瀝青多次再生后的性能與其組分的關(guān)系分析

曾 蔚，王 杰，秦永春，王維營，張艷鴿

(交通運輸部公路科學(xué)研究所 道路結(jié)構(gòu)與材料交通運輸行業(yè)重點實驗室，北京 100088)

近年來，早期修建的高速公路已陸續(xù)進(jìn)入改擴(kuò)建或大修期.由于筑路材料的日漸稀缺，廢舊瀝青路面材料的再生利用已成為一種必然趨勢，有關(guān)其再生機(jī)理、組成設(shè)計、性能評價及施工工藝等已取得大量研究成果[1-3].目前，瀝青的再生利用研究多采用傳統(tǒng)的物理性質(zhì)指標(biāo)[4-6].瀝青經(jīng)歷老化后，針入度降低、延展性變差、黏度增大等，這一系列物理性質(zhì)的變化主要是由于其化學(xué)組成改變所引起的[7-8].瀝青通?？珊喕癁闉r青質(zhì)、膠質(zhì)、飽和分和芳香分等4個組分[9].飽和分和芳香分的分子質(zhì)量相對較低，屬于輕質(zhì)組分.芳香分作為分散介質(zhì)，具有較強(qiáng)的溶解能力，飽和分可以軟化膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，因而輕質(zhì)組分與瀝青針入度指標(biāo)密切相關(guān).膠質(zhì)作為瀝青質(zhì)的擴(kuò)散介質(zhì)，極性強(qiáng)，使得瀝青具有良好的可塑性、流動性及黏結(jié)性等特征.瀝青質(zhì)是瀝青中的不溶組分，影響著瀝青的黏結(jié)力、黏度和溫度的穩(wěn)定性.瀝青質(zhì)會對膠質(zhì)產(chǎn)生吸附力，是形成瀝青穩(wěn)定膠體結(jié)構(gòu)的主要原因.由于瀝青質(zhì)外圍吸附了膠質(zhì)和芳香分，形成中間相，從而防止瀝青質(zhì)從膠體溶液中分離出來.瀝青膠體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)，受限于瀝青質(zhì)與可溶質(zhì)在相對含量和性質(zhì)兩方面的匹配程度，匹配程度高時瀝青的膠體結(jié)構(gòu)才能處于穩(wěn)定狀態(tài).而膠體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的程度又最終決定了瀝青路用性能的優(yōu)劣.瀝青在老化與再生過程中，4個組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會發(fā)生變化，造成瀝青膠體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的改變，從而表現(xiàn)出物理性質(zhì)的差異[10].

鑒于現(xiàn)有的研究基本都是以瀝青初次再生為基礎(chǔ)開展的，筆者通過瀝青化學(xué)組分試驗(四組分法)以及瀝青3次老化+再生試驗，研究其針入度、軟化點、延度、黏度及4個組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化，對比分析組分變化所引起的物理性質(zhì)變化，研究成果將為瀝青的2次以上再生利用提供參考.

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

瀝青為泰普克70號瀝青，其主要性能指標(biāo)的試驗結(jié)果及技術(shù)要求如表1所示.由表1可知，主要技術(shù)指標(biāo)均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，其中TFOT指薄膜加熱試驗.

表1 瀝青性能指標(biāo)的試驗結(jié)果和技術(shù)要求

續(xù)表

根據(jù)JTG/T 5521—2019《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求，測試瀝青多次再生時所添加再生劑(型號為S)主要技術(shù)指標(biāo).具體數(shù)據(jù)見表2.

表2 再生劑主要性能指標(biāo)試驗結(jié)果及技術(shù)要求

1.2 試驗方案

第1步，根據(jù)JTG/T 5521—2019，采用就地?zé)嵩偕绞綍r，原路面瀝青的25 ℃針入度應(yīng)不低于20(0.1 mm).根據(jù)前期的TFOT試驗結(jié)果，在室內(nèi)163 ℃條件下，加熱10 h制備老化瀝青.此時老化瀝青的針入度約為30(0.1 mm)，接近于使用10 a的實際工程RAP回收瀝青的針入度.第2步，分別從物理性質(zhì)和化學(xué)組分兩方面測試?yán)匣癁r青性能指標(biāo).物理性能指標(biāo)包括25 ℃針入度、軟化點、15 ℃延度和135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度，采用JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中瀝青化學(xué)組分試驗(四組分法)，即采用溶劑沉淀及色譜柱法進(jìn)行瀝青四組分成分分析.第3步，對老化瀝青添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)再生劑進(jìn)行再生處理，分別測試不同再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下瀝青物理性能和化學(xué)組分.第4步，根據(jù)不同再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下瀝青性能的恢復(fù)情況，確定一個合適的再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并制備再生瀝青.以上4個步驟是第1次再生的全部環(huán)節(jié)，用步驟④制備的再生瀝青重復(fù)進(jìn)行這4個步驟，即可完成第2次老化及再生的過程.本研究中完成了瀝青的3次再生過程，每次再生過程的每一個步驟都分別對瀝青結(jié)合料進(jìn)行同樣的測試.

