再生劑對再生瀝青感溫性的影響

李 進, 王金鳳, 徐 萌, 張小英, 張玉貞

(1.中國石油大學(華東)重質(zhì)油國家重點實驗室,山東東營257061; 2.中海油氣開發(fā)利用公司,北京100010)

再生劑對再生瀝青感溫性的影響

李 進1, 王金鳳2, 徐 萌1, 張小英1, 張玉貞1

(1.中國石油大學(華東)重質(zhì)油國家重點實驗室,山東東營257061; 2.中海油氣開發(fā)利用公司,北京100010)

通過3種再生劑對老化瀝青進行再生實驗,用針入度指數(shù)和粘溫指數(shù)對再生瀝青感溫性進行評價并討論再生劑的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明,再生瀝青在低溫和中高溫區(qū)的感溫性均好于原料瀝青,其中再生劑C再生的再生瀝青感溫性較好;3種再生劑對再生瀝青中溫區(qū)的感溫性影響無明顯規(guī)律,再生劑增加了老化瀝青的感溫性;再生劑A對再生瀝青的高溫區(qū)感溫性有所降低,而再生劑B和C則略有增加。結(jié)合再生劑組分分析數(shù)據(jù)得出飽和分能降低瀝青的高溫區(qū)感溫性,而芳香分則增加瀝青的高溫區(qū)感溫性。

再生劑; 感溫性; 再生瀝青; 針入度指數(shù); 粘溫指數(shù)

瀝青材料的感溫性是其重要的流變性之一,瀝青路面的一些重要性質(zhì)指標與瀝青感溫性密切相關(guān),如高溫抗車轍、低溫抗開裂和耐久性等[1-3]。感溫性就是瀝青的粘度或稠度隨溫度變化而變化的程度,不同類型的瀝青對溫度的敏感性不同。目前,瀝青感溫性評價指標普遍采用的有針入度指數(shù)(PenetrationIndex,PI)、針入度 -粘度數(shù)(Pen-VisNumber,PVN)、粘 溫 指 數(shù) (Viscosity Temperature Susceptibility,VTS)和等級指數(shù)等[4-7]。瀝青隨老化程度的加深,針入度指數(shù)增加,瀝青感溫性有所降低,但減弱了瀝青的耐低溫能力[8-9]。

路面廢舊瀝青混合料的回收利用,不僅可以節(jié)約資源、降低筑路成本,而且能有效地減少固體廢棄物排放,保護環(huán)境。老化瀝青感溫性的恢復可以通過加入再生劑實現(xiàn)。不同再生劑對再生瀝青的感溫性影響的研究報道較少,本文通過研究不同再生劑對再生瀝青的感溫性作用規(guī)律,以便為選擇合適的再生劑提供指導。

1 瀝青感溫性表征

荷蘭學者Pfeiffer JP等[4]于1936年提出瀝青針入度指數(shù)的概念。在針入度試驗中,貫入時間和載荷一定時,將不同溫度下測定的瀝青針入度的對數(shù)值作圖,則瀝青針入度對數(shù)值與溫度一般呈線性關(guān)系,關(guān)系式如下:

式中:P—實測針入度值,0.1 mm;

T—測定時的溫度,℃;

A—直線斜率;

K—直線截距。

直線的斜率 A可表征瀝青針入度的對數(shù)值隨溫度的變化,將其代入PI計算公式(2)。

PI值越低,瀝青材料感溫性質(zhì)越差。若 PI值低于-2時表示瀝青具有高度的感溫性。

大量試驗結(jié)果表明,大部分瀝青可以假定在軟化點時的針入度為800(0.1 mm),大部分瀝青在弗拉斯(Fraass)脆點時的針入度約為1.2(0.1 mm),故分別采用25℃針入度與 TR&B和 TFraass時的針入度計算出針入度的對數(shù)值隨溫度的變化系數(shù)A[10]。計算公式分別見式(3)和(4)。

式中:P25—在25℃和100 g載荷下貫入時間為5 s的瀝青針入度值,0.1 mm;

TR&B—環(huán)球法測定的軟化點,℃。

式中:TFraass—弗拉斯(Fraass)脆點,℃。

用公式(3)和(4)計算出針入度溫度系數(shù) A,將A代入公式(2)計算出相應的PI值并分別評價瀝青的高溫區(qū)和低溫區(qū)感溫性,并對瀝青的PI值提出最小值的要求[11-12]。

