
作者：伊迪絲·塔塔里，塞萊尼切瀝青公司研發(fā)部
Edith Tartari，Selenice Bitumi Sha, R&D Department
本文采用騰訊元寶全文翻譯版，如有不妥之處，請(qǐng)多多包涵指正。后附期刊原文，請(qǐng)參閱。
亮點(diǎn) (Highlights)
● 天然瀝青Selenizza是一種添加劑，能顯著影響道路瀝青的力學(xué)行為。它能硬化改性瀝青，改善其性能，并降低其老化敏感性。
● 使用天然瀝青Selenizza和廢棄植物油開發(fā)了一種新型結(jié)合料。
● 通過結(jié)合天然瀝青Selenizza的硬化與抗老化效應(yīng)以及植物油的再生特性，獲得了一種再生劑，使得生產(chǎn)含有100%再生瀝青路面（RAP）集料的瀝青混合料成為可能。
摘要 (Abstract)本文旨在強(qiáng)調(diào)在瀝青混合料設(shè)計(jì)中，使用天然瀝青作為新興環(huán)境可持續(xù)性創(chuàng)新和趨勢(shì)的一部分所帶來的益處。近期多項(xiàng)研究分析了天然瀝青的特性，表明它們與煉油廠生產(chǎn)的瀝青完全兼容，其影響可與化學(xué)添加劑相媲美。特別是，使用天然瀝青Selenizza不僅增加了結(jié)合料的稠度、粘度和穩(wěn)定性，而且賦予改性瀝青更高的抗老化性，并在低溫性能方面優(yōu)于同等針入度等級(jí)的直餾瀝青。使用天然瀝青改性的結(jié)合料獲得的高模量瀝青混合料，能夠成功應(yīng)對(duì)日益增長的交通量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更薄、更耐久的有效路面結(jié)構(gòu)。本文特別介紹了近期研究工作的主要結(jié)論，該研究首次關(guān)注使用植物油（菜籽油和葵花籽油）來軟化天然瀝青Selenizza，旨在開發(fā)用于瀝青混合料的新型結(jié)合料，并介紹了一種新型高模量瀝青混凝土（HMAC）的實(shí)驗(yàn)研究，該混凝土包含100%的再生瀝青路面（RAP）集料，這得益于一種由廢棄植物油和天然瀝青Selenizza組成的再生劑，該再生劑逆轉(zhuǎn)了結(jié)合料的老化流變特性并恢復(fù)了新鮮瀝青的性能值。
關(guān)鍵詞 (Key words): 天然瀝青，老化，植物油，再生劑，RAP，Selenizza。
1. 引言 (Introduction)
在全球環(huán)境變化的背景下，熱拌瀝青（HMA）行業(yè)重新聚焦于長壽命HMA路面建設(shè)，推動(dòng)創(chuàng)新理念、方法和技術(shù)的開發(fā)與測(cè)試。交通量和荷載方面日益增長的運(yùn)輸需求帶來了巨大的挑戰(zhàn)，需要我們將研究努力投入到進(jìn)一步加強(qiáng)HMA設(shè)計(jì)和改進(jìn)公路建設(shè)中使用的材料選擇上。生產(chǎn)高含量再生瀝青路面（RAP）的瀝青混合料，似乎是當(dāng)前柔性路面設(shè)計(jì)趨勢(shì)和發(fā)展中的主要應(yīng)用之一，可帶來更大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
瀝青結(jié)合料及其物理和流變特性隨時(shí)間的變化，對(duì)瀝青混合料的主要粘彈性特性有顯著貢獻(xiàn)，并在確保其性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在當(dāng)前努力集中于節(jié)能和開發(fā)低碳技術(shù)用于瀝青路面建設(shè)的總體框架下，法國研究人員研究了開發(fā)一種新型結(jié)合料的可能性，該結(jié)合料通過混合天然瀝青和廢棄植物油生產(chǎn)，從而規(guī)避了使用石油精煉瀝青，其生產(chǎn)意味著消耗不可再生的自然資源，并對(duì)二氧化碳排放產(chǎn)生高影響。通過結(jié)合天然瀝青Selenizza的硬化和抗老化特性，以及植物油賦予瀝青更高柔韌性的能力，獲得了一種新型瀝青結(jié)合料，其流變和力學(xué)性能類似于傳統(tǒng)的35/50道路瀝青。使用這種新型結(jié)合料的瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)（JMF）的性能，在剛度模量、抗車轍性和水敏感性方面進(jìn)行了表征。
與此同時(shí)，德國埃爾福特大學(xué)最近進(jìn)行了一個(gè)研究項(xiàng)目，研究并試驗(yàn)了使用100% RAP瀝青和一種由植物油與天然瀝青Selenizza組成的再生劑的新型磨耗層混合料設(shè)計(jì)。在該研究中，分析了12種具有相同集料和級(jí)配曲線的瀝青混凝土變體及其相應(yīng)結(jié)合料在老化前、老化后以及引入再生劑后的力學(xué)和粘彈性行為。與參考變體和老化變體相比，在老化后添加了再生劑的JMF變體中，觀察到疲勞阻力顯著改善，低溫開裂風(fēng)險(xiǎn)降低。
