再生劑對老化道路石油瀝青性能影響的研究

(張家界市道路橋梁開發(fā)建設(shè)總公司，湖南 張家界 427000)

0 前言

我國開始修建高速公路以來，不到幾十年的時間，全國高速公路里程已達(dá)到萬公里，在里程上即將趕超世界第一的美國。隨著公路里程的增加以及瀝青道路的使用年限的累積，瀝青路面難免會出現(xiàn)各種病害，嚴(yán)重影響行車安全。我國的瀝青路面大部分都存在維修的地方，難免產(chǎn)生大量的廢舊瀝青混合料。廢舊的瀝青混合料如果處置不當(dāng)，不僅是一種對資源的浪費(fèi)，還有可能對環(huán)境產(chǎn)生巨大的危害。廢舊的瀝青混合料如果放置地表，會占用大量的土地空間。如果埋入地下，會嚴(yán)重污染地下水。所以對廢舊瀝青混合料的回收利用，無論對環(huán)境還是對于工程都具有重大的意義。

由于國內(nèi)石油儲量逐漸減少，國內(nèi)學(xué)者[1-3]也提出了很多廢舊瀝青混合料的回收利用方法?？紤]到90號道路石油瀝青的施工工藝與生產(chǎn)成本，其在國內(nèi)的道路修建應(yīng)用中較為廣泛?；厥盏膹U舊瀝青混合料中的瀝青多為中期老化和長期老化后的瀝青，本課題主要研究對老化后的90號道路石油瀝青的回收再生的問題。瀝青的老化表現(xiàn)為，隨著使用年限的增加，瀝青軟化點(diǎn)和粘度逐漸升高，延度和針入度逐漸降低，從而導(dǎo)致瀝青路用性能的降低。再生劑的使用，能夠使得老化后的90號道路石油瀝青的各項(xiàng)物理指標(biāo)恢復(fù)到一定的程度，從而改善再生瀝青混合料的性能，達(dá)到對廢舊瀝青混合料回收再生的效果。

1 原技術(shù)指標(biāo)及試驗(yàn)組織方案

1.1 原材料技術(shù)指標(biāo)

1)90號道路石油瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2)再生劑技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表1 90號道路石油瀝青技術(shù)指標(biāo)表針入度(100g，5s，25℃)/(0 1mm)延度(10℃)/cm軟化點(diǎn)/℃溶解度(三氯乙烯)/%閃點(diǎn)(COC)/℃薄膜烘箱試驗(yàn)(163℃，5h)質(zhì)量損失/%針入度比/%延度(10℃)/cm91754699 42700 963 011(80～100)—(42～52)(99 0)(≥230)(≤10)(≥50)(≥8)注：括號內(nèi)值為技術(shù)要求。

表2 再生劑技術(shù)指標(biāo)化學(xué)組成成分/%物理指標(biāo)膠質(zhì)瀝青質(zhì)芳香分飽和分閃點(diǎn)/℃粘度(60℃)/cpRTFOT后粘度比RTFOT后質(zhì)量損失/%13 37 962 316 32346081 7-2 1

1.2 試驗(yàn)組織方案

1.2.1 試驗(yàn)方法

本研究采用90號道路石油瀝青作為試驗(yàn)原材料，通過薄膜烘箱加熱來模擬瀝青混合料中瀝青的中期和長期老化。試驗(yàn)組老化時間分為6組，分別在6組老化后的90號道路石油瀝青中添加6種不同劑量的同種再生劑，其中有一組為原樣瀝青，直接添加再生劑作為對照組。從而能夠?qū)Ρ妊芯砍隼匣蟮?0號道路石油瀝青在添加不同劑量的再生劑后的各項(xiàng)性能指標(biāo)的變化規(guī)律。

為制備代表不同程度的老化試樣，老化試驗(yàn)時間段分別為4、8、12、16和20 h，老化烘箱溫度設(shè)定為163 ℃。在道路石油瀝青達(dá)到預(yù)定的老化時間后，分別對老化瀝青的軟化點(diǎn)、延度和針入度指標(biāo)進(jìn)行檢測，對比研究各項(xiàng)指標(biāo)的變化規(guī)律。