2 瀝青老化及再生試驗

2.1 瀝青初次老化指標(biāo)變化

70號新瀝青在溫度為163 ℃的情況下，經(jīng)過10 h的TFOT老化試驗后，將再生劑分別按預(yù)設(shè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、6%和9%，加入到初次老化的瀝青中，緩慢攪拌均勻后，再進(jìn)行澆模，然后對其物理性能和化學(xué)組分進(jìn)行試驗分析.再生劑對初次老化瀝青物理性能和化學(xué)組分的影響試驗結(jié)果如表3所示.

表3 再生劑對初次老化瀝青物理性能和化學(xué)組分的影響

由表3可知：① 初次老化后，瀝青的針入度和延度顯著降低，軟化點和黏度增大.芳香分和膠質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化最為明顯，其次為瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，飽和分變化最小.② 隨著再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，瀝青的芳香分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，瀝青質(zhì)與膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，飽和分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度較小.瀝青組分的變化致使瀝青針入度和延度增加，軟化點和黏度減小.說明再生劑可通過調(diào)節(jié)各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)改善初次老化瀝青的性能.③ 按照原樣瀝青標(biāo)號進(jìn)行老化瀝青性能恢復(fù)，可能會影響再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性.根據(jù)既往工程應(yīng)用經(jīng)驗，擬定再生瀝青目標(biāo)針入度為50(0.1 mm)，根據(jù)初次老化瀝青的再生效果，擬定初次再生瀝青添加的再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%.

2.2 膠體不穩(wěn)定指數(shù)

膠體不穩(wěn)定指數(shù)可以較好表征軟瀝青質(zhì)的膠溶能力，其定義如下：

(1)

式中：IC為膠體不穩(wěn)定指數(shù)；wb、wf、wj和wl分別為飽和分、芳香分、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%.該指標(biāo)可以反映瀝青在老化過程中膠體性能的變化，其值越小，表明軟瀝青質(zhì)的膠溶能力越強(qiáng)，瀝青膠體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定；反之，瀝青膠體結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，越趨于凝膠型.

將表3相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)，計算原樣瀝青及老化瀝青在不同再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的膠體不穩(wěn)定指數(shù).計算得到原樣瀝青IC=0.512，初次老化瀝青IC=0.574，初次老化瀝青中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、6%和9%的再生劑時，膠體不穩(wěn)定指數(shù)分別為0.572、0.565和0.539.分析結(jié)果可知：初次老化瀝青較原樣瀝青膠體不穩(wěn)定指數(shù)明顯增加；加入再生劑后，再生瀝青的膠體不穩(wěn)定指數(shù)相比于初次老化瀝青開始減??；隨著再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，膠體不穩(wěn)定指數(shù)持續(xù)減小.說明再生劑對初次老化瀝青組分起到了調(diào)節(jié)作用，再生劑溶解、分散了一部分瀝青質(zhì)，改善了膠體結(jié)構(gòu)，使得老化瀝青從凝膠結(jié)構(gòu)向溶膠結(jié)構(gòu)方向轉(zhuǎn)化，從而使瀝青結(jié)構(gòu)變得相對穩(wěn)定.

2.3 瀝青第2、3次老化及其再生試驗

采用163 ℃+10 h的TFOT方法，將初次再生后的瀝青結(jié)合料進(jìn)行老化試驗，然后將再生劑分別按預(yù)設(shè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%、6%和9%加入到第2次老化瀝青中，緩慢攪拌均勻后澆模，進(jìn)行針入度、軟化點、延度、旋轉(zhuǎn)黏度及瀝青化學(xué)組分試驗(四組分法).設(shè)計再生瀝青目標(biāo)針入度50(0.1 mm)，15 ℃延度不小于30 cm，結(jié)合上述第2次老化瀝青的再生效果，擬定第2次再生瀝青的再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%.重復(fù)以上步驟，進(jìn)行第3次老化+再生試驗，匯總3次老化+再生試驗的結(jié)果如表4所示.

表4 瀝青多次老化+再生試驗的結(jié)果對比

續(xù)表

3 試驗結(jié)果分析

3.1 瀝青多次老化+再生試驗中的組分變化

為比較不同再生次數(shù)下瀝青性能的差異，將瀝青進(jìn)行3次老化+再生試驗時，再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)取值6%.對3次瀝青老化+再生試驗中4個組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行對比分析.瀝青各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與瀝青老化+再生試驗的次數(shù)之間的關(guān)系柱狀圖如圖1所示.