2. 天然瀝青添加劑Selenizza的硬化效應(yīng)與抗老化特性 (Hardening Effect and Anti-aging Properties of Natural Bitumen Additive Selenizza)
長期以來，人們對(duì)天然瀝青作為瀝青改性劑的潛力表現(xiàn)出有限的興趣，其在道路建設(shè)中的應(yīng)用被低估并大量忽視。直到最近，研究人員才開始關(guān)注這個(gè)問題，原因是公路建設(shè)中可持續(xù)發(fā)展的主要挑戰(zhàn)，需要在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)提供高使用性能的道路。高模量瀝青混合料市場(chǎng)的增長，以及對(duì)硬質(zhì)瀝青日益增長的需求，揭示了使用天然瀝青作為聚合物添加劑和其他直餾瀝青改性劑的有用替代品的必要性。
羅馬大學(xué)“La Sapienza”的Santarelli和Scarsella[1]研究了使用流變學(xué)和熱測(cè)量技術(shù)，用天然瀝青改性蒸餾瀝青時(shí)發(fā)生的性質(zhì)變化。分析了三種最常用的天然瀝青類型：來自猶他州礦床（美國）的Gilsonite、來自阿爾巴尼亞的Selenizza以及來自中美洲的特立尼達(dá)湖瀝青（Trinidad Lake Asphalt）。為了研究改性的性質(zhì)以及這些天然瀝青作為改性劑的效率，將每種天然瀝青10%（重量）添加到標(biāo)準(zhǔn)的80-100針入度等級(jí)瀝青中，并在最低150-180°C的溫度下混合，以確保完全溶解。
正如預(yù)期的那樣，在這三種情況下，與原始標(biāo)準(zhǔn)瀝青相比，所得改性瀝青的特征是軟化點(diǎn)（R&B溫度）更高，針入度值更低，這是由于天然瀝青中含有高比例的瀝青質(zhì)。觀察到改性瀝青樣品中存在的瀝青質(zhì)百分比與各自的軟化點(diǎn)值之間存在比例關(guān)系。
動(dòng)態(tài)流變測(cè)試表明，中高溫（50÷160°C）下的流變行為不取決于改性劑的質(zhì)量，而完全取決于其瀝青質(zhì)含量。原始瀝青和用三種天然瀝青改性的樣品的復(fù)數(shù)粘度值隨溫度變化的趨勢(shì)，反映了改性后粘度值的增加。與標(biāo)準(zhǔn)瀝青的粘度曲線相比，改性樣品的粘度曲線向上移動(dòng)，但它們保持相同的形狀和斜率，并且彼此平行（圖1）。這意味著改性劑不影響改性瀝青中瀝青質(zhì)組分之間的內(nèi)部相互作用，這是相容性添加劑的典型現(xiàn)象。
調(diào)制差示掃描量熱（MDSC）分析表明，直餾瀝青的流變行為在低溫下受天然瀝青添加的影響不大，但在高溫下則發(fā)生顯著改變。
軟化溫度的比較（來自原始瀝青和改性樣品之間的反轉(zhuǎn)曲線）表明，添加特立尼達(dá)瀝青和Selenizza天然瀝青，由于其膠質(zhì)相的摩爾質(zhì)量較低（與參考瀝青相比），降低了參考瀝青軟化范圍的下限，對(duì)后者產(chǎn)生了稀釋效應(yīng)。由于基礎(chǔ)瀝青的膠質(zhì)相在55.8°C開始軟化，觀察到其與特立尼達(dá)瀝青的混合物在45.9°C開始軟化，而與Selenizza的混合物則在低于45.9°C的溫度下開始軟化。相反，觀察到Gilsonite不影響不同膠質(zhì)相和瀝青質(zhì)相的熔化溫度，但將原始瀝青的軟化范圍擴(kuò)展到更高的溫度。
這項(xiàng)研究表明，添加天然瀝青所產(chǎn)生的變化性質(zhì)最終由其組成決定，特別是其瀝青質(zhì)含量。改性瀝青的特征是稠度、粘度和穩(wěn)定性值增加，賦予瀝青混合料更好的抗永久變形能力。
法國斯特拉斯堡大學(xué)最近進(jìn)行的一項(xiàng)研究工作，研究了使用在阿爾巴尼亞開采的天然瀝青Selenizza生產(chǎn)硬質(zhì)瀝青結(jié)合料和高模量瀝青混合料的潛力。
在Themeli等人[2]的這項(xiàng)研究中，使用IATROSCAN分析確定了Selenizza的瀝青質(zhì)含量值。為了在整個(gè)礦床體積范圍內(nèi)更好地表征天然瀝青的質(zhì)量，分析了從礦床深部和近地表區(qū)域采集的原始和提純?yōu)r青樣品（表1）。
膠體不穩(wěn)定指數(shù)Ic值表明，Selenizza的有機(jī)相具有溶膠或溶膠-凝膠特性，含有足夠數(shù)量的膠質(zhì)來膠溶瀝青質(zhì)。
