再生劑對(duì)老化瀝青再生效果的影響

萬(wàn)民晶

（山西交投高新高速公路管理有限公司，山西 晉城 048300）

我國(guó)公路里程巨大，居世界首位，其中最早建成的路面使用期限已達(dá)到20～30年，亟待維修養(yǎng)護(hù)，以實(shí)現(xiàn)提升使用性能和延長(zhǎng)服役壽命的目的。廢舊瀝青混合料再生利用技術(shù)可以100%利用舊瀝青混合料，節(jié)約能源和資源，大幅降低瀝青路面服役周期成本，其中再生劑是決定再生路面施工效果的關(guān)鍵材料。良好的瀝青路面再生劑能夠充分滲透到舊瀝青內(nèi)部，補(bǔ)充舊瀝青中輕組分，起到激發(fā)舊瀝青性能的效果。目前，市面上再生劑產(chǎn)品大多以輕質(zhì)油為主，輔以少量抗老化劑、增塑劑等材料復(fù)配而成，達(dá)到補(bǔ)充老化瀝青中揮發(fā)流失的輕質(zhì)組分的目的[1-2]。本文以再生劑性能及其對(duì)老化瀝青恢復(fù)效果為評(píng)價(jià)指標(biāo)，不斷調(diào)節(jié)各組分比例，自主研發(fā)出一種以廢棄植物油為主要原料的瀝青熱再生劑，與市面上兩種不同類(lèi)型再生劑相比，自主研發(fā)再生劑對(duì)老化瀝青具有恢復(fù)效果更優(yōu)，自身抗老化性能良好的特點(diǎn)，而且黏度適宜，方便施工噴灑，應(yīng)用前景廣闊。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

中海AH-70（用于制備老化瀝青）和AH-90號(hào)基質(zhì)瀝青，再生劑P1，再生劑P2，廢棄植物油，芳烴油，增塑劑，抗老化劑。

1.2 再生劑制備

將AH-90基質(zhì)瀝青加熱到80℃～90℃，加入相應(yīng)比例的廢棄植物油和芳烴油，充分?jǐn)嚢杈鶆颍缓蠹尤朐鏊軇┖涂估匣瘎?，冷卻到室溫即得再生劑。

1.3 再生瀝青制備

制備工藝：對(duì)中海AH-70基質(zhì)瀝青依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）的方法制備老化瀝青；將制得的老化瀝青加熱到130℃，倒入相應(yīng)摻量的再生劑，攪拌均勻，即得再生瀝青。

1.4 性能測(cè)試

再生劑性能指標(biāo)測(cè)試：30℃布氏黏度、薄膜烘箱試驗(yàn)前后質(zhì)量損失和黏度比。

基質(zhì)瀝青和再生瀝青指標(biāo)測(cè)試：針入度、延度和軟化點(diǎn)。上述測(cè)試方法依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）進(jìn)行。

車(chē)轍因子測(cè)試：采用美國(guó)TA公司生產(chǎn)的DSR（DHR-1），平板直徑為25 mm，板間間距設(shè)置為1 100 μm。所有樣品安放后在待測(cè)溫度下保持20～30 min后開(kāi)始測(cè)試。所有樣品車(chē)轍因子溫度和加載頻率范圍分別為30℃～80℃和0.1～100 rad/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同配方再生劑性能指標(biāo)測(cè)評(píng)及配方確定

本文考察了廢棄植物油摻量、基質(zhì)瀝青與芳烴油質(zhì)量比這兩因素對(duì)再生劑性能的影響。不同植物油摻量和基質(zhì)瀝青/芳烴油質(zhì)量比制備的再生劑樣品編號(hào)如下：

植物油摻量40%：1號(hào)-40∶40∶20；2號(hào)-40∶30∶30；3號(hào)-40∶20∶40。

植物油摻量50%：1號(hào)-50∶33∶17；2號(hào)-50∶25∶25；3號(hào)-50∶17∶33。

植物油摻量60%：1號(hào)-60∶26∶14；2號(hào)-60∶20∶20；3號(hào)-60∶14∶26。

上述樣品配方中增塑劑和抗老化劑分別占其余3種成分總質(zhì)量的2%和1%.相應(yīng)配方再生劑性能指標(biāo)情況如表1所示。

表1 不同配方再生劑的性能指標(biāo)

