瀝青再生劑組分構(gòu)成與熱穩(wěn)定性相關(guān)性研究

孫博學(xué) 曹青霞 張軍林 馬元功

（1甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030；2甘肅暢隴公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 前言

瀝青混凝土路面由于其具有行車舒適、維修方便、低噪音等優(yōu)點(diǎn)，受到道路使用者和建造者的青睞。目前，瀝青混凝土路面的應(yīng)用占所有路面材料用量的95%以上，隨著道路服役年限的增加，瀝青混凝土路面的養(yǎng)護(hù)維修工程增多，產(chǎn)生的廢舊料容易污染環(huán)境，且占地。瀝青混凝土再生技術(shù)不僅可以有效利用廢舊路面材料，同時(shí)節(jié)約工程造價(jià)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

就地?zé)嵩偕夹g(shù)中廢舊料利用率達(dá)到70%～100%，均需要添加瀝青再生劑才能恢復(fù)老化瀝青性能；廠拌熱再生技術(shù)中，隨著回收瀝青路面材料的比例增加，僅通過(guò)外加新瀝青不能恢復(fù)老化瀝青的性能，同樣需要添加瀝青再生劑。但是，經(jīng)過(guò)調(diào)查分析，目前市場(chǎng)上再生劑品種繁雜，大多數(shù)再生劑由低黏度輕質(zhì)油組成，或者在其基礎(chǔ)上添加增粘劑、改性劑、抗老化劑等成分調(diào)和而成。通過(guò)試驗(yàn)研究，多數(shù)低粘度的再生劑存在旋轉(zhuǎn)薄膜老化前后質(zhì)量不合格的問(wèn)題，高粘度再生劑的再生效果有限，需要通過(guò)加大再生劑用量來(lái)達(dá)到再生效果。論文選擇了五種常用的瀝青再生劑為研究對(duì)象，借助紅外光譜儀、氣相色譜儀進(jìn)行五種再生劑主要成分構(gòu)成進(jìn)行了分析。同時(shí)，通過(guò)五種再生劑RTFOT前后的質(zhì)量損失和黏度比，評(píng)價(jià)了再生劑的熱穩(wěn)定性，并將旋轉(zhuǎn)薄膜老化前后的質(zhì)量損失與氣相色譜分析中初餾點(diǎn)溫度之間建立了相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.9237。

2 試 驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選取市場(chǎng)常用的五種再生劑進(jìn)行研究，代號(hào)分別為XK、GL、KLF、CA、SC。這五種再生劑的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1所示。

表1 再生劑技術(shù)指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方案

1）紅外光譜分析：采用Thermo Fisher Scientific生產(chǎn)的便攜式紅外光譜儀進(jìn)行試驗(yàn)，將五種再生劑分別取適量，用一次性塑料滴管將待測(cè)樣滴到ZnSe晶體板上，使樣品完全覆蓋到晶體板，確保無(wú)殘留氣泡。

2）氣相色譜分析：采用Agilent Technologies 7890A氣相色譜儀，高溫模擬蒸餾數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。具體的試驗(yàn)方法參照《瀝青高溫氣相色譜模擬蒸餾標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》。從初餾點(diǎn)開(kāi)始，每間隔5～10℃時(shí)測(cè)定測(cè)試樣的回收率，每間隔測(cè)試沸點(diǎn)之間回收率相減得到餾分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即5～10℃之間蒸餾出的餾分含量。

3 試驗(yàn)與討論

3.1 紅外光譜分析

圖1～圖5分別為XK、GL、KLF、CA、SC五種再生劑RTFOT前后的紅外光譜圖對(duì)比。

由圖1可見(jiàn)，XK再生劑中含有CH3反對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰（2958cm-1）、CH2反對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰（2924cm-1及2858cm-1）、飽和脂肪族酯的C=O鍵伸縮振動(dòng)峰（1740cm-1）、脂肪酸的C=O鍵伸縮振動(dòng)峰（1707cm-1）及烷烴CH3鏈的C-H彎曲振動(dòng)（1450cm-1、1375cm-1）、氧上帶脂肪鏈的脂肪醚C-O伸縮振動(dòng)峰（1160cm-1）及指紋區(qū)的芳香雜環(huán)化合物。因此，XK再生劑的特征官能團(tuán)顯示，其主要由飽和分和膠質(zhì)組成。