調(diào)查結(jié)果表明，在物理和化學(xué)方面，Selenizza類似于石油瀝青（與后者形成穩(wěn)定的混合物），但具有更高含量的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，這賦予了天然瀝青更高的剛度和更高的玻璃化溫度。
本研究工作中使用差示量熱分析來確定用不同百分比的天然瀝青Selenizza改性的瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg與瀝青在低溫下的力學(xué)行為相關(guān)。表2研究了用Selenizza改性的50/70樣品的玻璃化轉(zhuǎn)變演變。
從表中可以看出，Tg、△Tg和△Φ沒有變化，添加Selenizza不影響瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變。同時(shí)，隨著改性率的增加，觀察到可結(jié)晶部分略有減少。值得注意的是，該分析顯示經(jīng)Selenizza改性的35/50級(jí)瀝青的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為Tg = -23.1°C，低于同等鋪路等級(jí)35/50的基準(zhǔn)石油瀝青（其玻璃化溫度為Tg = -19.3°C）。這似乎表明，添加5% Selenizza的改性瀝青，與同等等級(jí)的石油瀝青相比，具有更高的抗低溫開裂能力。
由于煉油廠生產(chǎn)的硬質(zhì)瀝青通常具有相對(duì)較高的老化敏感性，這一特性在路面性能中起著重要作用，該研究特別關(guān)注了分析用天然瀝青改性的瀝青在人工老化過程中的演變以及后者避免此缺陷的能力。
一個(gè)50/70瀝青樣品，用不同百分比的Selenizza改性，以及相應(yīng)的同等正常鋪路等級(jí)瀝青，進(jìn)行了加速人工老化RTFOT，隨后進(jìn)行PAV。測(cè)試后，對(duì)老化瀝青樣品進(jìn)行了不同的測(cè)試（針入度、R&BT、流變學(xué)等），以評(píng)估這些參數(shù)因老化而發(fā)生的變化。通常，道路鋪路瀝青在RTFOT老化后會(huì)損失一個(gè)針入度等級(jí)。
人工老化前后針入度和軟化溫度的測(cè)量結(jié)果如表3所示。
老化還表現(xiàn)為復(fù)數(shù)模量的增加和更大的彈性（相位角減?。?。
對(duì)用Selenizza改性的不同樣品和同等針入度等級(jí)的傳統(tǒng)石油瀝青在老化后復(fù)數(shù)模量和相位角演變的分析顯示出相同的變化趨勢(shì)。
這些測(cè)試表明，老化后，改性瀝青發(fā)生的變化小于初始50/70瀝青的變化。此外，對(duì)于改性樣品，變化隨著改性率的增加而減弱。改性瀝青與同等標(biāo)準(zhǔn)瀝青的比較表明，改性瀝青的特征是變化較小，這意味著Selenizza減輕了老化效應(yīng)并起到了老化抑制劑的作用。
3. 使用廢棄植物油和天然瀝青開發(fā)新型結(jié)合料 (The Development of a New Type of Binder Using Waste Vegetable Oil and Natural Bitumen)
瀝青作為石油精煉的副產(chǎn)品，作為一種不可再生資源日益稀缺，可能導(dǎo)致供應(yīng)短缺。為了應(yīng)對(duì)這一趨勢(shì)，專家們正在考慮尋找傳統(tǒng)瀝青結(jié)合料的替代品或改性劑的新方法。利用廢棄植物油部分替代瀝青不僅可以減少瀝青消耗，還可以改善路面性能。最近發(fā)表的論文表明，廢油可以恢復(fù)老化瀝青結(jié)合料的性能，并為最終結(jié)合料提供更高的柔韌性。根據(jù)一些作者的說法，植物油中的芳香分、膠質(zhì)和飽和分含量（瀝青質(zhì)除外）與石油瀝青相似，確保了兩種產(chǎn)品之間的良好相容性。另一方面，天然瀝青Selenizza中的高瀝青質(zhì)含量及其抗老化特性，使其成為與主要由芳香分、膠質(zhì)和飽和分組成的廢棄植物油的再生特性相結(jié)合，用于開發(fā)創(chuàng)新結(jié)合料的合適選擇。
在法國環(huán)境、發(fā)展與交通工程研究網(wǎng)絡(luò)（CEREMA）和法國交通、網(wǎng)絡(luò)與城市規(guī)劃科學(xué)技術(shù)研究院（IFSTTAR）[3]聯(lián)合進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，開發(fā)了一種新型結(jié)合料，使用71.4%的天然瀝青Selenizza，與17.9%的菜籽油或葵花籽油廢棄植物油以及10.7%的硬質(zhì)瀝青P15/25混合。
這種新型結(jié)合料由天然瀝青Selenizza與兩種廢棄植物油（菜籽油和葵花籽油）以及硬質(zhì)瀝青P15/25混合而成，添加硬質(zhì)瀝青是為了補(bǔ)償Selenizza中含有的無機(jī)物?；旌衔锏慕M成見表4。