熱瀝青再生劑作為一種廢舊瀝青路面輔助添加材料，其黏度指標(biāo)能夠同時(shí)展示產(chǎn)品自身流動(dòng)性、對(duì)廢舊瀝青路面銑刨料滲透浸潤(rùn)性能以及施工噴灑便捷性等多重特性，是實(shí)現(xiàn)其與舊瀝青融合良好效果、保證瀝青黏結(jié)料與集料均勻裹覆、集料之間黏合良好的重要指標(biāo)。另一方面，再生劑的閃點(diǎn)也是衡量材料在儲(chǔ)運(yùn)以及施工過(guò)程安全與否的重要指標(biāo)[3]。實(shí)驗(yàn)室閃點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果顯示，所選配方再生劑的閃點(diǎn)值均滿(mǎn)足大于等于220℃的技術(shù)要求，說(shuō)明該類(lèi)型再生劑安全性能較好。

旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)前后質(zhì)量損失率、老化后與老化前60℃動(dòng)力黏度比是衡量再生劑自身抗老化性能的重要指標(biāo)，質(zhì)量損失率和老化后與老化前黏度比值越大，表明在高溫條件下再生劑產(chǎn)品分解和輕組分揮發(fā)現(xiàn)象越嚴(yán)重，相應(yīng)產(chǎn)品抗老化性能也越差[4-5]。所有再生劑樣品老化前后質(zhì)量損失率和黏度比均滿(mǎn)足技術(shù)要求，且隨植物油摻量的增加，抗老化性能越好，尤其是當(dāng)植物油摻量達(dá)到60%以上時(shí)，樣品老化前后質(zhì)量損失率極低，數(shù)值從40%時(shí)損失1.06%（1號(hào)）降低為0.08%（1號(hào)），且其黏度比最小，數(shù)值均在1左右，說(shuō)明在高溫條件下該再生劑性能較為穩(wěn)定，相應(yīng)樣品抗老化性能最好。

鑒于再生施工大多在常溫及以上條件進(jìn)行，故本文選取30℃布氏黏度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)?？梢?jiàn)，隨植物油摻量的增加，樣品黏度呈顯著下降趨勢(shì)，當(dāng)其摻量從40%上升為60%時(shí)，其余成分比例相同相應(yīng)的樣品黏度從1.38 Pa·s下降到0.35 Pa·s，同時(shí)，植物油摻量確定時(shí)，基質(zhì)瀝青質(zhì)量比例越大，相應(yīng)樣品黏度越大；如當(dāng)植物油摻量為50%時(shí)，1號(hào)～3號(hào)樣品中基質(zhì)瀝青從33%降低到17%，相應(yīng)黏度值從0.77 Pa·s下降到0.42 Pa·s，即植物油和芳烴油兩種輕質(zhì)油組分對(duì)再生劑體系的黏度影響較為明顯。相關(guān)文獻(xiàn)顯示，再生劑產(chǎn)品黏度保持在0.42～0.7 Pa·s范圍內(nèi)時(shí)，相應(yīng)的施工效果較好，黏度太大或者太小均會(huì)對(duì)再生效果產(chǎn)生不利影響[6]，當(dāng)施工溫度為30℃左右時(shí)，植物油摻量為50%時(shí)相應(yīng)的再生劑樣品黏度較為適宜，故對(duì)老化瀝青的再生效果評(píng)價(jià)選用植物油摻量為50%時(shí)相應(yīng)的再生劑樣品。

2.2 不同再生劑制備再生瀝青性能指標(biāo)測(cè)評(píng)

表2為不同再生劑對(duì)老化瀝青的再生效果比較。表2中以基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)為基準(zhǔn)，同時(shí)考察了市購(gòu)兩種不同類(lèi)型再生劑對(duì)老化瀝青的恢復(fù)效果，上述再生瀝青中再生劑摻量均占瀝青質(zhì)量的10%.瀝青在高溫條件下的老化，伴隨著輕組分的揮發(fā)及油分向膠質(zhì)和瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)變，體系內(nèi)部組分發(fā)生漸變過(guò)程，表現(xiàn)為瀝青針入度和延度降低，軟化點(diǎn)升高[7]。