圖1 XK再生劑RTFOT前后紅外光譜圖

圖2 GL再生劑RTFOT前后紅外光譜圖

由圖2可見(jiàn)，GL再生劑主由CH3反對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰（2958cm-1）、CH2反對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰（2924cm-1及2858cm-1）、芳烴C=C鍵產(chǎn)生的三個(gè)峰位（1600±10cm-1、1500～1450cm-1和1380±10cm-1）、亞砜基S=O（1030cm-1）及苯環(huán)上的CH面外彎曲振動(dòng)吸收峰（870～670cm-1）。絕大多數(shù)芳香烴化合物在1600±10cm-1、1500～1450cm-1和1380±10cm-1這幾個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)3～4個(gè)吸收帶。其中1600cm-1和1500～1450cm-1是具有高度的芳香烴特征的吸收峰。因此，GL主要由芳烴和膠質(zhì)組成，為芳烴中溶解膠質(zhì)成分。

由圖3和圖4可見(jiàn)，CA和KLF再生劑均含有克煉瀝青特征峰（1700cm-1）和芳香分特征峰（1600±10cm-1、1500～1450cm-1和1380±10cm-1）。 但CA在966cm-1處有明顯直鏈C=C雙鍵特征峰，說(shuō)明這兩種再生劑主要由克煉的抽出油組成，區(qū)別在于CA再生劑中加入了少量SBS或SBR進(jìn)行了改性。

圖3 KLF再生劑RTFOT前后紅外光譜圖

圖4 CA再生劑RTFOT前后紅外光譜圖

圖5 SC再生劑RTFOT前后紅外光譜圖

由圖5可見(jiàn)，SC再生劑除了芳香分、飽和分、樹(shù)脂的特征峰以外，還有胺的N-H伸縮振動(dòng)峰（3030～3080cm-1）。因此，SC再生劑由芳香分、飽和分、膠質(zhì)及胺類抗剝落劑調(diào)和組成，其中大部分為芳香分和飽和分。

3.2 高溫氣相色譜模擬蒸餾

高溫氣相模擬蒸餾技術(shù)就是利用氣相色譜模擬再生劑從常溫升高到750℃時(shí)的蒸餾過(guò)程，輕質(zhì)組分（如飽和分和芳香分）的沸點(diǎn)低，較低溫度優(yōu)先蒸餾出來(lái)，而分子量大的組分沸點(diǎn)高，在較高的溫度才能蒸餾出來(lái)。由于不同再生劑的組分含量不同，根據(jù)再生劑在相同溫度下蒸餾組分的含量不同，可以判斷再生劑的大致組成。初餾點(diǎn)（IBP）指瀝青回收率為0.5%時(shí)對(duì)應(yīng)的沸點(diǎn)。表2為五種再生劑老化前后初餾點(diǎn)的溫度及沸程切割區(qū)間數(shù)據(jù)。圖6為五種再生劑沸點(diǎn)—回收率曲線。圖7為五種再生劑RTFOT前后沸程切割區(qū)間。圖8為五種再生劑RTFOT前后初餾點(diǎn)溫度。圖9為初餾點(diǎn)溫度與質(zhì)量損失之間的關(guān)系。圖10為五種再生劑含碳數(shù)質(zhì)量分布圖。

