旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法回收瀝青及其改進方法研究

張 亞 財， 韓 森， 邵 珠 濤

( 1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司， 云南 昆明 650051；2.長安大學 公路學院， 陜西 西安 710064 )

0 引 言

從瀝青混合料中回收瀝青膠結料，并準確評價瀝青膠結料性質(zhì)，將為分析瀝青路面車轍、坑槽、裂縫等病害產(chǎn)生的原因提供參考，為混合料配合比設計、瀝青路面養(yǎng)護決策與再生方式提供選擇依據(jù)[1-2]．目前，瀝青膠結料回收方法主要有旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法和阿布森法[3-4]．1933年，國外學者提出采用阿布森法萃取回收瀝青，結果發(fā)現(xiàn)該方法容易殘留溶劑、降低瀝青勁度．1970年，美國弗吉尼亞州交通研究中心提出旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法也可以用于回收瀝青，Burr等[5]在1993年發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法在去除溶劑方面比阿布森法更為有效，而且一次能回收更大容量的溶液．如今，由于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法相對簡單，且對回收瀝青性質(zhì)影響較小，美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)、第十七屆世界道路會議和美國公路戰(zhàn)略研究計劃(SHRP)均提出了采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器從混合料中回收瀝青的方法，并在歐美地區(qū)被廣泛使用．

在我國，JTG E20—2011規(guī)范中對兩種回收方法均有試驗規(guī)程[1]．考慮設備操作的簡便性，工程實踐和研究中主要采用阿布森法回收瀝青，但該方法試驗精度低，容易使回收瀝青殘留三氯乙烯并產(chǎn)生老化，因此國內(nèi)學者逐漸開始關注旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法，并進行了一些試驗．馬翔等[6]、樊亮等[7]按照我國規(guī)范中旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法推薦的試驗流程，在負壓(真空度)為6.67 kPa、(50±5) ℃下先低溫蒸餾，然后(155±2) ℃下高溫持續(xù)蒸餾15 min，最后以1 000 mL/min的流速通入CO2氣體2 min回收瀝青，結果發(fā)現(xiàn)：旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法雖然較阿布森法有較高精度，但并不能完全去除殘留的三氯乙烯溶劑．耿九光[8]、馬濤等[9]則嘗試通過延長(155±2) ℃下高溫蒸餾時間以去除三氯乙烯，但容易造成瀝青老化，回收的瀝青不能準確反映原有瀝青的性質(zhì)．

綜上所述，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法回收瀝青雖然在國外具有良好的應用效果，但在我國該方法仍存在不足，并未取得與國外相同的效果．分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是：(1)瀝青回收方法難度大，影響因素較多，回收條件掌握不當容易使回收得到的瀝青殘留溶劑或產(chǎn)生老化；(2)我國規(guī)范中的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法是參照日本道路協(xié)會鋪裝試驗法列出的，由于我國與歐美、日本所用的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)設備類型、儀器參數(shù)和試驗材料存在差異，采用這些方法時需要結合我國試驗操作情況進行調(diào)整修訂和適用性驗證．基于此，本文將瀝青與三氯乙烯的混合溶液按旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法進行瀝青回收，采用常規(guī)性能試驗、動態(tài)剪切流變儀(DSR)溫度掃描試驗、多應力重復蠕變(MSCR)試驗和傅里葉變換紅外光譜(FTIR)，從物理指標、流變行為和化學特性3個方面對比分析原樣瀝青和回收瀝青的性質(zhì)，探討我國現(xiàn)有標準旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法存在的不足，并提出改進措施，以期降低瀝青回收過程中各種因素對瀝青性質(zhì)的影響，為準確評價混合料中瀝青的技術性質(zhì)提出較為合理的方法．

1 原材料與試驗設計

1.1 試驗原材料

研究以克拉瑪依90#基質(zhì)瀝青(KLM90#)作為試驗材料，其技術指標滿足規(guī)范要求．所用溶劑為工業(yè)用三氯乙烯，純度大于99%，其技術性質(zhì)如表1所示．試驗前，將200 g KLM 90#瀝青用1 000 g三氯乙烯溶解至一定溶度，并攪拌均勻，制備瀝青試驗溶液．

表1 工業(yè)用三氯乙烯技術性質(zhì)

