瀝青膠結(jié)料回收與再生方法研究

嚴(yán)友建，高巍，劉合鋒

（1.中鐵交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200；2.長安大學(xué)，陜西 西安 710000）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的快速發(fā)展，公路建設(shè)事業(yè)也處于快速發(fā)展的黃金期。到2019 年年末，全國已建成的公路總里程達(dá)501.25 萬km，其中有14.96 萬km 是高速公路[1]，穩(wěn)居世界第一，我國正在加快由交通大國邁向交通強(qiáng)國的步伐[2]。但是與歐美等發(fā)達(dá)國家相比，我國公路建設(shè)事業(yè)開始時(shí)間較晚，為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，公路建設(shè)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相應(yīng)技術(shù)發(fā)展完善的進(jìn)程，再加上我國公路面臨的環(huán)境復(fù)雜、氣候多變、交通量大和超載嚴(yán)重等問題，導(dǎo)致大部分瀝青路面在運(yùn)營后未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限時(shí)，甚至短短兩三年內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)車轍、坑槽、裂縫等各種病害[3.4]，需要進(jìn)行維修與養(yǎng)護(hù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年我國公路養(yǎng)護(hù)里程495.31萬km，占公路總里程98.8%。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，瀝青路面在我國已建成的高等級(jí)公路中占比超過90%[5]，且每年需要維修養(yǎng)護(hù)的瀝青路面超過了12%[6]，由此估計(jì)，若采用傳統(tǒng)的銑刨重鋪維修養(yǎng)護(hù)方式，我國每年可產(chǎn)出1.8 億t 以上瀝青路面回收銑刨料（Reclaimed Asphalt Pavement，RAP）[7]。若將這些舊料廢棄，則會(huì)浪費(fèi)資源，污染環(huán)境，與節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國策及綠色發(fā)展理念相悖；而采用瀝青路面再生技術(shù)不僅會(huì)實(shí)現(xiàn)舊料的再生利用，緩和資源矛盾，而且其適用范圍廣，經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效應(yīng)及社會(huì)效益顯著[8]。而且我國高等級(jí)瀝青路面大多采用優(yōu)質(zhì)的瀝青和石料，因此舊瀝青路面回收銑刨料的再生利用價(jià)值顯著[9]。因此對(duì)廢舊瀝青路面材料進(jìn)行再生利用，己經(jīng)成為我國高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)的必然趨勢(shì)。

瀝青膠結(jié)料的回收與再生是瀝青路面再生技術(shù)的基礎(chǔ)與前提，因此本文系統(tǒng)研究了廢舊瀝青混合料中瀝青膠結(jié)料的回收與再生方法，旨在為深入研究與推廣瀝青路面再生技術(shù)提供支撐。

2 瀝青膠結(jié)料回收與再生方法

2.1 瀝青膠結(jié)料回收方法

從廢舊瀝青混合料中回收瀝青膠結(jié)料的原理在于選擇合適的溶劑使瀝青溶解，得到含有瀝青的溶液，再將瀝青膠結(jié)料從溶液中提取出來。其中需要解決的主要難點(diǎn)，一是溶劑的選擇；二是溶劑與瀝青的分離技術(shù)。此外溶劑在溶解瀝青混合料中瀝青的同時(shí)不可避免地會(huì)混入少量礦粉，混入的礦粉對(duì)再生瀝青的性質(zhì)會(huì)造成不利影響，因此必須去除溶液中的礦粉[10.11]。

對(duì)于回收瀝青膠結(jié)料的溶劑，國內(nèi)外有著不同的規(guī)定。ASTM D 2172規(guī)定采用三氯乙烯、三氯甲烷或者笨等有機(jī)溶劑；日本基于對(duì)溶劑的毒性、不可燃性與沸點(diǎn)等的考量，規(guī)定采用三氯乙烯作為回收瀝青膠結(jié)料的溶劑；我國規(guī)范規(guī)定采用高純度的工業(yè)用三氯乙烯作為回收瀝青膠結(jié)料的溶劑。

目前去除瀝青中混入礦粉常用的方法有靜置沉淀法和高速離心分離法。靜置沉淀法利用重力作用來去除礦粉顆粒，一般需沉降24 h才可使礦粉含量低于1%，效率較低[12]，且對(duì)于礦粉顆粒與瀝青溶液可能形成的穩(wěn)定膠體物質(zhì)，其分離效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證[13]；而采用離心分離法時(shí)間較短，因此我國規(guī)范推薦采用高速離心分離法來去除瀝青中混入的礦粉。