在這項(xiàng)研究中，檢查了新型結(jié)合料的流變和力學(xué)性能，以及用該新型結(jié)合料制造的瀝青混合料的性能。
結(jié)合料制造過程包括將天然瀝青Selenizza在190°C下在混合器中預(yù)熱，然后將廢棄油和硬質(zhì)瀝青P15/25加入熔化的Selenizza中，將所有成分混合30分鐘直至獲得均勻的混合物。對(duì)兩種類型的結(jié)合料（含葵花籽油和菜籽油）的針入度和軟化溫度的測(cè)量表明，新生產(chǎn)的結(jié)合料的工程性能接近P 35/50標(biāo)準(zhǔn)石油瀝青，但特殊之處在于新型結(jié)合料的軟化溫度高于傳統(tǒng)瀝青（圖2）。
使用熱重分析在32°C至800°C的溫度范圍內(nèi)，以10 K/min的恒定加熱速率，對(duì)植物油、Selenizza、硬質(zhì)瀝青P 15/25和新生產(chǎn)的結(jié)合料樣品進(jìn)行了結(jié)合料成分揮發(fā)性的測(cè)定。測(cè)試結(jié)果表明，在低于250°C的溫度下，沒有任何樣品具有揮發(fā)性，從而證明在190℃的結(jié)合料生產(chǎn)和混合料制造過程中不會(huì)發(fā)生成分的顯著降解。
使用差示掃描量熱儀（DSC）在-80°C至200°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了結(jié)合料熱行為分析。觀察到新開發(fā)的結(jié)合料具有比參考瀝青更低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，這導(dǎo)致更好的低溫行為，如抗熱裂性。新型結(jié)合料更好的松弛能力歸因于植物油的貢獻(xiàn)，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于傳統(tǒng)瀝青[4]。
使用Metravib分析儀，在1至80 Hz范圍內(nèi)的10個(gè)不同頻率下進(jìn)行了頻率掃描測(cè)試。在-20°C至20°C范圍內(nèi)，測(cè)定了拉伸-壓縮復(fù)數(shù)模量E，在20°C至60°C范圍內(nèi)，測(cè)量了剪切復(fù)數(shù)模量G。使用IFSTTAR開發(fā)的軟件，在15°C的參考溫度下構(gòu)建了主曲線。結(jié)合料的復(fù)數(shù)模量和相位角主曲線（圖3）表明，在-20°C至60°C的溫度范圍內(nèi)，參考瀝青比新型結(jié)合料略硬。對(duì)于降低頻率aT x f ≤ 2.5 Hz（例如T≥20°C），新型結(jié)合料的相位角低于參考瀝青，而對(duì)于降低頻率aTf ≥ 2.5 Hz（例如T≤20°C），則高于參考瀝青。
同時(shí)注意到，在非常低的溫度下，新生產(chǎn)結(jié)合料的相位角不等于零，這意味著粘性效應(yīng)與參考瀝青相比不可忽略。因此，在低溫下，新生產(chǎn)結(jié)合料的行為不能假定為純彈性材料，這一特性可能有利于低溫應(yīng)力松弛。
對(duì)于混合料表征，設(shè)計(jì)了一種半粗粒式瀝青混凝土（BBSG 0/10），使用了新型結(jié)合料，其組成如表5所述。集料和結(jié)合料在190℃下混合3分鐘。
圖3 15°C下結(jié)合料復(fù)數(shù)模量與相位角主曲線
圖4 車轍深度演變
圖 5：15°C 下混合料勁度模量的主曲線
圖 6：瀝青混合料的抗壓性能和水敏感性。
使用大型車轍儀測(cè)定抗永久變形能力。對(duì)于每種瀝青混凝土，在由碾壓機(jī)壓實(shí)的兩塊板上進(jìn)行測(cè)試。使用深度計(jì)測(cè)量車轍深度隨碾壓次數(shù)的變化。使用新生產(chǎn)的結(jié)合料制造的混合料的車轍深度（在 60°C 下）低于對(duì)照混合料（使用 35/50 瀝青）的車轍深度（見圖 4），這與勁度模量測(cè)量結(jié)果不一致。使用新生產(chǎn)的結(jié)合料獲得的更好的抗永久變形能力可能歸因于天然瀝青中高的瀝青質(zhì)含量[5]，但其發(fā)生的真實(shí)機(jī)理尚不清楚。