1.2 試驗方法

(1)回收瀝青

回收瀝青所使用設備為瑞士Buchi公司生產(chǎn)的R-210型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，如圖1所示．按照規(guī)范要求的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法，在真空度為6.67 kPa時，將瀝青空白試驗溶液在(50±5) ℃下先低溫蒸餾至冷凝管無溶劑下落，然后在(155±2) ℃高溫持續(xù)蒸餾15 min(此即為高溫蒸餾時間)，最后以1 000 mL/min的流速通入CO2氣體2 min進行瀝青回收．在低溫蒸餾階段，利用負壓，通過回流蛇形冷凝管下端外接口自動向蒸餾燒瓶內(nèi)補充溶液，增大回收瀝青的量，減小試驗操作帶來的誤差．

圖1 回收瀝青旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器

(2)性能測試

按照現(xiàn)行規(guī)范JTG E20—2011，對回收瀝青進行針入度、延度、軟化點、135 ℃布氏黏度等物理指標試驗．利用圖2所示傅里葉變換紅外光譜儀對原樣瀝青或回收瀝青進行化學特性分析，其中紅外光譜分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為32次，同一樣品重復裝樣3次掃描．同時，采用圖3所示MCR302型動態(tài)剪切流變儀(DSR)進行溫度掃描試驗和MSCR試驗，分析原樣瀝青或回收瀝青的流變行為．其中，DSR溫度掃描采用應變控制模式，溫度掃描范圍為52～76 ℃；MSCR試驗溫度采用64 ℃，在0.1和3.2 kPa兩種蠕變應力水平分別進行10個周期的連續(xù)測試．

圖2 傅里葉變換紅外光譜儀

圖3 MCR302型動態(tài)剪切流變儀

1.3 評價指標

1.3.1 物理性質(zhì)評價指標 為量化分析旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法回收瀝青的最佳高溫蒸餾時間，引入偏差系數(shù)(計算公式見式(1))，研究回收瀝青的各項物理指標與原樣瀝青指標的偏度．

(1)

1.3.2 流變行為評價指標 瀝青中殘留三氯乙烯或瀝青產(chǎn)生了老化，對其高溫性能、溫度敏感性和應力敏感性影響較為顯著[10-11]．因此，本研究將原樣瀝青和回收瀝青進行DSR溫度掃描和MSCR試驗，以評價瀝青的高溫性能、溫度敏感性和應力敏感性．

(1)DSR溫度掃描試驗

通過DSR溫度掃描試驗能獲得復合剪切模量G*和相位角δ等參數(shù)隨溫度演化的曲線，從而評價瀝青黏-彈特性．G*是表征瀝青抵抗變形能力的指標，G*越大瀝青高溫抗變形能力越強．δ是表征瀝青黏性成分與彈性成分比例的指標，δ越小瀝青中彈性成分越多，瀝青越接近凝膠體，高溫抗變形性能越好．

為進一步分析瀝青的溫度敏感性，按照經(jīng)驗公式(2)將復合剪切模量對數(shù)與溫度在雙對數(shù)坐標下進行線性擬合，得到瀝青溫度敏感性指標IGTS．

lg lgG*=-IGTS·lgt+C

(2)

式中：G*表示復合剪切模量；t表示掃描溫度；C表示回歸系數(shù)；IGTS表征瀝青的溫度敏感程度，IGTS越大表明瀝青溫度敏感性越強．

(2)MSCR試驗

MSCR試驗是美國SHRP研究的最新成果，可用于測試瀝青的高溫性能和應力敏感性．將原樣瀝青和回收瀝青進行MSCR試驗，得到0.1和3.2 kPa兩種應力水平下的不可恢復蠕變?nèi)崃縅nr-0.1和Jnr-3.2，并根據(jù)式(3)計算應力敏感性指標Jnr-diff．

(3)

1.3.3 化學特性評價指標 紅外光譜是一種在有機化學研究中廣泛應用的技術，可以用來鑒別未知物的結構組成或定量分析某化學基團的含量[12]．基于此，本研究利用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)對回收瀝青進行化學特性分析．首先，為定性分析瀝青中三氯乙烯的存在，將三氯乙烯進行FTIR掃描；然后，為驗證FTIR對瀝青中殘留三氯乙烯劑量變化檢測的敏感性，向KLM90#瀝青中分別添加1%、3%、5%(以瀝青質(zhì)量為基數(shù))三氯乙烯攪拌均勻，配制成混合物，使其呈可塑狀態(tài)，涂覆于檢測板上進行FTIR分析，并與KLM90#瀝青進行對比．試驗結果如圖4所示．

