阿布森回收SBS改性瀝青的試驗(yàn)研究

鄒桂蓮，秦歡，吳欣

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

SBS改性瀝青從20世紀(jì)80～90年代引進(jìn)中國，因其可顯著改善路用性能，廣泛應(yīng)用于中國高等級(jí)公路瀝青路面。目前SBS改性瀝青路面已經(jīng)大面積進(jìn)入一次或多次大修、重建階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國每年產(chǎn)生的道路廢舊瀝青量約8 000萬t，其中廢舊改性瀝青混合料的數(shù)量約占20%以上，對(duì)數(shù)量龐大的舊SBS改性瀝青混合料進(jìn)行循環(huán)利用，成為道路行業(yè)綠色發(fā)展的重要組成部分。

正確評(píng)價(jià)舊瀝青混合料中瀝青的老化程度是整個(gè)再生過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是再生混合料設(shè)計(jì)等后續(xù)工作的前提，而準(zhǔn)確、客觀地評(píng)價(jià)舊瀝青性能以從舊瀝青混合料中正確回收瀝青為基礎(chǔ)。JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中關(guān)于阿布森法回收瀝青是根據(jù)普通瀝青而制定的，已有研究表明：采用該方法回收SBS改性瀝青存在溶劑殘留問題，導(dǎo)致回收瀝青各項(xiàng)指標(biāo)不能真實(shí)反映舊瀝青性能。該文以阿布森回收方法為試驗(yàn)基礎(chǔ)，通過空白瀝青標(biāo)定試驗(yàn)對(duì)其試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，探討舊SBS改性瀝青能否回收，以及適用于SBS改性瀝青的阿布森回收試驗(yàn)方法。

1 原材料

1.1 SBS改性瀝青

試驗(yàn)中使用的瀝青為中石油公司生產(chǎn)的質(zhì)量合格的兩種改性瀝青，關(guān)鍵性能指標(biāo)如表1所示。

1.2 回收溶劑

相關(guān)研究表明：與甲苯、甲苯與乙醇混合溶液、二氯甲烷、溴丙烷等溶劑相比，三氯乙烯與瀝青具有更好的溶解性、低毒性，在蒸餾過程中更容易被蒸發(fā)，回收瀝青速度較快、更徹底，因此研究采用三氯乙烯作為溶劑。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方案設(shè)計(jì)

2.1 蒸餾裝置

阿布森法回收瀝青試驗(yàn)裝置中采用平底燒瓶為500 mL，但經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其容積較小，一次回收瀝青數(shù)量較少，在蒸餾過程中，溶液容易發(fā)生爆沸，因此試驗(yàn)改用1 000 mL蒸餾燒瓶，受熱面更大，一次回收數(shù)量更大、安全性更好。其余部件采用規(guī)范所規(guī)定的設(shè)備。

表1 SBS改性瀝青指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

阿布森回收試驗(yàn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)多，極易引起試驗(yàn)誤差，只有固定各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)才能規(guī)范試驗(yàn)方法。研究方案設(shè)計(jì)如下：

(1) 配制回收瀝青溶液，控制溶液濃度?；厥諡r青溶液濃度與數(shù)量影響試驗(yàn)操作與結(jié)果的穩(wěn)定性，為避免試驗(yàn)誤差，配制1∶6(瀝青質(zhì)量∶三氯乙烯質(zhì)量)濃度的回收溶液。

(2) 通過空白瀝青標(biāo)定，確定試驗(yàn)操作的關(guān)鍵參數(shù)。采用已知性能指標(biāo)的改性瀝青作為空白瀝青，通過試驗(yàn)標(biāo)定，確定蒸餾溫度、CO2通氣量、持續(xù)加熱時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)。

(3) 試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 溶劑回收的機(jī)理與試驗(yàn)控制的關(guān)鍵參數(shù)