表2 不同再生劑對(duì)老化瀝青的再生效果比較

表2數(shù)據(jù)顯示，再生劑加入到老化瀝青中，伴隨著瀝青針入度和延度的上升，軟化點(diǎn)下降，即所有再生劑樣品均能極大地恢復(fù)老化瀝青的性能。廢棄植物油和芳烴油總量越多，相應(yīng)再生劑對(duì)老化瀝青的恢復(fù)效果越好。市購(gòu)再生劑P1在相同條件下，對(duì)老化瀝青的針入度恢復(fù)效果最為明顯，達(dá)到99（0.1 mm），另外實(shí)驗(yàn)室測(cè)試其30℃布氏黏度數(shù)值僅為0.29 Pa·s，并未處于施工噴灑的最佳黏度范圍內(nèi)。

自制再生劑相應(yīng)再生瀝青10℃延度較基質(zhì)瀝青有明顯的提升，2號(hào)和3號(hào)試樣再生瀝青10℃延度均可達(dá)100 cm以上，表明該再生劑能夠極大地提升瀝青的延展性能，再生瀝青軟化點(diǎn)與基質(zhì)瀝青老化前數(shù)值基本一致。同時(shí)，針入度數(shù)值高達(dá)80（0.1mm）以上，表明此摻量條件下再生瀝青偏軟，即再生劑摻量可以適當(dāng)降低，以達(dá)到降本增效的施工目的。較之于自制再生劑和對(duì)比樣P1，市購(gòu)再生劑P2對(duì)老化瀝青的恢復(fù)效果較差，10℃延度數(shù)值僅為58 cm。

2.3 再生劑摻量對(duì)再生瀝青性能的影響測(cè)評(píng)

綜合分析再生劑性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)和對(duì)老化瀝青的恢復(fù)效果，初步篩選當(dāng)廢棄植物油摻量50%，2號(hào)和3號(hào)再生劑為較好再生劑產(chǎn)品配方。分析不同摻量條件下，再生劑對(duì)老化瀝青性能的恢復(fù)效果，如圖1和圖2，其中再生劑摻量分別為4%、6%、8%和10%。從圖中曲線(xiàn)變化趨勢(shì)可見(jiàn)，隨著再生劑摻量的增加，再生瀝青的針入度顯著上升，同時(shí)軟化點(diǎn)大幅下降，說(shuō)明再生劑能夠有效補(bǔ)充老化瀝青輕質(zhì)油分的損失，降低老化瀝青的硬度。且數(shù)據(jù)顯示，再生劑摻量達(dá)到6%時(shí)，兩種配方再生劑相應(yīng)再生瀝青的針入度已經(jīng)達(dá)到69（0.1 mm）以上，而此時(shí)再生瀝青軟化點(diǎn)高于49℃，較基質(zhì)瀝青高1℃以上。若增加再生劑用量，相應(yīng)再生瀝青質(zhì)持續(xù)變軟。因而，為實(shí)現(xiàn)再生瀝青輕質(zhì)組分補(bǔ)充和老化瀝青性能恢復(fù)的效果，將再生劑摻量初步選定為6%～8%，可根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀況、施工成本以及廢舊瀝青路面實(shí)際情況等多方面因素選擇適當(dāng)?shù)脑偕鷦搅俊?/p>