圖4 原樣瀝青、混有三氯乙烯的瀝青和三氯乙烯的紅外光譜圖

Fig.4 Infrared spectrogram of original asphalt, asphalt with trichloroethylene and trichloroethylene

由圖4可見，三氯乙烯在783、840、931 cm-1處出現(xiàn)了較為明顯的特征峰變化，查看《有機化合物基團振動頻率表》可知，該3個位置處均為CCl基團特征峰．與KLM90#瀝青相比，混有三氯乙烯的瀝青在783、840、931 cm-1處也出現(xiàn)了較為明顯的特征峰變化，且隨著瀝青中混有的三氯乙烯含量增加，3個位置處的特征峰變化越明顯，表明FTIR對三氯乙烯劑量變化檢測具有較好敏感性．因此，本文將783、840、931 cm-1特征峰的存在和強度變化作為回收瀝青中三氯乙烯溶劑殘留程度的判斷依據(jù)．

It=SCCl/SC—H

(4)

Ic=SC=O/SC—H

(5)

Is=SS=O/SC—H

(6)

式中：SCCl表示CCl基團特征吸收峰積分面積，其為CCl基團在783、840、931 cm-1處特征吸收峰面積之和；SC=O表示羰基特征峰積分面積；SS=O表示亞砜基特征峰積分面積；SC—H表示亞甲基C—H特征峰積分面積．

2 標準回收方法存在的問題與改進

按照現(xiàn)有規(guī)范的標準旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法回收瀝青，得到的瀝青技術性質(zhì)如表2所示．文中KLM90#表示原樣瀝青，S-15 min表示采用標準旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法高溫蒸餾15 min回收得到的瀝青，M-0.5 h表示采用改進的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法高溫蒸餾0.5 h得到的瀝青，以此類推．

表2 原樣瀝青及回收瀝青技術性質(zhì)

由表2可知，與基質(zhì)瀝青KLM90#相比，采用標準旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法回收得到的瀝青針入度較大，軟化點較小，延度較大，135 ℃布氏黏度較小，表明該瀝青中仍殘留部分三氯乙烯．因此，需要對現(xiàn)有規(guī)范中的回收方法進行改進．

為了有效去除回收瀝青過程中三氯乙烯殘留的影響，同時又不造成瀝青過度老化，可在試驗過程中通過增大真空度(降低負壓)、降低高溫蒸餾溫度、延長蒸餾時間等措施來解決[7]．已有研究表明[5]，瀝青膠結料在130 ℃時具有較好流動性而且不易出現(xiàn)老化．因此，本文在現(xiàn)有標準回收方法的基礎上做出如下改進：

(1)增大回收過程中的真空度．將規(guī)范要求負壓6.67 kPa減小為4.6 kPa，以加快回收效率，保證三氯乙烯去除干凈．

(2)降低高溫蒸餾溫度，適當延長蒸餾時間．規(guī)范要求高溫蒸餾過程中在15 min內(nèi)上升至(155±2) ℃，并在此狀態(tài)下保持15 min，然而試驗發(fā)現(xiàn)該過程不僅不能保證三氯乙烯完全蒸餾干凈，而且容易造成回收瀝青老化．為有效解決這個問題，將回收的瀝青在130 ℃下高溫蒸餾，并適當延長高溫蒸餾時間．

(3)延長CO2氣體通入時間．規(guī)范要求在高溫蒸餾的最后階段向燒瓶內(nèi)以1 000 mL/min的流速通入CO2氣體2 min，然而試驗發(fā)現(xiàn)該過程持續(xù)時間太短，對防止回收的瀝青老化、置換三氯乙烯氣體作用不大．因此，在進入高溫蒸餾階段就開始以1 000 mL/min的流速通入CO2氣體至試驗結束．