混合料的勁度模量是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn) EN 12697-26 附錄 E 使用 DT-CY（直接拉伸試驗(yàn)）測(cè)定的。實(shí)驗(yàn)在 -10°C、0°C、10°C、15°C、25°C、40°C 的溫度下，以及 1 秒、3 秒、...、300 秒的加載時(shí)間下進(jìn)行。事先確定了測(cè)試中必須施加的應(yīng)變幅度，以保持樣品的線彈性行為。每個(gè)溫度和時(shí)間掃描的結(jié)果被用于構(gòu)建參考溫度為 15°C 的主曲線。如圖 5 所示，參考瀝青混合料表現(xiàn)出更高的剛度（隨瀝青結(jié)合料復(fù)數(shù)模量變化而變化），在15°C參考溫度和0.02秒加載時(shí)間條件下，其模量達(dá)到13,171MPa。相比之下，另外兩種瀝青混合料的模量值分別為：采用天然瀝青Selenizza的新型結(jié)合料為8,233MPa，而葵花籽油和菜籽油結(jié)合料的模量則為5,678MPa。菜籽油基瀝青混凝土的勁度模量不符合標(biāo)準(zhǔn) EN 13108-1 (2007) 要求的最低值 (7,000 MPa)。
為評(píng)估瀝青混合料的水敏感性，制造了直徑為 120 mm 的圓柱形樣品以評(píng)估瀝青與集料的粘結(jié)力。每種類型瀝青混合料的測(cè)試樣本被分成兩批，一批在 18°C 的水中儲(chǔ)存 7 天，另一批在 18°C 的溫控箱中空氣中儲(chǔ)存 7 天。然后對(duì)試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，并記錄濕批 (i) 和干批 (C) 的最大抵抗力。關(guān)于水敏感性，植物油混合料和參考混合料之間沒有觀察到顯著差異（圖 6）。對(duì)于所有瀝青混合料，比率 i/C 均超過 0.7，符合標(biāo)準(zhǔn) EN 13108-1 (2007) 的要求。
這項(xiàng)研究必須進(jìn)一步發(fā)展和完善，特別是關(guān)注使用新結(jié)合料的瀝青混合料的抗疲勞性、老化和低溫開裂性能。
4. 使用 100% RAP 集料和僅由植物油與天然瀝青 Selenizza 組成的結(jié)合料進(jìn)行表層創(chuàng)新瀝青混合料設(shè)計(jì)的示例
回收瀝青路面創(chuàng)造了一個(gè)材料再利用系統(tǒng)，優(yōu)化了自然資源的使用。近年來，由于巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，使用再生瀝青路面（RAP），減少了對(duì)使用原生集料（在某些地區(qū)是稀缺商品）以及昂貴的全新瀝青結(jié)合料的需求，經(jīng)歷了快速且持續(xù)的增長。
由 Riedl 和 Sorge[6]（來自埃爾福特大學(xué)，作為國家創(chuàng)新計(jì)劃的一部分）最近進(jìn)行的一項(xiàng)研究提出并評(píng)估了一種創(chuàng)新的瀝青混合料，該混合料使用 100% RAP 集料并添加了再生劑。新開發(fā)的再生劑旨在恢復(fù)流變性能，幫助重新平衡在瀝青混合料制造過程及其使用期間失去軟瀝青質(zhì)的已老化結(jié)合料的組成，恢復(fù)新鮮瀝青的原始特性及其有效性。雖然它應(yīng)含有高比例的芳香分以保持瀝青質(zhì)分散，但新結(jié)合料應(yīng)含有低含量的飽和分，因?yàn)轱柡头峙c瀝青質(zhì)高度不相容，并且對(duì)老化瀝青的流變性能非常有害[7]。本研究研究的再生劑由廢棄植物油和天然瀝青 Selenizza 組成。在這個(gè)項(xiàng)目中，研究了 12 種瀝青混凝土 AC 11 DN 的變體及其相關(guān)結(jié)合料，包括不含再生劑的參考變體、相同的老化混合料，以及含有瀝青質(zhì)量 3%、4% 和 8% 再生劑含量的老化混合料。在表 6（圖 7）中，JA 指瀝青混合料的參考變體，JB 指老化變體，JC 指添加了再生劑的老化瀝青混合料。
測(cè)試計(jì)劃的目的是確定老化的影響并評(píng)估使用再生添加劑的效果。
為了模擬瀝青和瀝青混合料的加速老化，實(shí)驗(yàn)室使用了以下方法：
?旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)（RTFOT），根據(jù) DIN EN 12607-1:2013；
?壓力老化容器（PAV），根據(jù) DIN EN 14769:2012；
?熱拌瀝青混合料調(diào)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程（AASHTO R 30）；
?布倫瑞克瀝青混合料老化工藝（布倫瑞克工業(yè)大學(xué)開發(fā)的實(shí)用瀝青混合料老化方法）。
圖7 JA:參考瀝青混合料，JB:老化瀝青混合料，JC:具有再生劑的瀝青混合料。
為了能夠確定老化和使用再生添加劑的影響，并隨后推導(dǎo)出拌合站生產(chǎn)的配方，采用了以下迭代方法：
?生產(chǎn)再生劑添加劑變體；
?研究再生劑添加劑對(duì)新鮮瀝青的影響；
?檢查和驗(yàn)證老化瀝青及瀝青混合料；
?研究在結(jié)合料中添加添加劑；
?研究瀝青混合料中劑量水平的影響；
