我国沥青路面建设在快速发展后已逐渐转化为“建养并重”阶段^[1]。合理地运用道路翻新养护过程中产生的废旧沥青混合料，不仅能够节约筑路资源，还能减少筑路过程中原材料生产和运输阶段的碳排放，符合我国“双碳”战略^[2-4]。然而，在长期的服役过程中，沥青材料在自然环境作用下发生老化，导致性能降低，无法直接应用于路面建设^[5]。

通过对沥青进行再生，能够切实有效地恢复废旧沥青混合料的性能^[6]。合理地选择沥青再生剂不仅能有效恢复沥青路面性能，还能节约建设成本。当前，大量与沥青材料具有相似分子结构的废旧油材料，如废机油(Waste Engine Oil, WEO)、厨余油(Waste Cooking Oil, WCO)、废生物油(Waste Bio Oil, WBO)等被用于沥青再生领域。Fakhri等^[7]研究发现WEO能够降低老化沥青的黏度，并提升其低温抗裂性能。Zhao等^[8]分析了WCO不同组分对再生沥青性能的影响，发现WCO能够降低老化沥青的脆性。Kumar等^[9]将废旧轮胎热解油作为再生剂添加至老化基质沥青与聚合物改性沥青内，发现废旧轮胎热解油能很好地恢复老化沥青的性能，热解油最佳掺量为9%。张彦琦等^[10]将WCO与聚氯乙烯(PVC)材料复合后对老化沥青进行再生，发现5%的WCO能较好地补充老化沥青的轻质组分，提升再生沥青的低温抗裂性能。罗浩原等^[11]对比了不同废油加入老化基质沥青后二次老化沥青的性能与组分变化，发现不同废油均能够补充老化沥青的轻质组分，且废生物油具有最好的抗二次老化性能。徐朋朋^[12]研究发现将WEO作为再生剂对老化沥青进行再生，不仅能提升沥青性能，还具有巨大的社会经济效益。将废油作为再生剂不仅能提升老化沥青性能，还能减少环境污染，实现废物利用。然而，当前对废油再生沥青的研究主要关注于基质沥青，缺乏对于我国高速公路常用的苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)改性沥青再生的研究。

本研究选择厨余油、废生物油及废机油作为沥青再生剂，将其加入老化SBS沥青中。采用温度扫描、频率扫描、多应力重复蠕变(MSCR) 试验、线性振幅扫描(LAS)及弯曲梁蠕变(BBR) 试验，对不同废油再生SBS沥青全温度域内的流变性能进行评价。采用四组分分析与荧光显微镜试验，探究不同废油对老化SBS沥青的再生机理。

采用山东某公司生产的I-D型SBS改性沥青。其技术指标见表 1。

选择厨余油、废生物油及废机油作为老化SBS沥青的再生剂。厨余油来自某煎炸食品店，将煎炸废油进行沉淀除絮过滤后即可作为沥青再生剂；废生物油为采用废旧植物油制得的生物燃料柴油；废机油从家用小汽车中回收。3种废油的基本性能见表 2。

采用《公路工程沥青与沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中规定的压力容器老化试验模拟SBS沥青的长期老化过程。将经过短期老化的SBS沥青在90 ℃和2.1 MPa的环境下进行20 h的PAV试验，模拟实际使用环境下7~8 a的自然热氧老化^[13]。

废油再生沥青采用高速剪切法制备，具体制备方案如下：首先将经过PAV老化的SBS沥青放入180 ℃烘箱内加热至融化状态，随后称取300 g老化沥青加入容器，并加入15 g废油，采用高速剪切机对沥青进行剪切搅拌。剪切温度为170 ℃，剪切速率为3 000 r/min，剪切时间为40 min，即制得再生SBS沥青。为了方便分析，下文中将未老化、老化SBS沥青，厨余油、废生物油及废机油再生沥青分别简写为SBS，PAV，WCO，WBO，WEO。

采用动态剪切流变仪对再生沥青进行如下试验，以研究再生沥青的高温流变性能。

温度扫描试验按6 ℃的间隔，从46 ℃到76 ℃，应力水平为3%，加载角频率为10 rad/s。频率扫描试验以10 ℃作为温度间隔，从40 ℃到80 ℃，应力水平为3%，角频率范围为0.1~100 rad/s。多应力重复蠕变试验按ASTM规程进行，试验温度为58 ℃。

按AASHTO TP 101-12的规程，在进行线性振幅扫描(LAS)试验前，需对沥青进行长期老化试验。因此仅对老化后的SBS沥青及3种废油再生沥青进行LAS试验，试验温度为25 ℃。试验结束后，按黏弹性连续介质损伤(Visco Elastic Continuum Damage, VECD) 力学理论模型计算沥青的疲劳寿命。

