再生瀝青抗老化性能評價

劉 銳，廖克儉，王洪國，馬曉明

（遼寧石油化工大學，遼寧 撫順 113001）

瀝青的抗老化性能是影響其路面使用壽命的主要因素之一[1]。瀝青路面在使用一些年限后，受循環(huán)應力和交通應力的影響，以及高溫冰凍的交替作用，出現(xiàn)了很多的病害，諸如擁包，沉陷，車轍，網(wǎng)裂等，瀝青路面老化，瀝青路面難以承受快速增長的高負荷交通量，行車的安全得不到保障，舒適性受到嚴重影響。因此關于道路受到損害需要翻新或者補修隨之殘留的廢舊瀝青混合料的處理問題愈發(fā)重要。目前根據(jù)國民經(jīng)濟的需求以及人們環(huán)保意識的提高和能源危機的日益嚴重，廢舊瀝青再生技術已經(jīng)得到很大的發(fā)展。但由于基質(zhì)瀝青結構的復雜性，最終更反映在最終反映在瀝青抗老化性上有很大的差別，因此對再生瀝青抗老化性的研究有很大的必要。

1 實驗部分

1.1 實驗原料和儀器

1.1.1 原料

廢舊瀝青：沈陽機場路廢舊瀝青混合料；沈陽高速公路廢舊瀝青混合料（SBS），新瀝青：遼河AH-90#瀝青；遼河Ⅰ-C類SBS改性瀝青，再生劑：LKJ-Ⅰ型再生劑（自制）。

1.1.2 儀器

82型瀝青薄膜烘箱（無錫市石油儀器設備廠），SYD-2806E全自動瀝青軟化點實驗器（上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司），SYD-2801C瀝青針入度試驗機（上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司），LY型瀝青延度測定儀（無錫市石油儀器設備廠）。

1.2 瀝青的回收

本實驗采用溶劑抽提法，先用溶劑苯將廢舊瀝青混合料中的瀝青進行溶解，然后把混合液倒入容器中進行抽提1 h以上，再將抽提液倒出重復抽提一次，使瀝青全部容到溶劑中去。將瀝青抽提液進行加熱抽濾，去除其中的礦粉，再把瀝青溶液倒入蒸餾瓶中加熱蒸餾，在84oC左右蒸出溶劑苯，得到粗瀝青。最后將粗瀝青減壓蒸餾，去除其中殘留的溶劑和水，并稱重即可得到回收瀝青[2]。

2 實驗結果與討論

2.1 瀝青的再生

廢舊瀝青路面的再生，指的是將舊瀝青路面經(jīng)過翻修或者裁挖、回收、破碎、篩分等工序后，與再生劑、新瀝青、新集料等按照一定比例重新拌合，使其能夠一定路用性能的工藝技術。

2.1.1 回收瀝青理化性質(zhì)分析

回收瀝青與基質(zhì)瀝青理化性質(zhì)分析見表1。

表1 回收瀝青與基質(zhì)瀝青理化性質(zhì)對比表Table 1 Physical and chemical properties of old asphalt and new asphalt

由表1可知，兩種廢舊瀝青的針入度偏低、軟化點較高、延度嚴重偏低，與兩種基質(zhì)瀝青差距較大，說明這兩種廢舊瀝青老化嚴重，三大指標遠遠不能符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》JTG F40-2004 的要求[3]。

2.1.2 廢舊瀝青再生

廢舊瀝青再生劑能夠改變舊瀝青的三大指標，改善瀝青的路用性能[4]。實驗室選用自制的LKJ-Ⅰ型再生劑分別對兩種廢舊瀝青進行再生，并根據(jù)回收率補充適量的新鮮瀝青。經(jīng)過反復實驗，最終確定兩種舊瀝青的再生劑加入量均為10%，再生結果見表2。

由表2可以得知，LKJ-Ⅰ型再生劑在加劑量為10%時，瀝青的三大指標最好。沈陽機場路廢舊瀝青再生后可達到 AH-90指標的重交通道路石油瀝青技術要求；而沈陽高速公路廢舊瀝青再生后可達到 SBS(I)-B指標的聚合物改性瀝青技術要求[5]，說明LKJ-Ⅰ型再生劑對兩種瀝青的再生效果良好，應用范圍比較廣泛。

表2 舊瀝青再生后理化性質(zhì)與標準對照表Table 2 Physical and chemical properties of recycled asphalt

2.2 瀝青的老化

試驗所采用的儀器主要有薄膜加熱烘箱、盛樣皿、溫度計、天平等。分別注入內(nèi)直徑為 140 mm的圓盤形盛樣皿(50±0.5)g瀝青，并形成厚度均勻的薄膜[6]。將烘箱加熱至150, 163, 180 ℃溫度下進行高溫模擬老化，并以5.5 r／min的速度在水平方向上旋轉，每隔5 h取出一組試樣，測定其質(zhì)量損失。

2.2.1 失重系數(shù)法評價再生瀝青抗老化性能

實驗室采用82型瀝青薄膜烘箱進行TFOT實驗[7]，是將瀝青暴露在熱空氣條件下，瀝青的質(zhì)量變化，一方面是由于瀝青中輕組分的揮發(fā)造成的；另一方面是因為瀝青與空氣中的氧發(fā)生化學反應。對于再生瀝青，由于加入了再生劑，輕組分的揮發(fā)量遠遠大于氧化反應的增加量[8]。因此，本實驗只考慮瀝青揮發(fā)造成的質(zhì)量損失。