對(duì)于去除瀝青中三氯乙烯溶劑，我國現(xiàn)行規(guī)范提供了兩種方法，分別是阿布森法與旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法[14]。兩者都是利用高速離心分離法去除礦粉得到含有瀝青與三氯乙烯的抽提液，然后采用蒸餾法使三氯乙烯揮發(fā)，從而回收得到瀝青膠結(jié)料；兩者的主要區(qū)別在于試驗(yàn)裝置不同。相比較而言，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法操作相對(duì)簡單、試驗(yàn)精度高，且對(duì)回收瀝青性質(zhì)影響較小，在國內(nèi)外被廣泛使用。

2.2 瀝青膠結(jié)料再生機(jī)理與再生方法

瀝青老化伴隨著瀝青路面從修建到使用的整個(gè)過程，包括拌和、運(yùn)輸、貯存、攤鋪、碾壓等階段的短期老化，和瀝青路面修建完畢后整個(gè)服役階段的長期老化[15]。瀝青短期老化主要是熱老化，受溫度控制，嚴(yán)格控制施工溫度可以降低瀝青老化程度；長期老化則與自然環(huán)境中的光、熱、水、氧等因素及行車荷載等有關(guān)。

隨著老化程度的提高，瀝青逐漸變硬，黏度逐漸增大，與集料的粘附性逐漸降低，從而導(dǎo)致瀝青路面路用性能降低。有關(guān)研究指出[16]，盡管瀝青的質(zhì)量只占瀝青混合料總質(zhì)量的3%～15%，但卻影響著瀝青混合料70%以上的性能。由此可見，瀝青的老化嚴(yán)重影響著瀝青路面的性能，因此必須深入研究老化瀝青的再生機(jī)理與再生方法。

目前對(duì)于瀝青老化機(jī)理的分析，存在兩種主流理論，即組分遷移理論與相容性理論。前者認(rèn)為，只有當(dāng)構(gòu)成瀝青的各組分滿足一定的數(shù)量關(guān)系時(shí)，瀝青才能表現(xiàn)出良好的性質(zhì)，而瀝青的老化破壞了這一關(guān)系從而導(dǎo)致瀝青的性質(zhì)降低。后者將瀝青假想為高分子濃溶液，即瀝青質(zhì)為溶質(zhì)分散在包括膠質(zhì)與油分等在內(nèi)的軟質(zhì)瀝青構(gòu)成的溶劑中，只有當(dāng)兩者的溶解度參數(shù)之差小于某一定值時(shí)，瀝青各組分才能處于穩(wěn)定相容狀態(tài)。

基于組分遷移理論，學(xué)者提出向老化瀝青中添加低粘度的油料或其他軟質(zhì)瀝青材料，以補(bǔ)充失去的油分，對(duì)老化瀝青的組分進(jìn)行調(diào)配，使再生瀝青中各組分比例重新達(dá)到平衡，從而恢復(fù)其使用性質(zhì)[17]?；谙嗳菪岳碚?，可以認(rèn)為老化瀝青的再生過程就是使瀝青中瀝青質(zhì)與軟質(zhì)瀝青的溶解度參數(shù)之差減小的過程，當(dāng)差值小于限值時(shí)，兩者重新恢復(fù)到相混相容的穩(wěn)定狀態(tài)。

常用的瀝青再生劑一般是機(jī)油、潤滑油、抽出油和玉米油等低黏度的輕質(zhì)油料。這些瀝青再生劑的相同之處在于，它們都含有較高比例的芳香分。一方面，這是由于芳香分油料的分子量小，而分子量越小對(duì)大分子間的潤滑作用越顯著，低分子量的芳香分可以大大提高瀝青質(zhì)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。另一方面，芳香分具有良好的溶解性，能夠溶脹瀝青質(zhì)，從而促使其相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)原材料

本文選擇的瀝青為克拉瑪依90#瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1；所用的溶劑為純度大于99%的工業(yè)用三氯乙烯，技術(shù)特性見表2；所選用的礦粉為石灰?guī)r礦粉，其技術(shù)性質(zhì)見表3。