1.2.2 瀝青老化的室內(nèi)模擬

90號道路石油瀝青在進(jìn)行模擬老化前，放入160 ℃的加熱箱中30 min，使其加熱至流動狀態(tài)。向已用三氯乙烯清洗干凈并已稱重的托盤中注入已加熱至流動狀態(tài)的90號道路石油瀝青50 g±0.5 g，稱完質(zhì)量后將盛有瀝青的4只托盤放入烘箱中的各個盤位中，迅速關(guān)上烘箱門并打開轉(zhuǎn)動開關(guān),隨后設(shè)定烘箱的溫度，使烘箱內(nèi)的溫度在10 min內(nèi)恢復(fù)到163℃。5組試驗(yàn)組的瀝青加熱時間分別為4、8、12、16和20 h。到達(dá)預(yù)定的老化時間后，停止托盤的轉(zhuǎn)動，立刻取出帶有老化瀝青的托盤，并按照規(guī)范要求，瀝青迅速倒入測定瀝青三大指標(biāo)的模具中，以制備試樣見圖1。

1.2.3 再生瀝青的制備

將再生劑放置燒杯中并在120 ℃的烘箱中加熱30 min，使其達(dá)到流動狀態(tài)。薄膜烘箱中的老化瀝青在達(dá)到預(yù)定時間的前5 min時取出，分別注入加熱好的再生劑(3%、6%、9%、12%、15%、18%)，再生劑劑量為再生劑與老化瀝青的質(zhì)量比。然后立即放入旋轉(zhuǎn)烘箱繼續(xù)老化，直至達(dá)到預(yù)定老化時間。隨后進(jìn)行瀝青三大指標(biāo)檢測。根據(jù)瀝青加入再生劑前后的指標(biāo)變化，分析并總結(jié)出不同老化時間對應(yīng)的最佳再生劑用量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 再生瀝青的指標(biāo)變化及數(shù)據(jù)分析

將制備好的再生瀝青按照規(guī)范[4]要求，分別測其針入度、軟化點(diǎn)和延度，其試驗(yàn)結(jié)果見表3。

由表3可知，該種再生劑對老化道路石油瀝青的延度與針入度的恢復(fù)，取得了良好的效果。當(dāng)瀝青老化最短時間4 h時，加入試驗(yàn)組中最大再生劑用量18%，延度指標(biāo)接近原樣瀝青，但仍未完全恢復(fù)。所以該種再生劑對瀝青延度恢復(fù)的作用效果不明顯。

為了能更加直觀地分析瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)與該種再生劑的添加劑量的關(guān)系，繪制其折線圖如圖2～圖4所示。從中可以明確看出，不同程度老化的90號道路石油瀝青隨著再生劑用量的梯度增加，瀝青的各項(xiàng)物理指標(biāo)均有所恢復(fù)。老化后的瀝青其化學(xué)組成成分的含量與原樣新瀝青有所不同，老化后瀝青中的芳香分含量有所下降，而瀝青質(zhì)的比重有所增加。這就使得老化后的瀝青，在物理指標(biāo)上表現(xiàn)為軟化點(diǎn)升高，延度和針入度有所降低。老化瀝青的再生就是添加再生劑等方法，重新調(diào)整瀝青中各化學(xué)組成組分的含量，得到能夠滿足路用性能的再生瀝青。