对不同沥青在-12 ℃条件下进行弯曲梁蠕变(BBR)试验，得到劲度模量S及蠕变速率m，用以评价沥青的低温抗裂性能。

按JTG E20—2011的规定，采用色谱柱法和DM2700P型荧光显微镜对不同再生沥青的化学组分进行试验，分析SBS沥青的老化与再生机理。

根据温度扫描得到不同沥青的复数模量和相位角，如图 1所示。

图 1 不同沥青复数模量及相位角与温度曲线 Fig. 1 Curves of complex modulus and phase angle vs. temperature of different asphalts

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由图 1可以看出，随着温度的升高，沥青逐渐由黏-弹态转化为黏-流态，其复数模量减小，相位角增大。经过长期老化后，PAV沥青的复数模量显著增大，远远高于未老化SBS沥青及再生沥青。这表明长期热氧作用后，沥青硬度增大，高温抗车辙性能得到提升。当掺入废油后，3种废油再生SBS沥青的复数模量相比PAV沥青大幅降低，其中厨余油与废生物油的复数模量略小于未老化SBS沥青。这是由于厨余油与废生物油中含有大量轻质组分，能够软化沥青，同时由于厨余油与废生物油自身黏度较低，能够较好地与老化沥青融合，进而使沥青硬度减小，抗变形能力降低。而在废机油中，由于其自身黏度较大，且含有部分大分子灰分，这导致废机油的再生沥青复数模量虽小于PAV沥青，但仍高于未老化SBS沥青。从相位角变化趋势可以看到，PAV沥青相位角小于未老化沥青，且其随温度升高而增大的趋势略小于原样沥青。对再生沥青而言，厨余油与废生物油相位角大于原样SBS沥青，废机油相位角小于PAV沥青。这表明SBS沥青在长期老化后，沥青轻质组分散失且内部聚合物结构发生裂解破坏，导致PAV沥青的强度更大，表现为相位角减小；在掺入厨余油与废生物油后，补充了大量轻质组分，使得沥青软化，造成沥青黏性成分增加和相位角增大；而废机油中由于含有部分灰分等杂质，会增加沥青的强度，使相位角略小于PAV沥青。

将不同沥青的频率扫描结果通过时温等效原理转化为60 ℃下的复数模量及相位角主曲线，以此评价沥青的高温黏弹特性。不同沥青的复数模量主曲线见图 2，相位角主曲线见图 3。

图 2 不同沥青60 ℃主曲线 Fig. 2 Master curves of different asphalts at 60 ℃ 注：ω为加载角频率，G*为复数模量，δ为相位角。

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图 3 不同沥青MSCR试验结果 Fig. 3 MSCR test result of different asphalts

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如图 2(a)所示，在全频率域内，PAV沥青的复数模量远大于未老化SBS沥青及不同再生沥青。这与温度扫描结果一致，即长期老化后沥青的高温抗变形能力增强。未老化SBS沥青与3种再生沥青的复数模量主曲线形状并没有显著差异，但仍可看出废机油再生沥青的复数模量略高于其他3种沥青。这表明使用废机油对SBS沥青进行再生，不仅能较好地软化沥青，还能保证具有良好的高温性能。从图 2(b)可以看出，在相同加载频率下，PAV沥青与再生沥青的相位角大小排列与温度扫描结果类似。随着加载频率的增大，原样SBS沥青的相位角随加载频率呈现正弦曲线规律，而PAV及废油再生沥青的相位角表现出先减小再增大的趋势，这表明SBS沥青在长期老化后，其黏弹特性发生了显著改变。在低频区域，原样SBS沥青中的三维网状结构使得沥青具有较好的弹性性能，相位角较小。而在老化后，聚合物结构破坏，导致低频区域老化沥青的相位角增大，这种变化仅通过废油补充轻质组分是无法恢复的。