由于瀝青軟化點一般在50℃左右,用25℃和TR&B兩個溫度點的針入度表征瀝青60℃以上的高溫區(qū)感溫性是不太合理的。對于大部分瀝青而言,在60℃時已經(jīng)為牛頓流體,粘度值不隨剪切速率的變化而變化[13],所以使用Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計測試瀝青在高溫區(qū)的粘度,并采用ASTM 2493推薦使用的Walther與Saal的簡化式回歸得到粘溫曲線斜率,用以表征瀝青在高溫區(qū)的感溫性。計算公式見(5)。

式中:η—粘度,Pa·s;

T—溫度,K。

粘溫曲線斜率表示粘度雙對數(shù)隨溫度對數(shù)變化的斜率,用VTS表示。粘溫指數(shù)越小表示瀝青材料感溫性越小;反之,粘溫指數(shù)越大,溫度敏感性越大。本文用PI表征瀝青低溫區(qū)(<0℃)、中溫區(qū)(0～30℃)和中高溫區(qū)(30～60℃)感溫性;用VTS表征瀝青高溫區(qū)(>60℃)感溫性。

2 實驗部分

2.1 實驗原料

原料瀝青選用X、Y和Z,3種瀝青和再生劑分A、B和C的性質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 3種瀝青和再生劑的性質(zhì)數(shù)據(jù)Table 1 Properties of three asphalts and three rejuvenators

表1中瀝青X和Y為同一原油生產(chǎn),只是針入度等級不同;瀝青X和Z為不同原油生產(chǎn),但針入度等級相同。再生劑A的比重、粘度和閃點較低,飽和分含量較高。再生劑C和B的芳香分含量都較高,而再生劑C不含瀝青質(zhì),再生劑B的瀝青質(zhì)高于其它兩種再生劑。

2.2 再生瀝青樣品制備

老化瀝青分別加入再生劑A、B、C和作為軟化劑的瀝青 Y進行再生。再生瀝青中老化瀝青、再生劑和瀝青 Y的添加量是以原料瀝青60℃粘度值(±40 Pa·s)為目標粘度,根據(jù)美國材料協(xié)會ASTM D4887推薦的公式計算和實測粘度對配比關(guān)系進行調(diào)整[14],計算公式見公式(6)和(7)。

式中:xas—老化瀝青質(zhì)量分數(shù);

xra—再生劑的質(zhì)量分數(shù);

ηm—再生瀝青的粘度值,mPa·s;

ηas—老化瀝青的粘度值,mPa·s;

ηra—再生劑的粘度值,mPa·s。

2.3 實驗儀器

P877旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(美國Normalab Analis公司),滿足 ASTM D2872規(guī)范。Model 9300 PAV System壓力老化儀(美國Alloy Fabricators公司)。

3 結(jié)果與討論

3.1 針入度指數(shù)分析

用公式(1)對瀝青針入度數(shù)據(jù)進行處理,并用公式(2)計算 PI值。原料瀝青和老化瀝青在15、25、30℃時的針入度和PI值數(shù)據(jù)見表2。再生瀝青在這3個溫度下的針入度和PI值數(shù)據(jù)見表3。

由表2可知,老化瀝青在15、25、30℃時的針入度與原料瀝青相比大幅降低,且溫度越高針入度變化數(shù)值越大。從針入度指數(shù)的計算結(jié)果看出,老化瀝青與對應的原料瀝青相比,針入度指數(shù)都是增大的。因此,老化瀝青在中溫時的感溫性優(yōu)于原料瀝青。

從表3看出,將25℃時再生瀝青與老化瀝青針入度進行對比,可以看出再生瀝青的針入度得到不同程度的恢復。3種再生劑對再生瀝青的針入度指數(shù)的影響無明顯規(guī)律。再生瀝青的針入度指數(shù)與原料瀝青相比基本恢復,除Z(B)外均略高于原料瀝青,所以大多數(shù)的再生瀝青在中溫區(qū)的感溫性要好于原料瀝青。

表2 原料瀝青和老化瀝青的針入度和PI值Table 2 Penetration and PI values of asphalt materials and aged asphalts

表3 再生瀝青的針入度和PI值Table 3 Penetration and PI values of recycled asphalts

瀝青低溫區(qū)和中高溫區(qū)感溫性也用針入度指數(shù)來表征。通過公式(4)和(2)計算出瀝青低溫區(qū) PI值。瀝青中高溫區(qū)PI值通過公式(2)和(3)計算,樣品25℃針入度、弗拉斯脆點、軟化點和低溫與中高溫區(qū)PI值見表4。