2.2 老化瀝青最佳再生劑用量的確定

由表3中的數(shù)據(jù)可知，該種再生劑對針入度和軟化點(diǎn)的恢復(fù)效果比較明顯，對延度有所恢復(fù)，但未達(dá)到指標(biāo)要求。所以本課題以針入度和軟化點(diǎn)為主要影響因素，研究老化90號道路石油瀝青與再生劑用量的關(guān)系。當(dāng)老化時間為4 h時，采用數(shù)值內(nèi)插法計(jì)算針入度恢復(fù)到原樣瀝青指標(biāo)時，使用的再生劑用量為[3+3×(91.0-89.7)/(92.1-89.7)]×100%=4.6%，計(jì)算軟化點(diǎn)恢復(fù)到原樣瀝青指標(biāo)時，使用的再生劑用量為[3+3×(46.7-46.0)/(46.7-45.2)]×100%=4.4%，取兩者的均值為(4.6%+4.4%)/ 2=4.5%。所以，當(dāng)瀝青老化4 h時，采用4.5%的再生劑作為最佳再生劑用量。

表3 不同老化程度瀝青隨再生劑用量指標(biāo)恢復(fù)表老化時間/h再生劑用量/%針入度(25℃)/(0 1mm)延度(10℃)/cm軟化點(diǎn)/℃088 151 847 1389 755 546 7692 160 245 24993 863 444 11294 767 142 61596 270 741 31897 674 339 6085 849 748 8387 653 847 1690 159 346 88992 662 045 71293 365 744 51594 968 943 21895 471 442 1085 246 552 0386 751 550 1688 057 248 612989 460 747 11291 163 645 91592 566 444 31894 068 243 2082 644 353 7384 150 151 0686 756 049 216987 359 548 01290 961 946 11591 964 645 01892 565 144 6080 141 155 4382 048 253 8684 954 551 620985 857 950 01287 559 848 81589 361 247 41891 261 846 0

圖2 針入度與再生劑用量關(guān)系圖

圖3 延度與再生劑用量關(guān)系圖

圖4 軟化點(diǎn)與再生劑用量關(guān)系圖

當(dāng)老化時間為8 h時，采用數(shù)值內(nèi)插法計(jì)算針入度恢復(fù)到原樣瀝青指標(biāo)時，使用的再生劑用量為[6+3×(91.0-90.1)/(92.6-90.1)]×100%=7.1%，計(jì)算軟化點(diǎn)恢復(fù)到原樣瀝青指標(biāo)時，使用的再生劑用量為[6+3×(46.8-46.0)/(46.8-45.7)]×100%=8.2%，取兩者的均值為(7.1%+8.2%)/2=7.7%。所以，當(dāng)瀝青老化8 h時，采用7.7%的再生劑作為最佳再生劑用量。

當(dāng)老化時間為12 h時，采用數(shù)值內(nèi)插法計(jì)算針入度恢復(fù)到原樣瀝青指標(biāo)時，使用的再生劑用量為:[9+3×(91.0-89.4)/(91.1-89.4)]×100%=11.8%,計(jì)算軟化點(diǎn)恢復(fù)到原樣瀝青指標(biāo)時，使用的再生劑用量為[9+3×(47.1-46.0)/(47.1-45.9)]×100%=11.8%，取兩者的均值為 (11.8%+11.8%)/2=11.8%。所以，當(dāng)瀝青老化12 h時，采用11.8%的再生劑作為最佳再生劑用量。

當(dāng)老化時間為16 h時，采用數(shù)值內(nèi)插法計(jì)算針入度恢復(fù)到原樣瀝青指標(biāo)時，使用的再生劑用量為:[12+3×(91.0-90.9)/(91.9-90.9)]×100%=12.3%，計(jì)算軟化點(diǎn)恢復(fù)到原樣瀝青指標(biāo)時，使用的再生劑用量為[12+3×(46.1-46.0)/(46.1-45.0)]×100%=12.3%，取兩者的均值為 (12.3%+12.3%)/2=12.3%。所以，當(dāng)瀝青老化16 h時，采用12.3%的再生劑作為最佳再生劑用量。

當(dāng)老化時間為20 h時，采用數(shù)值內(nèi)插法計(jì)算針入度恢復(fù)到原樣瀝青指標(biāo)時，使用的再生劑用量為[15+3×(91.0-89.3)/(91.2-89.3)]×100%=17.7%，計(jì)算軟化點(diǎn)恢復(fù)到原樣瀝青指標(biāo)時，使用的再生劑用量可以從表中直接讀出，其數(shù)值為18.0%，取兩者的均值為 (17.7%+18.0%)/2=17.9%。所以，當(dāng)瀝青老化20 h時，采用17.9%的再生劑作為最佳再生劑用量。