3.1 溶劑回收的機(jī)理

不論是阿布森法還是旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器回收瀝青的試驗(yàn)方法，都是利用有機(jī)溶劑將舊瀝青從集料上溶解下來，形成溶液，然后再用蒸餾裝置，將有機(jī)溶劑從溶劑中蒸發(fā)出去，冷凝成有機(jī)溶液，而將舊瀝青留存下來。試驗(yàn)的目標(biāo)是將有機(jī)溶劑徹底、快速地蒸餾出去，同時(shí)不改變舊瀝青的性質(zhì)。

回收過程可用動(dòng)力學(xué)流動(dòng)效應(yīng)及界面力學(xué)分析。蒸餾溫度一般為155～165 ℃，遠(yuǎn)高于三氯乙烯沸點(diǎn)86.7 ℃，此時(shí)，在不可壓縮的混合溶液中，三氯乙烯分子穿過溶液時(shí)，運(yùn)動(dòng)所需要的力F和速度v、摩擦系數(shù)μf的關(guān)系如式(1)所示。

(1)

摩擦系數(shù)可由斯托克方程計(jì)算：

μf=6πRη

(2)

式中：R為混合溶液表面張力；η為液體黏度。

分子的擴(kuò)散系數(shù)D0可由愛因斯坦方程計(jì)算：

(3)

式中：k為常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度(K)。

結(jié)合以上兩式可得到液體介質(zhì)中粒子的擴(kuò)散方程：

(4)

由式(4)可知：分子的擴(kuò)散與溶液的黏度成反比，溶液濃度越大，黏度越高，因此為規(guī)范回收過程，瀝青與三氯乙烯的回收溶液濃度應(yīng)該相對(duì)固定。眾所周知，改性瀝青的黏度高于普通瀝青黏度，因此三氯乙烯分子在改性瀝青溶液中運(yùn)動(dòng)更困難，回收難度更大。

另外，當(dāng)三氯乙烯運(yùn)動(dòng)到溶液表面，最終脫離溶液蒸發(fā)出去，需要突破表面張力，在理想體系中，兩相溶液的表面張力可用式(5)表示：

σmix=σ1X+σ2(1-X)

(5)

式中：σmix為混合溶液表面張力；σ1、σ2為相應(yīng)組分的表面張力；X為混合物中組分1的摩爾分量。

表面張力是動(dòng)態(tài)變化的，隨著蒸餾過程延續(xù)，瀝青組分逐漸增加，表面張力逐漸提高，三氯乙烯越來越難以蒸餾出去。改性瀝青的表面張力高于普通瀝青的表面張力，因此也導(dǎo)致改性瀝青的回收溶液回收難度大。

3.2 試驗(yàn)控制的關(guān)鍵參數(shù)

由機(jī)理分析可知：為了快速、徹底地從改性瀝青回收溶液中蒸餾出三氯乙烯，試驗(yàn)控制的關(guān)鍵參數(shù)與可采取的措施如下：

(1) 控制溶液濃度與回收數(shù)量。溶液濃度越大，黏度越高，分子的擴(kuò)散速度越慢，為規(guī)范回收過程，控制瀝青與三氯乙烯的回收溶度濃度為1∶6，且每次回收出來的SBS改性瀝青數(shù)量為100～120 g，以此為基礎(chǔ)，試驗(yàn)過程的其他參數(shù)才能固定下來。

(2) 蒸餾溫度。式(4)表明：分子的擴(kuò)散與溫度成正比，溫度越高，擴(kuò)散速度越快。有關(guān)表面張力的相關(guān)文獻(xiàn)也表明：溫度升高，表面張力下降，表面遷移性增大。但蒸餾溫度不宜過高，否則SBS改性劑將發(fā)生裂解，回收的瀝青將無法真實(shí)反映SBS改性瀝青的特性。綜合考慮，阿布森法的恒溫油浴初始設(shè)定溫度由規(guī)范中推薦的155～165 ℃(適用于普通瀝青)提高至170～175 ℃，此時(shí)實(shí)測溶液內(nèi)部溫度穩(wěn)定在165～170 ℃之間。