表1 克拉瑪依90#瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 三氯乙烯技術(shù)性質(zhì)

表3 礦粉主要技術(shù)指標(biāo)

本文試驗(yàn)所采用的舊瀝青混合料為服役3 年的舊瀝青路面銑刨得到的瀝青混合料（瀝青為克拉瑪依90#基質(zhì)瀝青，集料級(jí)配類型為AC-13），銑刨料回收后曾露天儲(chǔ)存1年。采用三氯乙烯作為溶劑，將加熱松散的瀝青混合料溶解后，采用高速離心分離法得到含有瀝青膠結(jié)料的抽提液，再采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法回收得到瀝青膠結(jié)料，通過試驗(yàn)測(cè)定回收瀝青的技術(shù)性質(zhì)見表4。所選用的再生劑技術(shù)指標(biāo)見表5。

表4 回收瀝青的技術(shù)性質(zhì)

表5 再生劑的技術(shù)指標(biāo)

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

瀝青膠結(jié)料在抽提與回收過程中，不可避免地會(huì)殘留少量礦粉與三氯乙烯，為分析礦粉與三氯乙烯殘留量對(duì)瀝青性質(zhì)的影響，本文分別在已知技術(shù)性質(zhì)的瀝青中摻入不同比例的礦粉（0、1%、3%、5%）與三氯乙烯（0、0.5%、1%、2%、4%）并充分?jǐn)嚢杈鶆颍缓笸ㄟ^試驗(yàn)測(cè)定，比較回收瀝青的25℃針入度、軟化點(diǎn)、10℃延度、135℃布氏黏度的變化。

為了分析阿布森法與旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法對(duì)回收瀝青性質(zhì)的影響，本文將已知技術(shù)性質(zhì)的基質(zhì)瀝青溶于三氯乙烯中，然后分別通過阿布森法與旋蒸蒸發(fā)器法回收瀝青膠結(jié)料，最后通過試驗(yàn)測(cè)定并比較回收瀝青的25℃針入度、軟化點(diǎn)、10℃延度、135℃布氏黏度的變化。

為了確定合理的再生劑摻量，分析再生劑摻量對(duì)老化瀝青技術(shù)性質(zhì)的影響，本文向回收得到的老化瀝青中摻入不同劑量的再生劑（0、1%、3%、5%、7%），然后通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定再生瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度、135℃布氏黏度、76℃車轍因子等指標(biāo)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 礦粉殘留量對(duì)瀝青技術(shù)性質(zhì)的影響

分別通過針入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、延度試驗(yàn)、布氏黏度試驗(yàn)測(cè)定礦粉殘留量對(duì)回收瀝青性質(zhì)的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 礦粉對(duì)瀝青膠結(jié)料性能影響試驗(yàn)結(jié)果

由表6 可知，隨礦粉殘留量的增大，瀝青的25℃針入度減小，軟化點(diǎn)增大，10℃延度降低，135℃黏度增大，這說明殘留礦粉導(dǎo)致瀝青變黏變硬，對(duì)瀝青的性質(zhì)造成了不利影響。因此，瀝青膠結(jié)料回收過程中應(yīng)該選用合適的方法去除溶液中殘留的礦粉，以減小對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

4.2 三氯乙烯殘留量對(duì)瀝青技術(shù)性質(zhì)的影響

分別通過針入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、延度試驗(yàn)、布氏黏度試驗(yàn)測(cè)定三氯乙烯殘留量對(duì)回收瀝青性質(zhì)的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

由表7 可知，隨著三氯乙烯殘留量的增大，瀝青的25℃針入度增大，軟化點(diǎn)降低，10℃延度增大，135℃黏度降低。為準(zhǔn)確評(píng)價(jià)回收瀝青膠結(jié)料的性質(zhì)，正確進(jìn)行瀝青再生，應(yīng)選用合適的方法去除三氯乙烯，嚴(yán)格控制其殘留量。

表7 三氯乙烯對(duì)瀝青膠結(jié)料性能影響試驗(yàn)結(jié)果

4.3 回收方法對(duì)瀝青技術(shù)性質(zhì)的影響

分別通過針入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、延度試驗(yàn)、布氏黏度試驗(yàn)，測(cè)定不同回收方法對(duì)回收瀝青性質(zhì)的影響，試驗(yàn)結(jié)果如見8。