根据MSCR试验，得到用于评价沥青高温抗车辙性能的2个指标(蠕变恢复率R及不可恢复蠕变柔量J_nr)。不同再生沥青的MSCR试验结果如图 3所示。

由图 3(a)可以看出，在0.1 kPa应力水平下，不同沥青的R相差不大，均高于80%。而当应力水平为3.2 kPa时，不同沥青的R呈现出明显差异，且与0.1 kPa应力水平表现出不同的变化规律。PAV沥青的R在0.1 kPa应力下小于未老化SBS沥青，而在3.2 kPa应力下比SBS沥青高出10%。对废油再生沥青来说，当应力水平较大时，废油再生沥青的R高于未老化沥青，而在低应力水平下则小于未老化沥青。产生这种现象的原因是，未老化的SBS沥青中含有大量三维网状结构，在较低应力水平下，能够及时消散应力，提升其弹性恢复性能^[14-15]。当沥青老化后，沥青中的聚合物网络被破坏，无法及时传递应力，这就导致在较低应力水平下老化与再生沥青的R小于未老化SBS沥青。在较高应力水平下，由于SBS沥青较差的应力敏感性，使得其R较低，而在老化与再生沥青中存在SBS降解后产生的大量大分子，这增加了沥青的硬度，从而提高了沥青的弹性恢复能力。

不可恢复蠕变柔量J_nr表示沥青在重复荷载作用下不可恢复变形的累积量。J_nr越大，沥青的抗永久变形能力越差^[16]。由图 3(b)可知，PAV沥青的J_nr在2个应力水平下均是所有沥青中最小的，即PAV沥青高温抗车辙能力优于废油再生沥青。可以看到，在0.1 kPa应力水平下，3种废油再生沥青的J_nr都大于未老化SBS沥青，而在3.2 kPa应力水平下，废油再生沥青的J_nr均小于未老化SBS沥青。这同样是由于原样SBS沥青应力敏感性较差导致的。对比3种废油再生沥青的J_nr可以看出，在不同应力水平下，废生物油再生沥青的J_nr明显高于厨余油及废机油再生沥青。这表明采用废生物油作为再生剂，对沥青抗车辙能力会产生较大的不利影响。

通过LAS试验能够评价沥青在中温域内的抗疲劳性能，并通过VECD模型计算不同沥青的疲劳寿命^[17]。沥青应变与应力关系曲线见图 4，由VECD模型计算得到的不同沥青疲劳寿命见图 5。

图 4 不同沥青应变-应力关系曲线 Fig. 4 Strain-stress curves of different asphalts

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图 5 沥青在不同应变水平下疲劳寿命 Fig. 5 Fatigue lives of asphalt at different strain levels

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由图 4可以看出，随着应变的增大，沥青剪切应力逐渐增加至峰值随后降低。在任意应变水平下，长期老化后的沥青剪切应力显著高于3种废油再生沥青，这是因为再生剂的加入补充了轻质组分，使得沥青变软，从而导致剪切应力减小。在相同应变水平下，3种再生沥青的剪切应力由小到大的排序依次为厨余油、废生物油、废机油，这是由于3种再生剂轻质组分含量不同所导致的。同时可以看到，再生剂加入后，峰值应力出现的应变水平没有太大差距，但在峰值处的宽度增大，这表明再生剂的加入降低了沥青的应变敏感性。

图 5中，γ为加载应变，N_f为由VECD模型计算得到的该加载应变下沥青疲劳寿命。由图 5可知，再生沥青的疲劳寿命相比于PAV沥青均有所提升，2.5%峰值应变下，厨余油、废生物油、废机油再生沥青的疲劳寿命相比PAV分别提升了131.5%，16.9%，8.2%。5%峰值应变下，厨余油、废生物油、废机油废油再生沥青的疲劳寿命相较PAV沥青分别提升了113.3%，45.8%，13.5%。这表明采用废油作为沥青再生剂能有效延长老化沥青的疲劳寿命。通过补充老化沥青挥发的轻质组分，使得沥青变软，在性能恢复的同时能提高荷载作用次数，进而延长沥青的疲劳寿命。3种废油中，厨余油含有大量饱和分与芳香分，能够最大程度地软化沥青，提高疲劳性能。废机油中由于含有部分大分子灰分，提高了沥青强度，因而其对沥青疲劳性能的恢复效果不如厨余油与废生物油。

不同沥青在-12 ℃下的BBR试验结果如图 6所示。

图 6 沥青BBR试验结果 Fig. 6 BBR test result of asphalt

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由图 6可知，经过长期老化后，SBS沥青的劲度模量S相比于未老化沥青增加了87.8%，且蠕变速率m减小。这表明在热氧老化作用下，沥青变得更硬更脆，低温抗裂能力减弱。由于聚合物SBS的降解破坏使应力松弛能力降低，表现为m减小。当加入废油后，3种再生沥青的S都有所减小，但仍大于未老化SBS沥青。通过补充再生剂的轻质组分能降低沥青硬度，使沥青低温性能有所恢复，但由于SBS降解而导致的性能降低，仅通过补充轻质组分是无法完全恢复的。3种再生沥青的m小于未老化SBS沥青，大于PAV沥青，这与劲度模量的变化规律一致。由图 7可以看出，废生物油再生沥青在3种再生沥青中劲度模量最小，蠕变速率最大，这表明废生物油再生沥青在3种废油再生沥青中具有最好的低温性能。