(3) CO2通氣量。試驗(yàn)過程中通入的CO2氣體可以使溶液持續(xù)翻騰，有助于三氯乙烯分子的擴(kuò)散與表面遷移，防止蒸發(fā)出去的三氯乙烯倒流回?zé)?，另外也有助于阻止改性瀝青的氧老化。

與普通瀝青相比，SBS改性瀝青是一個(gè)更復(fù)雜的體系，分散相SBS改性劑與連續(xù)相瀝青形成了共混復(fù)相結(jié)構(gòu)體系，SBS改性瀝青含有大量大分子組分，具有更高的內(nèi)聚強(qiáng)度與黏度，內(nèi)部分子的擴(kuò)散以及表面遷移更難。隨著蒸餾過程的持續(xù)，溶液濃度逐漸增高，溶液黏度與表面張力增大，普通瀝青回收試驗(yàn)的通氣量[(1 400±50) mL/min]不能維持溶液充分翻騰的狀態(tài)，不利于徹底地回收三氯乙烯。因此，適度提高CO2通氣量，保持溶液的翻騰狀態(tài)，促使溶劑的徹底回收，加速回收過程，避免瀝青老化。

(4) 延時(shí)加熱時(shí)間。延時(shí)加熱時(shí)間指的是溶劑停止下滴后維持加熱并持續(xù)通入CO2氣體的時(shí)間。大量文獻(xiàn)試驗(yàn)顯示，即使是少量的三氯乙烯也會(huì)對(duì)瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)產(chǎn)生較大的影響。當(dāng)殘留有0.5%的溶劑，回收瀝青的黏度就會(huì)降低50%。

4 空白改性瀝青標(biāo)定與關(guān)鍵參數(shù)確定

采用已知性能指標(biāo)的瀝青作為空白瀝青，配制1∶6濃度的回收溶液，改變回收試驗(yàn)的關(guān)鍵控制參數(shù)，檢測回收瀝青的關(guān)鍵性能指標(biāo)，以快速、徹底回收溶劑，最大程度維持改性瀝青關(guān)鍵指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，確定控制參數(shù)。

4.1 按現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程回收空白改性瀝青

按照現(xiàn)行的阿布森法試驗(yàn)規(guī)程中的控制參數(shù)回收SBS改性瀝青，采用SBS改性瀝青1#原樣樣品作為空白瀝青，試驗(yàn)控制參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果如表2所示?；厥赵囼?yàn)結(jié)果表明:回收瀝青針入度過大，軟化點(diǎn)過小，延度增大，黏度下降、彈性恢復(fù)略有增大，說明按照現(xiàn)行的阿布森法試驗(yàn)規(guī)程中的控制參數(shù)回收SBS改性瀝青溶劑殘留較多，控制參數(shù)需要優(yōu)化。

4.2 關(guān)鍵控制參數(shù)優(yōu)化

按照前文所述，改變關(guān)鍵控制參數(shù)，優(yōu)化改性瀝青回收過程。首先將改性瀝青回收的恒溫油浴設(shè)定溫度提高至170～175 ℃；其次，改變CO2通氣量、延長延遲加熱時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)果如表3、4所示。

表2 按現(xiàn)行規(guī)程回收空白改性瀝青的試驗(yàn)結(jié)果

注：回收試驗(yàn)控制參數(shù)為：油浴溫度：160 ℃；通氣量：1 400 mL/min；延遲加熱時(shí)間：5 min。

表3 CO2通氣量對(duì)回收改性瀝青性能的影響

注：1 400/1 600(mL/min)表示起始通氣量設(shè)置為[(1 400±50) mL/min]，當(dāng)三氯乙烯蒸發(fā)量減少且穩(wěn)定地以滴狀蒸餾時(shí)，將氣流量設(shè)置為[(1 600±50) mL/min]，以此類推。