由表8 可知，與基質(zhì)瀝青相比，兩種瀝青膠結(jié)料回收方法均導(dǎo)致瀝青的25℃針入度降低，軟化點(diǎn)增大，10℃延度降低，135℃黏度增大，相比較而言，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法的變化程度更小，這說明兩種方法在回收瀝青膠結(jié)料時(shí)均導(dǎo)致了瀝青的老化，且阿布森法回收得到的瀝青膠結(jié)料老化更明顯，操作旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法試驗(yàn)精度更高。此外，阿布森法的儀器較為復(fù)雜，因此目前旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法應(yīng)用范圍更廣。

表8 回收方法對(duì)瀝青技術(shù)性質(zhì)的影響

4.4 再生劑摻量對(duì)老化瀝青技術(shù)性質(zhì)的影響

分別通過針入度試驗(yàn)、軟化點(diǎn)試驗(yàn)、延度試驗(yàn)、布氏黏度試驗(yàn)及DSR 高溫溫度掃描試驗(yàn)測(cè)定再生劑摻量對(duì)老化瀝青性質(zhì)的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 再生劑摻量對(duì)老化瀝青技術(shù)性質(zhì)的影響

由表9 可知，隨著再生劑摻量的提高，再生瀝青的25℃針入度顯著增大，軟化點(diǎn)降低，10℃延度增大，135℃黏度降低，76℃車轍因子降低，這說明再生劑的加入對(duì)老化瀝青的軟化作用顯著，能使變硬變黏的老化瀝青重新恢復(fù)其認(rèn)用性。進(jìn)一步分析表9可知，當(dāng)再生劑摻量達(dá)到5%時(shí)，再生瀝青的25℃針入度與黏度可以恢復(fù)到原基質(zhì)瀝青的水平，但此時(shí)再生瀝青的10℃延度遠(yuǎn)低于原基質(zhì)瀝青，這說明適量的再生劑能軟化老化瀝青，降低其黏度，但是難以恢復(fù)其低溫抗裂性能。一般來說，軟化點(diǎn)與76℃車轍因子能表征瀝青膠結(jié)料的高溫抗車轍性能，再生瀝青的軟化點(diǎn)與76℃車轍因子的降低，表明再生劑的使用導(dǎo)致了再生瀝青高溫性能的降低。

試驗(yàn)結(jié)果表明，再生劑在降低老化瀝青黏度、恢復(fù)其施工性能的同時(shí)，也影響了再生瀝青的高溫抗車轍性能。Shen等[18]的研究結(jié)果表明，使用再生劑會(huì)增大瀝青路面出現(xiàn)車轍病害的概率。我國已有的大量工程經(jīng)驗(yàn)也表明，再生瀝青路面的高溫抗車轍能力會(huì)隨再生劑摻量的提高而降低。因此，工程實(shí)踐中應(yīng)嚴(yán)格控制再生劑的劑量。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)老化瀝青的回收與再生技術(shù)的研究，分析了礦粉與三氯乙烯殘留量及不同回收方法對(duì)回收瀝青性質(zhì)的影響，探討了再生劑摻量對(duì)老化瀝青性質(zhì)的影響，得到的主要結(jié)論如下：

①綜合分析瀝青膠結(jié)料抽提與回收過程，回收瀝青膠結(jié)料中殘留的礦粉與三氯乙烯對(duì)瀝青的性質(zhì)造成影響，即使殘留1%礦粉、0.5%三氯乙烯也會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的偏差。

②阿布森法與旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法均會(huì)導(dǎo)致回收瀝青膠結(jié)料的老化，阿布森法回收得到的瀝青膠結(jié)料老化更明顯。

③再生劑能顯著降低老化瀝青的黏度，增大其25℃針入度，使老化瀝青重新恢復(fù)其施工性。再生劑摻量達(dá)到5%時(shí)，再生瀝青得25℃針入度與黏度可以恢復(fù)到原基質(zhì)瀝青的水平。

④再生劑的使用導(dǎo)致老化瀝青的軟化點(diǎn)與76℃的抗車轍因子降低，影響了再生瀝青的高溫性能，工程實(shí)踐中應(yīng)嚴(yán)格控制再生劑的劑量。