圖1 瀝青組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與老化+再生試驗次數(shù)的關(guān)系

由表4和圖1可知：① 瀝青老化時，在高溫有氧環(huán)境下，芳香分發(fā)生氧化聚合，膠質(zhì)中的極性官能團(tuán)發(fā)生分子聚合和縮和反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成瀝青質(zhì)，即瀝青老化時組分大致按照芳香分→膠質(zhì)→瀝青質(zhì)的順序轉(zhuǎn)變.飽和分在老化過程中會發(fā)生斷鏈反應(yīng)，由于受熱，逐漸揮發(fā)，表現(xiàn)出質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少；同時，高溫條件下，部分瀝青質(zhì)會發(fā)生開環(huán)、斷鏈等反應(yīng)，逐漸轉(zhuǎn)變成飽和分，因而飽和分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度較小.② 瀝青再生時，老化瀝青因為再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的調(diào)節(jié)，致使瀝青質(zhì)與膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，芳香分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加.再生瀝青與老化瀝青中的芳香分質(zhì)量分?jǐn)?shù)差值由大至小依次為第1次再生、第2次再生和第3次再生，即表明再生劑作用效果由大至小依次為第1次再生、第2次再生和第3次再生.隨著再生次數(shù)的增加，總體上瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，芳香分和膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低.③ 瀝青多次再生過程中，隨著再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，瀝青膠體不穩(wěn)定指數(shù)持續(xù)減小.說明再生劑改善了老化瀝青各組分的匹配性，溶解分散了部分瀝青質(zhì)，改善了膠體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了再生瀝青組分匹配和性能平衡，致使老化瀝青的膠體結(jié)構(gòu)由凝膠結(jié)構(gòu)向溶膠結(jié)構(gòu)方向轉(zhuǎn)變，瀝青結(jié)構(gòu)變得相對穩(wěn)定.④ 瀝青隨著老化次數(shù)的增加，膠體不穩(wěn)定指數(shù)加大，表明老化瀝青逐漸向凝膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，在提高其高溫性能的同時，也會影響其延展性能.

3.2 組分與物理性能指標(biāo)關(guān)系

為對比分析瀝青經(jīng)歷3次老化+再生試驗過程中，瀝青不同組分與物理性能的相關(guān)性，將不同再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)下瀝青質(zhì)、芳香分和膠質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與針入度和延度指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，結(jié)果見圖2.

由表4和圖2可知：① 瀝青老化過程中，芳香分質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有減少，瀝青內(nèi)各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比發(fā)生變化，致使膠體不穩(wěn)定指數(shù)增大，化學(xué)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化導(dǎo)致瀝青針入度和延度降低，軟化點和黏度增大；② 瀝青每一次再生過程中，隨著再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，瀝青的芳香分質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，瀝青質(zhì)與膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，飽和分質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化幅度較小，膠體不穩(wěn)定指數(shù)降低，致使瀝青針入度和延度增加，軟化點和黏度減小.③ 隨著再生次數(shù)的增加，瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，芳香分和膠質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，針入度指標(biāo)在再生劑作用下仍能恢復(fù)至初次再生水平.④ 3次再生條件下，某一個組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定時，所對應(yīng)的3次再生瀝青物理性能指標(biāo)會有較大差異；某一個物理性能指標(biāo)一定時，所對應(yīng)的3次再生瀝青組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大，表明再生瀝青的物理性能不光與單一組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)，還與各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比有關(guān).⑤ 物理性能試驗結(jié)果表明，再生劑的加入可以有效改善3次老化瀝青的性能，提高再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以有效增大瀝青延度.但針入度、軟化點和延度這三大指標(biāo)改善的協(xié)同性較差，單純?yōu)樘岣邽r青延度，而增大再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可能會導(dǎo)致針入度過大、軟化點偏低的連鎖反應(yīng).因此再生劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜過高.

圖2 瀝青組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)與針入度、延度的關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

1)老化瀝青經(jīng)多次再生后，其中瀝青質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，芳香分和膠質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少，飽和分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本穩(wěn)定，膠體不穩(wěn)定指數(shù)增加.

2)瀝青經(jīng)過多次老化+再生試驗后，老化瀝青的針入度、軟化點和黏度等物理性能指標(biāo)都可以得到一定的恢復(fù)，其物理性能衰減主要體現(xiàn)在延度指標(biāo)上.表明老化瀝青經(jīng)歷多次再生后，其延度的恢復(fù)需重點考慮.

3)老化瀝青物理性能指標(biāo)的恢復(fù)，不僅與單一組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)，還受組分協(xié)調(diào)作用的影響.瀝青的多次再生設(shè)計應(yīng)重點關(guān)注組分協(xié)調(diào)與匹配，以保證其路用性能.