?準(zhǔn)備試驗(yàn)路段，研究不同的已開發(fā)瀝青混合料。
瀝青混合料在其整個(gè)生命周期中包含的瀝青結(jié)合料面臨著不同的老化過程，主要是由于與環(huán)境的相互作用。老化機(jī)制包括氧化、蒸發(fā)和物理硬化。蒸發(fā)老化是一個(gè)純粹的物理過程，涉及低粘度油組分從瀝青中蒸發(fā)。該過程取決于瀝青類型、溫度和比表面積。在瀝青混合料過程中，當(dāng)薄瀝青膜在 150°C 或更高溫度下與集料接觸時(shí)，芳香分餾分迅速蒸發(fā)，瀝青質(zhì)通常增加 1 至 4 wt.%。該過程導(dǎo)致粘度增加和粘附性降低。然而，當(dāng)今的針入度級(jí)瀝青相對(duì)不易揮發(fā)，因此在路面使用期間，這種類型的老化可以忽略不計(jì)。盡管揮發(fā)主要發(fā)生在拌合過程中，但也可能發(fā)生在儲(chǔ)存、運(yùn)輸和攤鋪過程中。氧化老化純粹是一個(gè)不可逆的化學(xué)過程，主要由與大氣氧氣的反應(yīng)引發(fā)，并在光氧化和熱氧化過程的影響下發(fā)生。隨后釋放的氧氣和活性氣體（臭氧、氮氧化物、二氧化硫和三氧化硫）會(huì)裂解瀝青組分，這對(duì)老化強(qiáng)度至關(guān)重要。陽光有重大影響。光會(huì)分裂氧鍵，紫外線輻射會(huì)分裂碳-氫或碳-碳鍵。結(jié)果，石油樹脂形成瀝青質(zhì)，破壞了現(xiàn)有系統(tǒng)的平衡并增強(qiáng)了膠體不穩(wěn)定性。盡管陽光照射深度僅為 5 微米，但它們有助于產(chǎn)生滲透到更深層的自由基。此外，溫度對(duì)反應(yīng)速率有很大影響，溫度每升高 10°C，反應(yīng)速率加倍。由于上述瀝青膠體結(jié)構(gòu)的不平衡，發(fā)生了所謂的結(jié)構(gòu)老化。這種效應(yīng)應(yīng)被視為蒸餾和氧化老化的結(jié)合，而不是一種獨(dú)立的老化形式。膠體分散的顆粒（膠束）增大并聚結(jié)成更大的聚集體。隨著瀝青結(jié)構(gòu)中瀝青質(zhì)含量的增加，軟瀝青質(zhì)的含量減少。這被稱為從原始溶膠狀態(tài)向凝膠狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。由于這個(gè)過程，瀝青在結(jié)構(gòu)粘度上持續(xù)增加，從而老化，變得越來越硬，同時(shí)失去了其松弛能力。還有物理或結(jié)構(gòu)硬化，這是一個(gè)獨(dú)立的、可逆的過程，在不改變其化學(xué)成分的情況下改變?yōu)r青的流變性能。它涉及瀝青中所含的蠟和類蠟組分在低于 90°C 溫度下的結(jié)晶（空間硬化），這歸因于瀝青質(zhì)餾分中存在的直鏈烷烴的結(jié)晶。由于這種效應(yīng)，瀝青變硬并增加剛性。在環(huán)境溫度下，物理硬化非常緩慢，但在低溫下會(huì)加速。
導(dǎo)致材料整體硬化并增加開裂問題的化學(xué)老化分為兩類：短期老化，即瀝青混合料制造過程中的快速化學(xué)老化；以及長期老化，發(fā)生在道路使用壽命期間。
在配制再生劑時(shí)考慮了上述因素。
為了補(bǔ)充和驗(yàn)證瀝青混合料老化的結(jié)果，使用的結(jié)合料在相同參數(shù)下與瀝青混合料平行老化。為此目的，將薄結(jié)合料膜（≤ 0.5 mm）倒入硅膠模具中，并與瀝青混合料平行老化。
混合料的實(shí)用氧化老化程序是在布倫瑞克工業(yè)大學(xué)道路工程研究所開發(fā)的。在這一老化過程中，先前在強(qiáng)制式攪拌機(jī)中生產(chǎn)的瀝青混合料被均勻鋪設(shè)成2.0厘米的薄層，置于網(wǎng)孔尺寸為0.5厘米的金屬架上，并在保持80°C恒溫、空氣流通良好的烘箱中存放96小時(shí)。（圖 8）。加熱后，瀝青混合料再次造粒，并在強(qiáng)制式攪拌機(jī)中緩慢均勻地分階段加熱至生產(chǎn)溫度 145°C。
新開發(fā)的再生劑由精細(xì)研磨的天然瀝青 Selenizza 和富含不飽和酸的植物油組成（圖 9）。在文獻(xiàn)中廣泛描述了將植物油作為再生劑添加到結(jié)合料中。多項(xiàng)系列測(cè)試報(bào)告稱，通過在 RAP 中使用廢植物油作為再生劑，可以顯著提高抗疲勞性。同時(shí)，增加植物油的使用可能導(dǎo)致瀝青混合料勁度降低，并且由于混合料中結(jié)合料與集料之間的粘結(jié)減弱，車轍發(fā)生的可能性更高。再生劑不僅需要充當(dāng)軟化劑，還必須完全恢復(fù)老化瀝青的化學(xué)和流變性能。為此，天然瀝青 Selenizza 也被適量使用，與植物油結(jié)合生產(chǎn)再生劑，旨在重新平衡 SARA 組成并修正所得結(jié)合料的物理化學(xué)特性，具有實(shí)現(xiàn)高抗車轍性能和形成復(fù)合瀝青相的雙重優(yōu)勢(shì)（得益于天然瀝青高瀝青質(zhì)含量的抗老化特性）。瀝青混合料中可重復(fù)使用的 RAP 最大量將取決于再生劑修正老化瀝青物理和化學(xué)特性的能力。
