瀝青再生劑基礎油分評價與再生機理研究

2020-09-27 01:06:46

石油瀝青 2020年4期

（1.齊魯交通材料技術開發有限公司，濟南 250101 2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804）

瀝青混凝土路面在長期使用后，在熱、氧、車載作用下會逐漸發生老化，出現路面裂縫、松散等病害，為了恢復路面性能，保持一定的道路服務水平，就必須對舊瀝青路面采取養護維修措施。在舊路改造中，瀝青混凝土再生技術能有效利用利用廢舊路面材料（RAP），降低生產成本，有利于環保減排，具有明顯的經濟效益和社會效益，在工程中應用日益廣泛[1]。

由于回收得到的RAP 料老化較為普遍嚴重，進行熱再生時往往需添加一定比例瀝青再生劑以恢復老化瀝青性能[2]。國內外學者對老化瀝青再生劑進行了大量的研究與開發工作，經廣泛調研，目前市場上大多數再生劑主體部分使用低黏度基礎油分進行老化瀝青還原，輔以多種添加劑提升再生劑的擴散性和抗老化性，因此，再生劑中基礎油分對再生瀝青的性能起決定作用[3]。

本文以六種可用于再生劑的基礎油為研究對象，對其再生機理與再生效果進行評價，為老化瀝青再生劑的設計與開發提供一定的理論參考。

1 試驗部分

研究中首先參照實際工程瀝青老化情況，進行模擬老化瀝青的制備，再從微觀角度對再生劑中基礎油分的還原機理進行分析，并對基礎油分的還原效果進行評價。以下詳細介紹了試驗材料、制備方法和性能檢測方法。

1.1 試驗材料

試驗原材料包括基質瀝青與多種基礎油分。

1.1.1 基質瀝青

試驗中選用70 號基質瀝青，其主要技術指標檢測結果如表1所示。

1.1.2 基礎油分

再生劑中的基礎油分應具備較低的黏度和較高的閃點，以保證熱再生過程中良好的擴散性和安全性。本研究選用了幾種可用于再生劑的基礎油分，包括石油系油品： 60N 基礎油、150N 基礎油、光亮油150BS、芳烴油；塑化劑類油品：葵二酸二辛脂（DOS）、偏苯三酸三辛酯（TOTM），各原材料基本性質如表2所示。

1.2 再生瀝青制備方法

將各基礎油分按一定比例摻入老化瀝青中，使用高速剪切機在 150 ℃下以2 000 r/min 左右速率剪切10 ～15 min，可得到再生瀝青。

表2 原材料基本性質

1.3 性能檢測方法

三大指標：再生瀝青的針入度、延度、軟化點均按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20—2011）中T 0606、T 0605、T 0604 進行測試。

紅外光譜：采用Bruker TENSOR 27 紅外光譜儀進行試驗，將不同的再生瀝青試樣置于折射臺，檢測器采集干涉光經樣品后的干涉信號，經過處理后即可得到再生瀝青的紅外光譜圖。

2 試驗結果與分析

研究中分別進行了老化瀝青模擬試驗、再生瀝青紅外光譜試驗、再生瀝青三大指標試驗，具體分析如下。

2.1 老化瀝青模擬

瀝青老化的過程主要體現在輕質組分的揮發與重質組分的聚集，通常狀態下，大多數瀝青均處于穩定的溶-凝膠型結構，瀝青質吸附部分膠質構成穩定的膠束體系，均勻分散在以飽和分、芳香分為主體的輕質組分中。當瀝青發生老化時，瀝青中輕質組分開始揮發并發生熱氧反應，膠團濃度不斷增加，重質組分開始凝聚聯結，逐漸轉化成凝膠狀態，宏觀表現為瀝青硬化脆化，塑性大幅降低，使用性能變差[4]。瀝青老化過程示意圖見圖1。