由表3可知：當(dāng)CO2氣流量為1 400 mL/min，三氯乙烯基本停止下滴時(shí)，調(diào)大通氣流量，三氯乙烯繼續(xù)蒸餾出來。從表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出：通氣流量越大，三氯乙烯蒸餾越徹底，延時(shí)加熱40 min，CO2氣流量調(diào)至1 600 mL/min所得回收瀝青與空白瀝青相比針入度、延度偏大，軟化點(diǎn)偏小，表明溶劑仍有少量殘留；CO2氣流量調(diào)至1 700 mL/min組回收瀝青與空白瀝青指標(biāo)基本一致，而第3組通氣條件下，回收瀝青有輕微老化現(xiàn)象，且通氣流量過大，操作控制難度增大。綜合確定，CO2氣流量1 400 mL/min條件下，三氯乙烯基本停止下滴時(shí)(過早調(diào)大至1 700 mL/min易引起爆沸)，調(diào)大通氣流量至1 700 mL/min，繼續(xù)蒸餾至三氯乙烯停止下滴后，持續(xù)按1 700 mL/min吹入CO2，進(jìn)入延時(shí)加熱階段。

由表4可知：延時(shí)加熱時(shí)間越長，溶劑回收越徹底，延時(shí)加熱時(shí)間過長，瀝青呈現(xiàn)老化。延時(shí)加熱40 min時(shí)，回收瀝青與空白瀝青性能基本一致，而只要減少延時(shí)加熱15 min，針入度、軟化點(diǎn)、延度的試驗(yàn)結(jié)果就出現(xiàn)顯著偏差。而增加延時(shí)加熱20 min，雖然呈現(xiàn)老化，針入度偏小、軟化點(diǎn)增大，但相比延時(shí)加熱偏短，溶劑略有殘留相比，三大指標(biāo)變化偏小，但彈性恢復(fù)下降較快。

表4 延遲加熱時(shí)間對(duì)回收改性瀝青性能的影響

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)采用優(yōu)化后的試驗(yàn)條件參數(shù)(通氣量1 400/1 700 mL/min，延時(shí)加熱40 min)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證采用RTFOT后的SBS改性瀝青1#、SBS改性瀝青2#分別作為空白瀝青1#與空白瀝青2#，驗(yàn)證結(jié)果如表5所示?；厥盏腟BS改性瀝青的三大指標(biāo)與特征性流變指標(biāo)彈性恢復(fù)與黏度均與空白瀝青基本一致，一方面說明SBS改性瀝青可以采用阿布森方法回收；另一方面說明優(yōu)化后的條件參數(shù)是合適的。

表5 SBS改性瀝青回收驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

通過阿布森法SBS改性瀝青回收機(jī)理分析與試驗(yàn)控制參數(shù)的調(diào)整、驗(yàn)證，可以得出以下主要結(jié)論：

(1) SBS改性瀝青可以采用阿布森法回收，只要試驗(yàn)控制參數(shù)設(shè)定適當(dāng)，回收過程基本不改變改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)與流變特性。

(2) 由回收機(jī)理分析可知：回收溶液濃度與數(shù)量、加熱溫度、CO2通氣量、延遲加熱時(shí)間為關(guān)鍵控制參數(shù)。

(3) 改性瀝青回收溶液濃度宜控制為1∶6，每次回收瀝青數(shù)量100～120 g，油浴加熱溫度提高至170～175 ℃，當(dāng)三氯乙烯基本停止下滴時(shí)，將CO2通氣流量由1 400 mL/min調(diào)大至1 700 mL/min，該文試驗(yàn)確定延遲加熱時(shí)間為40 min是適宜的。

(4) 瀝青黏度影響擴(kuò)散速度、表面遷移性，該文采用的改性瀝青135 ℃黏度為2 Pa·s左右，當(dāng)舊改性瀝青黏度變化較大，更換回收裝置、更換回收試劑時(shí)，需要重新進(jìn)行空白瀝青標(biāo)定，以確定回收瀝青時(shí)的關(guān)鍵控制參數(shù)。

(5) 溶劑略有殘留相比略有老化對(duì)回收瀝青指標(biāo)影響更顯著，因此延遲加熱時(shí)間寧長勿短。