因上述最佳再生劑用量都是經(jīng)過計(jì)算而得，不能夠看到老化瀝青恢復(fù)的直接效果，故選取靠近原樣瀝青指標(biāo)的再生劑用量繪制其指標(biāo)恢復(fù)圖，見圖5～圖7。從中可知，該種再生劑對道路石油瀝青的軟化點(diǎn)和針入度指標(biāo)的恢復(fù)，取得了良好的效果。但延度的恢復(fù)效果不明顯，未能達(dá)到原樣瀝青的要求。此時為達(dá)到良好的效果，往往在老化瀝青加入再生劑的同時，加入適量的同種新瀝青。再生劑往往只能向老化瀝青中補(bǔ)充芳香分，但無法修復(fù)瀝青老化時斷裂的分子鏈。加入新瀝青后，可借助其原本含有的環(huán)氧基團(tuán)與老化瀝青降解產(chǎn)物的端基基團(tuán)發(fā)生化學(xué)接枝反應(yīng)，使老化后斷裂的分子鏈重新連接起來，使得延度也能得到良好的恢復(fù)。

圖5 再生瀝青針入度恢復(fù)圖

圖6 再生瀝青延度恢復(fù)圖

圖7 再生瀝青軟化點(diǎn)恢復(fù)圖

90號道路石油瀝青的老化時間與最佳再生劑用量的關(guān)系如表4所示。

表4 最佳再生劑用量與老化時間關(guān)系表老化時間/h最佳再生劑用量/%老化時間/h最佳再生劑用量/%44 51612 387 72017 91211 8

由圖8可知，瀝青的老化時間與最佳再生劑用量之間存在線性擬合關(guān)系，擬合公式如下所示，其中R2=0.94 ,相關(guān)性較大。

η=1.42ξ+0.79

式中：η為最佳再生劑用量；ξ為TFOT時間。

圖8 最佳再生劑用量與老化時間擬合關(guān)系圖

在實(shí)際工程中，可以測得回收廢舊瀝青混合料中老化瀝青的軟化點(diǎn)和延度，與上文表中的指標(biāo)相對應(yīng)，利用數(shù)值內(nèi)插法確定所測老化瀝青的老化時間，帶入所求公式，即可得到最佳再生劑用量。

3 結(jié)論

本文通過研究90號道路石油瀝青的老化與再生劑對其各項(xiàng)物理指標(biāo)的再生效果，主要得出以下結(jié)論：

1)老化后的道路石油瀝青，可以通過加入適量的再生劑，使老化瀝青的物理指標(biāo)取得一定程度的恢復(fù)效果。

2)再生劑對老化瀝青的軟化點(diǎn)和針入度指標(biāo)的恢復(fù)，取得了良好的效果，但延度的恢復(fù)效果不明顯，未能達(dá)到原樣瀝青的要求。此時為了達(dá)到良好的效果，往往在老化瀝青加入再生劑的同時，加入適量的同種新瀝青，使得延度也能夠得到良好的恢復(fù)。

3)在實(shí)際工程中，可根據(jù)測得回收廢舊瀝青混合料中老化瀝青的軟化點(diǎn)和延度，與上文表中的指標(biāo)相對比，利用數(shù)值內(nèi)插法來確定所測老化瀝青的老化時間，并帶入本文所得擬合公式，即可得到最佳再生劑用量。

[1] 魏榮梅.道路瀝青的老化與再生研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2006.

[2] 沈國印.瀝青混凝土路面再生利用試驗(yàn)分析[J].公路,2003(5):107-111.

[3] 趙玉翠,王翠紅,陳繼軍,等.石油瀝青老化性能研究[J].石油瀝青,2000(4):1-5.

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