图 7 沥青四组分分析结果 Fig. 7 Result of 4-component analysis of asphalt

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为分析不同再生剂的再生机理，对不同沥青进行四组分分析试验，结果见图 7。

可以看到，经过长期老化后，PAV沥青中沥青质、胶质比例增加，芳香分、饱和分比例减少。一方面是由于沥青在热、氧作用下，轻质组分挥发，同时饱和分等成分氧化成重质组分；另一方面，沥青中聚合物SBS发生氧化导致碳碳双键断裂，聚合物降解使沥青中重质组分比例上升^[18-19]。将再生剂掺入沥青后，再生沥青中芳香分含量增加，沥青质比例有所降低。厨余油再生沥青的芳香分含量是3种再生沥青中最多的。这是由于厨余油的主要成分为芳香分等轻质组分，将其加入再生沥青能显著提升沥青的芳香分比例。由于轻质组分的增加，使沥青质与胶质的比例相比老化沥青有所降低，但降低幅度并不大。废机油再生沥青中，芳香分比例是再生沥青中最少的，但其饱和分含量也有所增加，且胶质比例略高于其他2种再生沥青。

为了评价不同废油对于沥青组分调节的差异，根据式(1)计算胶体的不稳定指数I_c，并以此来评价不同废油再生沥青的胶体结构稳定性。I_c越小，说明沥青胶体结构越稳定^[20-21]。

(1)

式中，C_a为饱和分含量；C_s为芳香分含量；C_g为胶质含量；C_r为沥青质含量。

按式(1)计算的各沥青的I_c见表 3。

由表 3可以看到，未老化的SBS沥青胶体稳定性指数最小，表明SBS沥青有良好的胶体稳定性。当长期老化后，沥青的I_c显著增大，其胶体稳定性变差。当使用厨余油或废机油对老化沥青进行再生后，其I_c略大于PAV沥青。这是因厨余油中饱和分含量较大，而废机油中沥青质含量较高所导致的。废生物油再生沥青的I_c小于PAV沥青，说明使用废生物油对老化沥青进行再生后具有良好的胶体稳定性。

通过荧光显微镜能对SBS沥青中聚合物形态进行观测，并以此来分析SBS沥青的老化和再生机理。

在荧光显微镜图像中，亮色为聚合物材料。未老化SBS沥青中，聚合物较好地溶胀发育，形成均匀的网状结构。当经过长期热氧老化后，SBS聚合物发生降解破坏，原有网状结构几乎消失，荧光显微镜图像中只能看到分解成游离状态的大分子聚合物。在老化沥青中加入厨余油后，SBS的分布没有明显变化，这表明厨余油的改性机理仅为单纯地补充沥青中损失的轻质组分，对聚合物相没有影响。废生物油掺入老化SBS沥青后，聚合物的分布情况与厨余油再生沥青相似。当掺入废机油后，再生沥青中出现了较多的聚合物成分，这可能是由于废机油中含有的大分子灰分所产生的荧光。

本研究对比了3种废油对老化SBS沥青流变性能的影响，并对再生机理进行简要分析，得到如下结论：

(1) 老化后SBS沥青的轻质组分减少，聚合物降解，强度提升，弹性成分增加，高温抗变形能力提升。掺入废油后能补充轻质组分，软化沥青，降低抗车辙性能。3种再生沥青中，废机油再生沥青具有良好的高温抗变形能力。

(2) 将废油加入老化沥青后延长了疲劳寿命，且厨余油对于疲劳寿命的恢复效果最好。相比老化沥青，厨余油疲劳寿命提升了110%以上。同时，废油能提升老化沥青在较大应变条件下的疲劳寿命。

(3) SBS沥青老化后低温脆性增大，应力松弛能力降低，低温抗裂性能减弱。加入废油能使老化沥青的低温性能部分恢复，废生物油对于沥青低温性能的恢复效果最好。

(4) 厨余油中含有大量轻质组分，能够较好地恢复老化沥青的性能，但对老化后的聚合物并没有太大影响。废生物油对老化SBS沥青的再生机理与厨余油类似，且废生物油再生沥青的胶体稳定性最好，低温抗裂性能最佳。废机油中轻质组分含量较少，但其中含有部分大分子灰分物质，能够提升沥青的抗变形能力。