圖1 瀝青老化過程示意圖

本次研究中對某自然老化9 a 后廢舊瀝青混合料進行了抽提、回收，回收瀝青三大指標試驗結果如表3所示。

表3 回收瀝青三大指標試驗結果

由表3試驗結果可知，瀝青混合料經過長期老化后，具體的物理指標表現為針入度降低，軟化點增加，延度降低，因此進行熱再生時必須添加再生劑，以保證再生瀝青混合料性能。

由于回收廢舊料舊瀝青存在時間漫長、操作復雜、設備不普及等特點，實驗室進行老化瀝青再生研究時往往選擇室內模擬老化的方式。SHRP 研究認為，經PAV 老化20 h 可以模擬路面瀝青實際5 ～7 a 的老化[5]，故本文對70 號基質瀝青進行PAV 模擬老化，老化時間分別為20 h、25 h、30 h，試驗結果見表4。

表4 不同時間PAV 下瀝青三大性能指標試驗結果

由表4試驗結果可以發現，經PAV 老化30 h后瀝青的針入度、軟化點和延度與實際自然老化9 a 后瀝青性能相近，由此可以看出PAV 老化能較好地模擬瀝青實際使用過程中的老化。故采取PAV老化30 h的方式制備老化瀝青，便于后續試驗。

2.2 再生瀝青紅外光譜試驗

瀝青的老化主要是由于輕質油分的缺失，國內外學者認為可以通過向老化瀝青中補充輕質油分的方式實現瀝青再生[6]。紅外光譜試驗中瀝青不同的有機官能團會選擇性吸收特定波長的紅外光，從而形成其特定的紅外光譜，能從微觀上分析再生油分摻入后老化瀝青其化學結構的變化。研究中按照再生油分摻量3%，分別制備再生瀝青試樣進行紅外光譜試驗，試驗結果如圖2所示。

圖2 再生紅外光譜試驗結果

瀝青是一種復雜的混合物體系，再生瀝青的特征官能團出現了多處較為明顯的特征峰，觀察不同油分摻入后再生瀝青紅外光譜吸收峰位置變化情況，只有在摻入葵二酸二辛酯時，1 740 cm-1處出現了新的吸收峰，此處為飽和脂肪族酯的C=O 吸收譜帶，分析是由于塑化劑中C=O 的加入使此處吸收峰增強。除此之外，在摻入再生油分前后瀝青樣本的紅外光譜吸收峰位置基本保持一致，說明在基礎油分加入瀝青中未發生化學變化，再生瀝青性能恢復主要是依靠輕質油分的物理調合。

觀察紅外光譜的峰值變化，各再生劑油分加入后，1 032 cm-1處峰值出現了不同程度的下降，此處波數代表亞砜基的伸縮振動。瀝青中的硫元素主要是由膠質和瀝青質提供，在老化過程中由于含硫化合物的氧化，瀝青中亞砜基含量會明顯升高，摻入再生油分后，該峰出現明顯減弱，表明各基礎油分的加入實現了瀝青老化的逆過程，能起到一定的還原作用。

2.3 再生瀝青三大指標試驗

本文選取了6 種基礎油分，分別加入制得的老化瀝青中，并測定其再生瀝青的三大指標，基礎油分的添加量分別為3%、4%、5%，測試結果如圖3～5 所示。

分析圖3～5 三大指標試驗結果可知，各種基礎油分的加入均能一定程度老化瀝青性能，其中葵二酸二辛酯（DOS）還原效果最好，偏苯三酸三辛酯（TOTM）、60N 基礎油和150N 基礎油還原效率較為接近，芳烴油還原效果最差。就石油系產品而言，60N、150N 基礎油的還原效率較光亮油BS150 和芳烴油更高，這是由于60N、150N 基礎油屬于多次精制產品，分子量較小，黏度較低，對老化瀝青中重質組分有著更強的溶解能力，還原效果也就更好。

整體看來增塑劑油分還原效率高于石油系油分，分析是因為增塑劑具備極性基團（酯基）與極性比較強的瀝青質基團有相互吸引的作用，更容易分布在老化瀝青重質組分大分子之間，減少重質組分的聚結效應，由于塑化劑分子量較小，流動性好，能夠更高效地降低老化瀝青的黏度，因而對其三大指標改善效果更明顯。而加入石油系基礎油分后雖然一定程度上能起到降黏作用，但由于石油系產品溶解瀝青質的能力不足，故難以達到與增塑劑同等的再生效果。