隨著老化溫度的升高以及老化時間的延長，兩種再生瀝青中的輕組分逐漸蒸發(fā)，失重率逐漸增加，以老化時間和失重率為橫縱坐標作圖，見圖1-2。

由圖1和圖2可以看出，在實驗室所測定的溫度范圍內(nèi)，再生瀝青的失重率與老化時間呈線性關系，符合線性方程：

式中：Δm—失重率/%；

λ—為失重系數(shù)；

t —老化時間/h；

c —與瀝青物性有關的常數(shù)。

從失重系數(shù)λ可以簡單方便地評價再生瀝青的抗老化性能。由圖1和圖2所確定的失重系數(shù)結果見表3。

圖1 沈陽機場再生瀝青失重率與老化時間關系Fig.1 Relationship between weight loss rate and aging time of Shenyang airport recycled asphalt

圖2 沈陽高速(SBS)再生瀝青失重率與老化時間關系Fig.2 Relationship between weight loss rate and aging time of Shenyang highway recycled asphalt

表3 兩種再生瀝青失重系數(shù)與時間關系Table 3 Relationship between λ and aging time of two kinds of recycled asphalt

由表3可知，隨著老化溫度的升高，失重系數(shù)λ逐漸增大，表現(xiàn)出在高溫條件下失重明顯增加。從λ的大小可以看出，在150 ℃和180 ℃溫度下，失重系數(shù)的大小關系為：沈陽高速＞沈陽機場；在163 ℃溫度下，兩種再生瀝青的失重系數(shù)幾乎一致。由此可見，沈陽高速路SBS再生瀝青的抗老化性能略好與沈陽機場路再生瀝青；也可反映出SBS廢舊瀝青的再生效果好于高等級道路廢舊瀝青再生效果。

2.2.2 建立動力學模型

瀝青老化屬于一級反應[9]，可以用失重增加來表示反應進行的深度，因此回歸方程的斜率即瀝青老化的失重系數(shù)就為對應溫度下的反應速率常數(shù)k，根據(jù)Arrhrenius方程有：

以-lnk對1/T作圖，經(jīng)線性回歸，解得直線的斜率為 Ea/R，直線外推至 1/T=0，Y軸的截距即為lnA，從而求出瀝青老化活化能Ea和指前因子A，見圖3。

將Arrhrenius方程帶入式（1）中，可得：

c是與瀝青物理性質(zhì)有關的常數(shù)，見表3。兩種瀝青的動力學參數(shù)見表4。

將表4中的動力學參數(shù)帶入到式（3）中，可得兩種再生瀝青的失重動力學方程：沈陽機場：沈陽高速：

圖3 -lnk與1/T的關系圖Fig.3 Relationship between –lnk and 1/T

在不同溫度下，瀝青的失重率與時間的關系可已通過方程（4）與方程（5）計算得到。通過所建立的老化動力學模型，可對不同溫度下瀝青的老化進行驗證。從表4中可以看出，沈陽高速SBS再生瀝青有較大的活化能和較小的反應速率常數(shù)，說明沈陽高速SBS再生瀝青的抗老化性能好于沈陽機場再生瀝青，這也驗證了失重系數(shù)法考察兩種再生抗老化性能的結論。

表4 兩種瀝青的動力學參數(shù)Table 4 Dynamical parameter of two kinds of recycled asphalt

3 結 論

（1）選用LKJ-Ⅰ型再生劑加入量為10%時，沈陽機場和沈陽高速兩種廢舊瀝青分別可以達到AH-90和SBS(I)-B指標要求，再生效果較好，再生劑的應用范圍廣泛。

（2）隨著老化溫度的升高，再生瀝青的失重系數(shù)增大；老化時間越長，失重率越大。在相同的老化時間和老化溫度下，沈陽高速（SBS）再生瀝青的抗老化性能略好于沈陽機場再生瀝青；說明LKJ-Ⅰ型再生劑對SBS廢舊瀝青的再生效果更好。

（3）瀝青的老化，遵循一級反應動力學方程，利用失重系數(shù)建立老化動力學模型可表征瀝青老化動力學過程，求得動力學參數(shù)，方法簡單可靠。

（4）沈陽高速（SBS）再生瀝青與沈陽機場再生瀝青相比，具有較大的動力反應活化能，這也說明其具有較好的抗老化性。

［1］ 范耀華，丁郭靖，劉國祥.石油瀝青抗老化性能研究[J]．石油瀝青，1997(11)：1-3．

［2］ 王永剛，廖克儉，閆鋒，魏毅．廢舊瀝青混合料再生技術的研究[J]．石油煉制與化工，2003，34(9)：25-26．

［3］ JTG F40-2004 公路瀝青路面施工技術規(guī)范[S]．

［4］ 王洋，廖克儉，王洪國，陸偉強．道路廢舊瀝青混合料的再生及理化性質(zhì)研究[J]．石化技術與應用，2012，2(30)：137-138．

［5］ JTJ 036-98 公路改性瀝青路面施工技術規(guī)范[S]．

［6］ 賀華，陳海峰．瀝青老化性能的兩種實驗方法評價[J]．西部探礦工程，2006(1)：248-250．

［7］ 陳守明，陳顯，陳偉三．RTFOT與TFOT實驗對SBS改性瀝青老化效果相關性分析[J]．廣州化工，2011，39(24)：55-58．

［8］ 閆鋒，魏毅，戴躍玲，廖克儉,等．瀝青抗老化性能的研究[J]．撫順石油學院學報，2002，22(2)：5-9．

［9］ 叢玉鳳，廖克儉，翟玉春．道路瀝青老化動力學研究[J]．石油煉制與化工，2005，36(5)：23-26．