不同再生劑的耐老化評價及再生瀝青摻量設計

文鳳友

(湖南國信建設集團股份有限公司,湖南 株洲 412000)

1 概述

公路大規模建設帶來了繁重的養護任務,而再生劑以經濟、綠色、高效的優勢使它成為公路養護部門的關注焦點[1]。瀝青再生設計是再生混合料設計的前提,而再生劑是瀝青再生的關鍵因素[2-3]。再生劑的再生機理[4-5]是調和老化瀝青的組分比例或溶解度參數差值,進而改善其物理力學特性,使其老化瀝青性能逐漸恢復轉向初始狀態。由于不同類型的再生劑自身耐老化性能及再生性能可能存在明顯差異,實際工程需對不同再生劑再生性能及摻量進行比選,并研究其再生瀝青性能。

2 再生劑耐老化性能評估

對三種不同廠家的再生劑(SY，ZH，YH)分別進行0 min，60 min，180 min和300 min RTFOT短期老化試驗,測定老化作用前后135 ℃旋轉黏度比和質量損失,依據試驗結果繪制變化曲線進行分析。

(1)

其中，WLR為質量損失，%;m0為再生劑老化前質量;m1為再生劑老化后質量。

(2)

其中，η為60 ℃殘余黏度比;η0為再生劑老化前黏度;η1為再生劑老化后黏度。

2.1 依據殘余旋轉黏度比及質量損失的評價

由試驗數據繪制老化前后殘余旋轉黏度比(t-η)曲線,如圖1所示,由試驗數據繪制老化前后質量損失(t-WLR)曲線,曲線如圖2所示。

1)由圖1所示t-η變化關系可知,三種再生劑隨老化時間的增加其殘余黏度比隨之增大,YH的殘余黏度比均大于SY和ZH,而SY和ZH的殘余黏度比關系呈波動狀態。三種再生劑300 min老化后殘余黏度比關系為YH>SY>ZH。

2)由圖2所示t-WLR關系可知,三種再生劑質量損失(WLR)隨老化作用時間的增加而增大,說明再生劑輕質油分的揮發量大于其吸氧縮合反應的量。由t-WLR變化關系可知,三種再生劑60 min～180 min內的變化斜率略低于180 min～300 min內的變化斜率,說明在60 min～180 min內質量損失(WLR)的平均速率比180 min～300 min要小。而三種再生劑老化300 min后質量損失大小關系為YH>ZH>SY。

2.2 依據四組分轉化關系的評價

按規范[6]四組分試驗方法將上述通過RTFOT不同短期老化時間段樣品再生劑進行四組分試驗,試驗時間設定為0 min,60 min,180 min,300 min,其試驗結果如表1所示。

組分含量變化與老化時間關系示意圖見圖3。

其組分轉化關系為圖4所示。

由以上圖表分析可知,其四組分間相互轉化關系為Ar→R→At，R→S→At,而再生劑質量損失主要由于其S+Ar一部分受熱揮發、一部分受熱與氧進行氧化縮合反應形成At大分子聚合物。再生劑未老化前S+Ar含量均較大,其大小關系為YH>ZH>SY,而At含量均較小,其大小關系為ZH>YH>SY;隨著RTFOT老化時間的后延,S+Ar組分含量逐漸降低,At組分含量不斷增多,當RTFOT老化作用185 min后,S+Ar含量大小關系為YH>ZH>SY,At含量的大小關系為YH>ZH>SY。通過RTFOT短期老化作用后,YH再生劑其S+Ar含量相比老化前減少14.4%,At含量增加了6.2倍;ZH再生劑S+Ar含量相比老化前減少14.1%,At含量增加了3.4倍;SY再生劑S+Ar含量相比老化前減少11.7%,At含量增加5.1倍。