圖1 老化瀝青軟化點(diǎn)和針入度隨再生劑摻量增加的變化規(guī)律

圖2 老化瀝青延度（10℃）隨再生劑摻量增加的變化規(guī)律

為了更加顯著地反映再生劑產(chǎn)品對(duì)老化瀝青延展性能的恢復(fù)效果，文中選取再生瀝青10℃延度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖2可見(jiàn)，再生劑產(chǎn)品的加入可以顯著提升老化瀝青的延展性能，且隨著再生劑摻量的增加再生瀝青延度提高幅值更加明顯，說(shuō)明再生劑可以較好地恢復(fù)老化瀝青的性能。另一方面，兩種配方再生劑對(duì)老化瀝青延度的恢復(fù)效果基本相同，均在摻量8%時(shí)達(dá)到100 cm以上，且當(dāng)摻量為6%時(shí)，能夠達(dá)到60 cm以上，顯著高于基質(zhì)瀝青延度35 cm的數(shù)值，說(shuō)明摻量6%～8%的再生劑對(duì)老化瀝青中的大分子結(jié)構(gòu)具有較好的溶解效果，同時(shí)顯著提升老化瀝青的韌性和延展性能，這一結(jié)論與再生瀝青針入度與軟化點(diǎn)指標(biāo)恢復(fù)效果保持一致。

2.4 再生瀝青車(chē)轍因子測(cè)評(píng)

美國(guó)SHRP計(jì)劃為了能夠更加精確地表征瀝青混合料路面受外力作用和環(huán)境溫度的影響規(guī)律引入了車(chē)轍因子G*/sinδ。G*/sinδ表示瀝青路面的抗永久變形能力，其值越大，表明相應(yīng)瀝青路面的抗車(chē)轍能力越強(qiáng)。圖3和圖4分別為基質(zhì)瀝青、老化瀝青以及再生劑摻量6%和8%條件下再生瀝青的車(chē)轍因子隨溫度和頻率的變化關(guān)系曲線(xiàn)。

圖3 不同瀝青樣品車(chē)轍因子隨溫度的變化規(guī)律

圖4 60℃不同瀝青樣品車(chē)轍因子隨頻率的變化規(guī)律

圖中顯示，所有瀝青樣品的G*/sinδ均在高溫和低頻區(qū)值最小，這一規(guī)律與實(shí)際瀝青路面在服役過(guò)程中應(yīng)用性能一致，即溫度越高，加載頻率越大，瀝青的抗變形能力越差?；|(zhì)瀝青老化過(guò)程中，伴隨著輕質(zhì)組分的揮發(fā)以及部分輕質(zhì)組分轉(zhuǎn)變成瀝青質(zhì)，致使體系變硬，因而在相同溫度和頻率條件下，老化瀝青的G*/sinδ較基質(zhì)瀝青數(shù)值更高。瀝青再生劑的加入能夠有效補(bǔ)充老化瀝青的輕質(zhì)組分并恢復(fù)基質(zhì)瀝青的性能，且再生劑摻量越高，其G*/sinδ值恢復(fù)越明顯，當(dāng)摻量達(dá)到8%時(shí)，再生瀝青的G*/sinδ曲線(xiàn)位于基質(zhì)瀝青下方，即此時(shí)再生瀝青體系中再生劑含量略高于最佳摻量，相應(yīng)再生瀝青體系質(zhì)軟，在高溫條件下路面易產(chǎn)生車(chē)轍，這也再一次印證了對(duì)于本文所述老化瀝青而言，自制再生劑摻量最佳摻量范圍為6%～8%。

3 結(jié)語(yǔ)

a）以廢棄植物油為主要成分，與基質(zhì)瀝青、芳烴油復(fù)配，輔之以少量增塑劑和抗老化劑，可制得一類(lèi)再生效果較好的植物油基熱瀝青再生劑。

b）以30℃布氏黏度、薄膜烘箱試驗(yàn)質(zhì)量損失率和黏度比等指標(biāo)評(píng)價(jià)了不同再生劑的性能，確定當(dāng)植物油摻量為50%時(shí)，相應(yīng)再生劑具有較好的抗老化性能和黏度。

c）對(duì)比分析了植物油摻量為50%的再生劑與市購(gòu)兩種再生劑對(duì)老化瀝青性能的恢復(fù)效果，結(jié)合黏度指標(biāo)結(jié)果顯示，自制再生劑對(duì)老化瀝青恢復(fù)效果更好且黏度適宜。

d）通過(guò)測(cè)定不同再生劑摻量相應(yīng)再生瀝青的指標(biāo)恢復(fù)情況，明確了再生劑在路面再生施工中適宜的摻量范圍為6%～8%，最后通過(guò)再生瀝青的車(chē)轍因子變化規(guī)律驗(yàn)證了這一結(jié)論。