表2 五種再生劑RTFOT前后初餾點(diǎn)及沸程切割區(qū)間

圖6 五種再生劑沸點(diǎn)—回收率曲線變化圖

圖7 五種再生劑RTFOT前后沸程切割區(qū)間

圖8 五種再生劑RTFOT前后初餾點(diǎn)溫度

圖9 初餾點(diǎn)溫度與質(zhì)量損失之間關(guān)系

圖10 五種再生劑含碳數(shù)質(zhì)量分布圖

由圖6、圖7可見(jiàn)，五種再生劑隨沸點(diǎn)的增加，回收率的變化各不相同。其中KLF、CA、SC主要由沸點(diǎn)為0-540℃輕質(zhì)組分構(gòu)成，0-540℃沸程切割區(qū)間內(nèi)，KLF、CA、SC的回收率達(dá)到了90%以上，結(jié)合該三種再生劑的紅外光譜圖，同樣可以說(shuō)明；GL再生劑主要由34.1%沸點(diǎn)為400-450℃左右的某種輕質(zhì)油分和剩余沸點(diǎn)在540-800℃左右的膠質(zhì)構(gòu)成；XK再生劑主要由12.5%的0-540℃輕質(zhì)組分和大部分膠質(zhì)組成。在整個(gè)試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)（0-750℃），GL和XK的回收率分別僅為77.5%和66.3%。

圖11可見(jiàn)，五種再生劑中，KLF、CA、SC再生劑均在分子量在C20-C35之間具有明顯的分布，＞C35的分子量分布接近于0；GL再生劑在C25處存在分布極值，C30-C48接近于0，C48-C70之間具有1%左右的混合物分布；XK再生劑在C22-C40均有少量混合物均勻分布，C50-C68之間具有1%～2%的混合物分布。結(jié)合紅外光譜及圖6、圖7的分析結(jié)論可見(jiàn)，C20-C40之間的混合物主要為輕質(zhì)組分，C40-C70之間主要為膠質(zhì)成分，＞C70主要為瀝青質(zhì)，蒸餾過(guò)程中殘留在色譜柱中，所以五種再生劑＞C70的物質(zhì)分布均為0。

圖8為五種再生劑RTFOT前后初餾點(diǎn)溫度，將初餾點(diǎn)溫度與質(zhì)量損失之間進(jìn)行擬合，得到線性關(guān)系為y=-0.0524x+23.10，相關(guān)系數(shù)為0.9237（如圖9）?？梢?jiàn)，初餾點(diǎn)越低，再生劑的耐老化性能越大，五種再生劑中XK和GL的初餾點(diǎn)和質(zhì)量損失最小，滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》JTG F41-2008規(guī)定。同樣說(shuō)明，再生劑中輕質(zhì)組分含量越大，越容易發(fā)生熱損失，熱穩(wěn)定性變差；膠質(zhì)含量越多，再生劑熱穩(wěn)定性越好。因此，在選擇瀝青再生劑時(shí)，不能偏向于芳烴油含量大的再生劑，膠質(zhì)含量大的低黏度油料具有更好的再生效果和熱穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

論文以五種瀝青再生劑為研究對(duì)象，通過(guò)紅外光譜、高溫氣相模擬蒸餾試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)進(jìn)行了再生劑組分構(gòu)成及熱穩(wěn)定性的研究，得出以下結(jié)論：

1）五種再生劑中，KLF、CA、SC主要由輕質(zhì)組分構(gòu)成，GL主要由輕質(zhì)組分和膠質(zhì)組成，XK主要由膠質(zhì)組分構(gòu)成。

2）輕質(zhì)組分含量高的KLF、CA、SC，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)后質(zhì)量損失大，均不滿足《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》JTG F41-2008對(duì)于瀝青再生劑的熱穩(wěn)定性要求。膠質(zhì)成分含量高的GL和XK的熱穩(wěn)定性好，RTFOT前后的質(zhì)量損失滿足規(guī)范要求。

3）五種瀝青再生劑餾點(diǎn)溫度與質(zhì)量損失之間進(jìn)行具有線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9237。初餾點(diǎn)越低，再生劑的耐老化性能越好。

4）結(jié)合紅外光譜及高溫模擬蒸餾試驗(yàn)結(jié)果，得出C20-C40之間的混合物主要為輕質(zhì)組分，C40-C70之間主要為膠質(zhì)成分，＞C70主要為瀝青質(zhì)，蒸餾過(guò)程中殘留在色譜柱中，導(dǎo)致五種再生劑＞C70的物質(zhì)分布均為0。

5）選擇瀝青再生劑時(shí)，不能偏向于芳烴油含量大的再生劑，膠質(zhì)含量大的低黏度油料具有更好的再生效果和熱穩(wěn)定性。