再生劑YH與ZH，SY相比,老化前后其S+Ar含量損失量最大,老化后At增加量最大,其表征在殘余黏度比和質量損失方面均較大。而ZH和SY這兩種再生劑在老化前后,其S+Ar含量變化ZH>SY,At含量變化ZH>SY;老化前后ZH質量損失均>SY,而殘余黏度比前期ZH>SY,后期SY>ZH;當老化作用300 min時,SY的質量損失比ZH低、殘余黏度比比ZH高,原因在于其S+Ar揮發量少、吸氧縮合反應的量多而導致的。綜合分析三種再生劑強弱關系為SY與ZH基本相當,YH次之。

3 再生性能預估方程分析

3.1 舊路面瀝青回收

依托某熱再生項目路面舊瀝青回收為研究對象,舊路面瀝青混合料通過三氯乙烯溶解后離心分離法[7-8]抽提回收使集料顆粒與瀝青分離,回收液利用布氏漏斗減壓過濾除去礦粉[9],使回收瀝青中礦粉的含量低于1%,再利用旋轉蒸發器(如圖5所示)法回收舊路面瀝青,為了避免旋轉蒸發器時高溫對回收瀝青產生二次熱氧老化,設計空白對比試驗對旋轉蒸發器后續加熱時間進行標定。

現有規范中旋轉蒸發器法后續加熱溫度在155 ℃±2 ℃條件下保持時間為15 min,其回收效果并不理想。而對于不同濃度時后續加熱時間不同,且不同數量的甘油、真空度條件、冷凝水溫度、CO2流量流速等對回收瀝青性質有一定影響[10-12]。結合本實驗室條件,設置旋轉蒸發器條件絕對壓力4.9 kPa(規范建議6.67 kPa以下)、冷凝水4 ℃、甘油數量裝滿油浴鍋、CO21 400 mL/min的流速通入2 min。

試驗采用SHAP成果中的PAV壓力老化容器(如圖6所示)來制備試驗老化瀝青樣品(原樣瀝青為基質90號),老化時間設置為0 h,5 h,20 h,抽提液濃度設置為1∶4,后續加熱時間設置為23 min,25 min,27 min進行標定試驗,檢測不同老化程度瀝青回收前后相關性能,其試驗結果如表2所示。

表2 回收標定試驗結果

為了分析不同老化時間瀝青樣品回收前后針入度指數變化關系,繪制圖7進行直觀分析。

由圖7可知,不同老化程度的瀝青樣品PI值在設定的回收時間節點上,隨著時間節點的后移其PI值均呈現下降趨勢。不同老化程度瀝青樣品其下降斜率有所不同,其斜率關系為20 h>5 h>0 h。且對比回收前0 min時的PI值可以得出,其不同老化程度瀝青樣品的PI值大小基本介于回收節點24 min～27 min內時的PI值范圍。

為了分析其他指標的變化關系,采用數學作商法處理其25 ℃針入度(P)、軟化點(SP)、135 ℃旋轉黏度(η)等指標(回收指標數值/原樣指標數值,如ξ=P/P0,φ=SP/SP0,ψ=η/η0),所得結果ξ,φ,ψ分布在數值1左右,利用公式ξ0=丨ξ-1丨×100%，φ0=丨φ-1丨×100%,ψ0=丨ψ-1丨×100%計算相應指標數據,其結果如表3所示。

表3 數據處理結果

表3計算結果表示回收值與目標值的商值與1差值的絕對值百分數,由其含義可知,對應指標下該值離X軸越近表明越接近目標值,回收效果越理想。從圖8～圖10分析可知,其值大小與蒸餾時間形成“V”字形態,越接近X軸表示離目標值越近,蒸餾時間越恰當。反之,越遠則效果越差,離目標值越大。而對于三種不同老化程度的瀝青,當蒸餾時間為23 min時其值偏離較大,說明C2HCl3有殘留;當蒸餾時間為27 min時其值也偏離較大,說明有短期老化作用;當蒸餾時間為25 min時表3中各指標對應的值為最小,數據均在V字型底部,說明該蒸餾時間最適宜。因此,當濃度為1∶4時不同程度老化瀝青其后續加熱最適宜的蒸餾時間為25 min。