為驗證改進的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法合理性，探討適宜的高溫蒸餾時間，本文將配制好的瀝青試驗溶液按照改進的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法，在全過程4.6 kPa負壓、130 ℃高溫階段持續(xù)通入CO2氣體，高溫蒸餾時間分別為0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 h進行瀝青回收．然后，將回收得到的瀝青膠結料進行性能測試與分析，試驗方案如圖5所示．

圖5 試驗設計方案

3 試驗結果與分析

3.1 物理指標分析

不同高溫蒸餾時間下得到的回收瀝青相關技術性質(zhì)和偏差系數(shù)分別見表3、4．

由表3、4可知，隨著高溫蒸餾時間延長，回收瀝青技術指標的偏差系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢．這主要是高溫蒸餾前期，回收瀝青以三氯乙烯揮發(fā)為主導，隨著高溫蒸餾時間延長，回收瀝青中三氯乙烯逐漸被蒸餾出來，從而使瀝青的針入度、延度減小，軟化點、135 ℃布氏黏度增大，因此回收瀝青各項指標逐漸接近原樣瀝青指標；但當高溫蒸餾時間過長(時間為3.0 h)時，三氯乙烯被蒸餾除凈，回收瀝青持續(xù)受熱而導致輕質(zhì)組分揮發(fā)，瀝青結構從溶-凝膠型向凝膠型轉(zhuǎn)變，從而使回收瀝青135 ℃布氏黏度增大，同時在10 ℃水浴拉伸過程中延度減小、峰值應力增大，表明回收瀝青已經(jīng)產(chǎn)生老化．當高溫蒸餾時間為2.0 h時，回收瀝青技術指標的偏差系數(shù)最小，其瀝青技術性質(zhì)與原樣瀝青基本相當，表明高溫蒸餾時間合理，回收瀝青的技術性質(zhì)較為接近原樣瀝青的真實狀態(tài)．

表3 回收瀝青技術性質(zhì)

表4 回收瀝青技術指標的偏差系數(shù)

3.2 流變行為分析

3.2.1 DSR溫度掃描試驗 通過DSR溫度掃描試驗，得到原樣瀝青和不同高溫蒸餾時間下回收瀝青的G*和δ隨溫度t變化的關系，如圖6所示．

由圖6可見，與原樣瀝青相比，采用標準旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法回收得到的瀝青G*較小、δ較大，表明回收瀝青高溫性能較原樣瀝青差，回收瀝青中仍然殘留部分三氯乙烯．采用改進的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法回收瀝青，隨著高溫蒸餾時間延長，G*逐漸增大，δ逐漸變小，表明瀝青彈性成分逐漸增多，三氯乙烯逐漸被蒸餾去除，高溫性能逐漸增強．當高溫蒸餾時間為2.0 h時，回收瀝青G*、δ與原樣瀝青基本相當；而當高溫蒸餾時間為3.0 h時，回收瀝青較原樣瀝青彈性增加，G*顯著增大、δ明顯降低，高溫性能增強，表明回收瀝青產(chǎn)生了老化．

(a) G*-t

(b) δ-t

圖6 原樣瀝青和回收瀝青G*和δ隨溫度t變化的關系

Fig.6 Variation ofG*andδof original asphalt and recovered asphalt with temperature

同時，按照經(jīng)驗公式(2)將復合剪切模量對數(shù)與溫度在雙對數(shù)坐標下進行線性擬合，以分析原樣瀝青和不同高溫蒸餾時間下回收瀝青的溫度敏感性，結果如表5所示．

由表5可知，復合剪切模量對溫度線性方程的相關系數(shù)較大(R2>0.99)，將IGTS作為瀝青溫度敏感性指標是可行的．采用改進的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法回收瀝青，隨著高溫蒸餾時間延長，瀝青IGTS呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢．產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要在于高溫蒸餾時間較短，瀝青中殘留的三氯乙烯使瀝青變軟，溫度掃描過程中G*隨溫度變化不大，因此回收瀝青IGTS較小，小于原樣瀝青IGTS；隨著蒸餾時間延長，三氯乙烯被逐漸蒸餾揮發(fā)，G*隨溫度變化較大，因此回收瀝青IGTS逐漸增大，接近原樣瀝青IGTS；但當蒸餾時間較長時，三氯乙烯被完全蒸餾，瀝青逐漸產(chǎn)生老化，IGTS逐漸下降．