由表4可見,老化瀝青中高溫和低溫區(qū)PI值均高于原料瀝青,所以老化瀝青的感溫性能好于原料瀝青。老化瀝青的弗拉斯脆點均比原料瀝青的高,其中老化瀝青Z′上升幅度最大,其升幅為6.2℃。因此,老化瀝青在低溫時的抗裂性和耐久性變差。老化瀝青軟化點都高于原料瀝青,所以其高溫穩(wěn)定性好于原料瀝青。再生瀝青與原料瀝青相比,弗拉斯脆點和軟化點都有不同程度的恢復;再生瀝青在中高溫和低溫區(qū)PI值均有不同程度的恢復,低溫區(qū)PI值除再生瀝青 Y(A)和Z(A)外,其余再生瀝青PI值均大于-1.0;中高溫區(qū)PI值除再生瀝青Z(A)和X(B)外,其余再生瀝青PI值大于-1.0。在中高溫和低溫區(qū),用再生劑C再生的瀝青 PI值均大于-1.0,所以用再生劑C再生的再生瀝青感溫性較好。

表4 樣品低溫與中高溫區(qū)PI值Table 4 Samples’PI of lowand middle-high temperature zones

3.2 粘溫性質(zhì)分析

在90、100、110、120℃4個溫度下對瀝青、老化瀝青和再生瀝青進行粘度測定。粘度數(shù)據(jù)按公式(5)進行計算,瀝青和老化瀝青粘溫曲線見圖1,再生瀝青的粘溫曲線分別見圖2-4。

Fig.1 Viscosity and temperature graph of three asphalts and aged asphalts圖1 3種瀝青與老化瀝青的粘溫關(guān)系

由圖1可知,瀝青X、Y和Z的粘溫曲線斜率值分別為3.526 4、3.534 1和3.535 9,相應的老化瀝青粘溫曲線斜率值為3.544 3、3.569 2和3.527 3。老化瀝青較小,所以老化瀝青在高溫區(qū)感溫性基本與原料瀝青相當。

Fig.2 Viscosity and temperature graph of recycled asphalts with rejuvenator A圖2 再生劑A再生的再生瀝青的粘溫關(guān)系

Fig.3 Viscosity and temperature graph of recycled asphalts with rejuvenator B圖3 再生劑B再生的再生瀝青的粘溫關(guān)系

Fig.4 Viscosity and temperature graph of recycled asphalts with rejuvenator C圖4 再生劑C再生的再生瀝青的粘溫關(guān)系

從圖2-4可以看出,由再生劑A再生的瀝青粘溫曲線斜率值均小于原料瀝青,而由再生劑B和C再生的瀝青粘溫曲線斜率值略大于原料瀝青。因此,再生劑A對再生瀝青的高溫區(qū)感溫性有所降低,而再生劑B和C對再生瀝青高溫區(qū)感溫性略有增加。根據(jù)表1中3種再生劑的組分分析數(shù)據(jù)得出:飽和分能降低瀝青高溫區(qū)感溫性,而芳香分則是增加的。

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(Ed.:SGL,Z)

Influence of Rejuvenators on Recycled Asphalts in Temperature Susceptibility

LI Jin1,WANG Jin-feng2,XU Meng1,ZHANG Xiao-ying1,ZHANG Yu-zhen1
(1.State Key Laboratory ofHeavy Oil Processing,China University ofPetroleum(East China),Dongying Shandong257061,P.R.China;2.Heavy Oil Utilization Research Center China Of f shore Oil&Gas Development&Utilization Co.,Beijing100010,P.R.China)

6November2009;received7December2009;accepted22December2009

Three kinds of simulation aged asphalt were recycled by three different rejuvenators.Penetration index and viscosity temperature susceptibility were used to evaluate temperature susceptibility of recycled asphalts.All of the three rejuvenators recover the aged asphalts in temperature susceptibility at low and mid-high temperature.The effect of rejuvenator C is better than others.No obvious laws are found at middle temperature,the rejuvenators increase the aged asphalts temperature susceptibilities.Rejuvenator A decreases the temperature susceptibility at high temperature,however B and C increase a little.With the components analysis of rejuvenators it can be concluded that saturates decrease the temperature susceptibility of high temperature,while the aromatics can increase it at high temperature.

Rejuvenator;Temperature susceptibility;Recycled asphalt;Penetration index;Viscosity-temperature index

.Tel.:+86-546-8395271;fax:+86-546-8395269;e-mail:lijin123420888@sina.com

TE626

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.01.009

2009-11-06

李進(1974-),男,四川眉山市,在讀博士。

中國海洋石油總公司資助項目(2008ZY-JSFW -SYDX-040)。

1006-396X(2010)01-0034-05