圖 8：布倫瑞克老化方法
圖 9：實(shí)驗(yàn)室中的再生劑生產(chǎn)
此外，兩種組分的比例對(duì)再生劑的儲(chǔ)存能力以及結(jié)合料和瀝青混合料的性能有相當(dāng)大的影響。
考慮到老化對(duì)瀝青性能的顯著影響，對(duì)結(jié)合料進(jìn)行了各種測(cè)試以研究老化行為和隨后添加的再生劑的影響，這導(dǎo)致了對(duì)瀝青混合料合適配方的初步驗(yàn)證。
由于老化，老化結(jié)合料（JB1、JB1.2 和 JB2）的軟化溫度與參考變體（JA1、JA2）相比有所增加，針入度降低。添加添加劑導(dǎo)致軟化點(diǎn)顯著降低（JC1、JC2），同時(shí)針入度顯著增加（圖 10 和 圖 11）。
除了常規(guī)測(cè)試方法外，大部分性能導(dǎo)向測(cè)試是使用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）進(jìn)行的。從 DSR 分析在 1.59 Hz 荷載頻率和 20°C 至 65°C 溫度范圍內(nèi)的測(cè)試結(jié)果觀察到，老化變體（JB）在整個(gè)溫度范圍內(nèi)比參考變體（JA）具有更大的剛性。再生變體（JC）又回到了初始值的范圍內(nèi)（圖 12）。
在 1.59 Hz 頻率下，溫度從 20°C 到 65°C 掃描的相位角測(cè)試結(jié)果如圖 13 所示?？梢钥闯?，老化變體（JB），特別是與參考變體（JA）相比，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)具有較低的相位角。再生變體（JC）又回到了初始值的范圍內(nèi)。
在先前的研究中，一些作者認(rèn)為老化過程中產(chǎn)生的瀝青質(zhì)與最初存在于瀝青中的瀝青質(zhì)有些不同，并且再生結(jié)合料的瀝青質(zhì)與軟瀝青質(zhì)的比率與原始瀝青顯著不同，這影響了 RAP 混合料的長期性能。再生劑的作用包括通過添加新的軟瀝青質(zhì)來稀釋老化過程中產(chǎn)生的瀝青質(zhì)。根據(jù)一些作者的說法，當(dāng)混合物中樹脂和芳香分的百分比較高時(shí)，可以獲得更好的再生效果。再生劑在瀝青結(jié)合料中的擴(kuò)散可能遵循兩階段機(jī)制。第一步是油在瀝青的軟瀝青質(zhì)相中擴(kuò)散，然后是瀝青質(zhì)遷移到再生的軟瀝青質(zhì)中。
在本研究中，使用 Iatroscan 分析測(cè)定了變體 JB1 和 JC1 各自的 SARA 組成。對(duì)于每個(gè)樣品，進(jìn)行了五次重復(fù)的單獨(dú)掃描，并將五次讀數(shù)的平均值視為結(jié)果。觀察到添加添加劑導(dǎo)致主要 SARA 組的百分比分布存在差異。發(fā)現(xiàn)再生過程導(dǎo)致可極化餾分（即樹脂（較高水平）和瀝青質(zhì)（輕微增加））的增加，同時(shí)伴隨著芳香分和飽和分的減少（圖 14）。
隨后，進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，以研究瀝青混合料的行為以及與參考瀝青混合料相比的混合料性能變化。
實(shí)驗(yàn)計(jì)劃的主要部分包括使用動(dòng)態(tài)軸向拉伸試驗(yàn)（根據(jù) DIN EN 12697-24 和 DIN EN 12697-26）研究和評(píng)估瀝青混合料的勁度和疲勞行為。
疲勞裂縫是瀝青路面最常見的損壞表現(xiàn)之一。當(dāng)瀝青結(jié)合料的內(nèi)聚結(jié)合能和集料-瀝青基體中集料與瀝青結(jié)合料之間的粘附結(jié)合能受到重交通荷載（機(jī)械應(yīng)力）和瀝青混合料快速冷卻（低溫應(yīng)力）的影響時(shí)，就會(huì)發(fā)生疲勞裂縫。機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的疊加導(dǎo)致合成拉應(yīng)力增加，從而增加了開裂的風(fēng)險(xiǎn)。研究瀝青混合料在低溫和中溫下的力學(xué)性能行為至關(guān)重要。在這項(xiàng)研究工作中，間接拉伸疲勞試驗(yàn)研究了瀝青混合料的疲勞和動(dòng)態(tài)特性。所有變體的疲勞函數(shù)測(cè)定在相同的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行，測(cè)試溫度為 20°C，荷載頻率為 20 Hz。20°C 下劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)的疲勞函數(shù)如圖 15 所示?？v軸顯示失效前的荷載循環(huán)次數(shù)，橫軸顯示初始彈性應(yīng)變。觀察到，與老化變體（JB）和參考變體（JA）相比，對(duì)于相同的初始彈性應(yīng)變，再生變體（JC）能承受更多的荷載變化直至宏觀開裂。