3.2 再生瀝青摻量設計

3.2.1 摻量方法的選擇

1)試驗法。

試驗法是最常用的一種方法,其原理通過試驗加入不同摻量的再生劑使再生瀝青恢復到目標瀝青的技術指標,確定再生劑用量。

2)理論計算法。

其主要通過以下公式計算確定再生劑用量,其公式如下：

logηR=xalogηb+(1-χ)alogη0

(3)

其中，ηR為再生瀝青的設計黏度;ηb為再生劑黏度;η0為舊瀝青的黏度;χ為再生劑的摻量;a為黏度偏離指數。

其P和瀝青的η之間存在著如下數學關系:

(4)

由于理論計算法最終也以檢測瀝青的性能指標為確定標準。因此,本文結合實際情況采用試驗法來確定再生劑摻量。

3)試驗設計再生劑以2%為設計摻量梯度,以改善舊瀝青135 ℃旋轉黏度、25 ℃針入度(0.1 mm)和軟化點為指標進行試驗,依據相應指標試驗結果擬合對數回歸方程進行分析。

3.2.2 依據軟化點評價再生性能規律

由試驗數據建立V-ln(Tm)回歸方程進行分析,其試驗數據見表4。

表4 改善瀝青Tm試驗結果及回歸方程

V-ln(Tm)回歸方程(如圖11所示)可知,其回歸方程斜率YH>SY>ZH,其與Y軸截距關系和斜率一致,說明再生劑YH相比ZH，SY這兩種再生劑對于改善老化瀝青軟化點指標有較好的敏感性,SY類次之,ZH類最弱。以90號基質瀝青軟化點為目標值,YH,ZH,SY三種再生劑最佳摻量分別為6.46%,9.74%,7.51%(如圖12所示)。

3.2.3 依據針入度評價再生性能規律

由試驗數據建立V-ln(Pm)回歸方程進行分析,其試驗數據見表5。

表5 改善瀝青Pm試驗結果及回歸方程

由V-ln(Pm)回歸方程(如圖13所示)可知，其回歸線斜率關系為SY>ZH>YH，其方程與Y軸截距關系和斜率關系一致，這說明再生劑SY對再生瀝青針入度指標改善能力強于ZH和YH。以90號基質瀝青針入度為目標值，YH，ZH，SY三種再生劑最佳摻量分別為9.94%，8.75%，6.85%(見圖14)。

3.2.4 依據旋轉黏度評價再生性能規律

由試驗數據建立V-ln(η)回歸方程進行分析,其試驗數據見表6。

表6 改善瀝青

由V-ln(η)回歸方程(如圖15所示)可知,其回歸方程斜率大小關系為SY>ZH>YH,其方程與Y軸截距關系和斜率關系一致,這說明再生劑SY在等摻量條件下對再生瀝青旋轉黏度的改善能力強于再生劑ZH和YH。以90號基質瀝青旋轉黏度為目標值,YH,ZH,SY三種再生劑最佳摻量分別為9.28%,7.54%,6.51%(如圖16所示)。

4 結論

1)再生劑是改善老化瀝青性能最關鍵的因素,其自身的耐老化能力與再生瀝青的耐老化能力有直接的關聯性。本文通過RTFOT短期老化試驗,分析了三種再生劑殘余旋轉黏度比、質量損失和四組分間轉化關系,得出了SY與ZH耐老化能力基本相當,YH次之。

2)利用三氯乙烯溶解離心法抽提回收使集料顆粒與瀝青分離,回收液利用布氏漏斗減壓過濾除去礦粉,試驗標定旋轉蒸發器最佳加熱時間為25 min。

3)通過再生劑改善再生瀝青相關性能試驗,依據試驗數據建立其再生瀝青性能預估回歸方程,得出了不同指標目標值下的最佳摻量,進而得出了在不考慮經濟成本條件下,優先考慮選擇再生劑SY和ZH,其次考慮再生劑YH的結論。