表5 原樣瀝青和回收瀝青l(xiāng)g lg G*-lg t線性回歸結果

3.2.2 MSCR試驗 將原樣瀝青和回收瀝青進行MSCR試驗，得到在0.1和3.2 kPa兩種應力水平下的不可恢復蠕變?nèi)崃縅nr-0.1和Jnr-3.2，并根據(jù)式(3)計算應力敏感性指標Jnr-diff，試驗結果如圖7所示．

(a) Jnr

(b) Jnr-diff

圖7 原樣瀝青和回收瀝青MSCR試驗結果

Fig.7 MSCR test results of original asphalt and recovered asphalt

不可恢復蠕變?nèi)崃縅nr(Jnr-0.1和Jnr-3.2)可以表征瀝青的高溫性能，Jnr越小瀝青高溫彈性越好，相應抗變形能力越強[13]．由圖7(a)可見，在0.1、3.2 kPa兩種蠕變應力水平下，隨著高溫蒸餾時間延長，回收瀝青Jnr均逐漸降低，表明延長高溫蒸餾時間可使瀝青殘留的三氯乙烯逐漸減少，瀝青高溫性能逐漸得到恢復．

Jnr-diff表征瀝青應力敏感性，Jnr-diff越小，瀝青應力敏感度越低，穩(wěn)定性越好．由圖7(b)可見，隨著高溫蒸餾時間延長，瀝青Jnr-diff逐漸增加；特別當高溫蒸餾時間為3.0 h時，回收瀝青Jnr-diff為39.02%，較原樣瀝青Jnr-diff的23.14%增加68.6%．產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因主要是高溫蒸餾時間較短，瀝青中殘留的三氯乙烯充當溶劑使瀝青變?nèi)彳?，回收瀝青Jnr-diff遠低于原樣瀝青Jnr-diff；隨著高溫蒸餾時間延長，三氯乙烯被逐漸蒸餾揮發(fā)，瀝青變硬，Jnr-diff逐漸增加，但當蒸餾時間較長時，三氯乙烯被完全蒸餾，持續(xù)加熱使瀝青產(chǎn)生了老化，Jnr-diff顯著增加．

3.3 化學特性分析

通過FTIR試驗得到原樣瀝青和不同高溫蒸餾時間下回收瀝青的紅外光譜圖(見圖8)，然后采用Matlab程序和Origin軟件計算得到It、Is、Ic，結果如圖9所示．

結合圖8和圖9(a)可知，與原樣瀝青相比，采用標準旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法回收的瀝青在783、840、931 cm-1處出現(xiàn)了CCl基團特征吸收峰，且It為0.375 8，表明瀝青中仍有大量三氯乙烯殘留．采用改進的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法回收瀝青，隨著高溫蒸餾時間延長，瀝青It在逐漸減小，表明瀝青中三氯乙烯的殘留量在逐漸降低；當高溫蒸餾時間為2.0、3.0 h時，其CCl基團特征峰已消失，It較小，表明采用改進的旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法高溫蒸餾2.0 h 可以消除三氯乙烯對回收瀝青的影響．

圖8 原樣瀝青和回收瀝青紅外光譜圖

(a) It

(b) Is、Ic

圖9 原樣瀝青和回收瀝青的It、Is和Ic

Fig.9It,IsandIcof original asphalt and recovered asphalt

4 結 論

(2)隨著高溫蒸餾時間延長，回收瀝青中三氯乙烯被逐漸蒸餾干凈，G*增大、δ減小，高溫性能逐漸增強，但蒸餾時間過長，回收瀝青會產(chǎn)生老化，因此回收瀝青時高溫蒸餾時間不宜過長．

(3)紅外光譜783、840、931 cm-1處特征峰的存在和強度變化能有效表征回收瀝青中三氯乙烯溶劑殘留程度，而采用溫度敏感性指標IGTS和應力敏感性指標Jnr-diff能準確判斷回收瀝青是否產(chǎn)生老化或殘留三氯乙烯．

(4)通過對比分析不同高溫蒸餾時間下回收瀝青的物理指標、流變行為和化學特性的變化，采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法回收瀝青時，建議真空負壓為4.6 kPa，高溫蒸餾溫度為130 ℃，高溫蒸餾時間為2.0 h．