關(guān)于勁度，利用時(shí)間-溫度疊加原理建立了測(cè)試溫度與荷載頻率之間的等效關(guān)系，以預(yù)測(cè)不同溫度和荷載頻率組合下的勁度模量。圖 16 顯示了在 10 Hz 頻率下，勁度-溫度函數(shù)的部分摘錄。
圖 12：溫度掃描 G。*
圖 13：溫度掃描相位角
圖 14：SARA 組分分析 - 圖形對(duì)比。
圖 15：動(dòng)態(tài)劈裂拉伸試驗(yàn)的疲勞行為。
在 -20°C 至 ±30°C 的溫度范圍內(nèi)，10 Hz 頻率下的勁度模量-溫度函數(shù)的部分摘錄如圖 16 所示。老化導(dǎo)致在所考慮的溫度范圍內(nèi)勁度模量增加（JA 到 JB），而添加添加劑后勁度模量降低（JB 到 JC）。將再生變體與參考變體（JC-JA）進(jìn)行比較，觀察到再生后的數(shù)值處于參考變體的范圍內(nèi)，甚至更低。
對(duì)瀝青混合料進(jìn)行了抗車轍性能測(cè)試。經(jīng)過 10,000 次循環(huán)后的車轍試驗(yàn)部分結(jié)果如圖 17 所示。觀察到?jīng)]有變體達(dá)到 8 mm 車轍深度的失效標(biāo)準(zhǔn)，并且它們都在允許的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。
為了研究再生添加劑對(duì)瀝青與集料界面粘附粘結(jié)的影響，根據(jù) EN 12697-11 進(jìn)行了滾動(dòng)瓶試驗(yàn)。瀝青覆蓋率如表 8 所示，其中數(shù)值僅有微小偏差。與參考變體 JA 相比，變體 JC（24-72 小時(shí)）的覆蓋率高出 5% 到 10%。
為了驗(yàn)證這項(xiàng)研究工作的結(jié)果，在埃爾福特附近的格羅伊森（Greu?en）鋪設(shè)了一個(gè)試驗(yàn)路段，該路段的上層使用了 100% RAP 與植物油和 Selenizza（圖 18）。
這項(xiàng)研究工作將在未來幾年通過對(duì)鋪設(shè)試驗(yàn)路段的現(xiàn)場(chǎng)長期觀測(cè)進(jìn)一步繼續(xù)，以闡明和更好地描繪工藝改進(jìn)，這將帶來更好的成果和本項(xiàng)目開發(fā)技術(shù)的潛在節(jié)約。此外，有必要制定工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)和使用通用指南，為在其他拌合站實(shí)施統(tǒng)一程序以保證瀝青混合料的均勻質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。
圖 16：勁度模量-溫度函數(shù)
圖 17：車轍試驗(yàn)
表 8：瀝青覆蓋率
圖 18：在 D-99718 格羅伊森（Greu?en）的試驗(yàn)路段。
5. 結(jié)論
近期的研究工作集中在替代性瀝青結(jié)合料上，例如源自天然瀝青和植物油的結(jié)合料。
特別發(fā)現(xiàn)，天然瀝青 Selenizza 強(qiáng)烈影響瀝青的力學(xué)行為，并且隨著天然瀝青含量的增加，降低了改性瀝青的老化敏感性。因此，對(duì)于等效的針入度等級(jí)，原油瀝青與 Selenizza 混合后，比傳統(tǒng)的道路瀝青更耐老化。
天然瀝青的硬化和抗老化特性被有利地用于開發(fā)新的結(jié)合料，將 Selenizza 的高性能和耐久性特性與廢植物油的再生能力相結(jié)合，后者的芳香分、樹脂和飽和分含量與石油瀝青相對(duì)接近。
在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種由天然瀝青 Selenizza 和廢植物油制成的新型結(jié)合料。其特性類似于傳統(tǒng)的 35/50 直餾瀝青，但軟化溫度值更高。
另一條研究路線，反轉(zhuǎn)了天然瀝青 Selenizza 與廢植物油的比例，研究了基于廢植物油和天然瀝青 Selenizza 的再生劑的生產(chǎn)，允許設(shè)計(jì)具有高 RAP 含量的瀝青混合料。通過添加新開發(fā)的再生劑，成功實(shí)施了含有 100% RAP 集料的混合料。
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