三氯乙烯和礦粉對回收瀝青性能影響研究

沈 嫻，柯云斌，董洪君，李岳淼，劉 浩

（1.臺州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 臺州 318000；2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350000）

0 引言

瀝青路面因具有行駛舒適、噪聲低、易于維修等優(yōu)點，在公路建設(shè)中所占的比重越來越高［1-2］。然而，隨著瀝青在服役過程中逐漸老化，性能顯著下降，導(dǎo)致其不能滿足服役要求［3-4］。瀝青回收成為了處理廢舊瀝青，制造再生瀝青的主要途徑。目前國內(nèi)對瀝青回收方法的研究較少，所采用回收方法主要參照美國ASTM和日本道路協(xié)會鋪裝試驗法的規(guī)定［5-7］。雖然部分學(xué)者提出了再生瀝青回收處理技術(shù)的改進辦法，但由于地域差異、回收瀝青路面材料現(xiàn)狀差異、試驗條件受限等因素，改進辦法并沒有形成共識并得到推廣［8-9］。我國所采用的回收瀝青方法，主要還是參照規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20-2011）［10］進行。但是，這種回收方法仍然存在著一些問題，其中三氯乙烯作為瀝青回收溶劑，按照規(guī)范方法難以徹底去除，而礦粉作為瀝青混合料中的主要成分之一，在回收瀝青中仍然大量存在，對回收瀝青的性能產(chǎn)生了不利的影響［11-12］。因此，探明三氯乙烯和礦粉對瀝青性能的影響規(guī)律，消除回收瀝青中的三氯乙烯和礦粉殘留，有利于獲得高品質(zhì)的回收瀝青。

本文通過探究不同摻量的三氯乙烯和礦粉對瀝青物理性能的影響，依據(jù)三氯乙烯蒸發(fā)特性和礦粉在離心抽提溶液中的沉淀特性，提出了減少回收瀝青中的三氯乙烯和礦粉殘留的回收工藝。

1 材料與方法

采用三氯乙烯和礦粉對基質(zhì)瀝青進行改性，探究瀝青回收過程中三氯乙烯和礦粉殘留對瀝青性能的影響和作用機理，以此來設(shè)計去除三氯乙烯和礦粉的改進方法，具體流程如圖1所示。

圖1 改進方法的設(shè)計流程

1.1 試驗材料

采用70號A級瀝青，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青基礎(chǔ)性能

1.2 改性瀝青的制備

將不同摻量的三氯乙烯和礦粉置于瀝青中攪拌均勻，采用高速剪切機在160℃的條件下以2000 r/min的轉(zhuǎn)速剪切30 min，制備出含有不同三氯乙烯和礦粉摻量的瀝青試樣。隨后，將制備好的改性瀝青制模冷卻，用以后續(xù)的性能測試。

1.3 物理性能測試

根據(jù)JTG E20-2011瀝青試驗檢測標準，采用SD-0604型瀝青針入度儀、SD-0605A型瀝青延度儀和SD-0606T型瀝青軟化點儀，分別對不同三氯乙烯含量和不同礦粉含量的瀝青樣品進行物理性能測試。

1.4 瀝青回收工藝提升技術(shù)

采用提高加熱溫度、延長加熱時間的方式去除殘留三氯乙烯，減小回收過程中的三氯乙烯溶劑殘留對回收瀝青性能的影響；采用高速離心機（如圖2所示）除去回收瀝青中殘留礦粉，減小回收瀝青中礦粉殘留物對其性能的影響。如表2所示，在15 min離心分離時間下，離心轉(zhuǎn)速越大，去除殘留礦粉的效果越好。因此，本試驗提高離心轉(zhuǎn)速至6000 r/min，不僅可以降低離心分離時間，還可以獲得更好的離心分離效果。

表2 離心分離轉(zhuǎn)速對除去殘留礦粉效果的影響

圖2 臺式高速離心機

2 結(jié)果與討論

2.1 三氯乙烯殘留對回收瀝青物理性能的影響及其改善措施

不同含量三氯乙烯對瀝青的軟化點、針入度、延度的影響如圖3所示。通過對比試驗發(fā)現(xiàn)：三氯乙烯對瀝青物理性能影響顯著。特別是當(dāng)摻加的三氯乙烯含量超過0.5%時，瀝青軟化點迅速降低，而針入度和延度迅速上升，瀝青變軟，瀝青的高溫性能顯著下降。這是因為三氯乙烯為液態(tài)，加入到瀝青中，起到了類似增塑劑的作用，能夠增大瀝青分子之間的間距，減小瀝青分子之間的纏繞、摩擦、吸引等作用，導(dǎo)致瀝青分子在高溫區(qū)域更容易發(fā)生滑移、解纏現(xiàn)象，宏觀現(xiàn)象即表現(xiàn)為更小的軟化點和更大的低溫延度。而瀝青的稠度降低，針入度增大，則是因為三氯乙烯溶劑的存在對瀝青起到了稀釋作用。因此，三氯乙烯的存在會影響瀝青的性能，尤其是高溫性能。

圖3 三氯乙烯殘留量對瀝青性能的影響

為了降低三氯乙烯殘留對瀝青性能的影響，可通過提高溫度以蒸發(fā)瀝青樣品中的三氯乙烯。圖4為摻有三氯乙烯的瀝青分別在135℃和165℃溫度下加熱不同時間后，三氯乙烯的揮發(fā)損失情況。從圖中可以看出，隨著加熱溫度的升高和加熱時間的延長，三氯乙烯的揮發(fā)率也逐漸增加。試驗結(jié)果表明：提高加熱溫度和延長加熱時間可以有效消除三氯乙烯的殘留對瀝青性能的影響。

圖4 不同加熱溫度下三氯乙烯揮發(fā)損失率隨時間的變化規(guī)律

表3反映了在165℃的條件下延長加熱時間后回收瀝青材料的性能指標情況。從表中可以看出，在原規(guī)定的5 min的后續(xù)加熱時間內(nèi)，所獲得的回收瀝青性能與原料瀝青性能相差較大，但隨著加熱時間的延長，回收瀝青的性能逐漸趨近于原瀝青。當(dāng)后續(xù)加熱時間延長至30 min時，回收瀝青的性能與原瀝青基本一致?？墒抢^續(xù)延長加熱時間后，瀝青發(fā)生老化，表現(xiàn)出硬化的特性，這使得回收瀝青的性能再次偏離原瀝青性能。因此，在該加熱溫度下（即165℃），后續(xù)加熱時間應(yīng)控制在30 min。

表3 不同后續(xù)加熱時間下回收瀝青的性能

2.2 礦粉殘留對回收瀝青性能的影響及其改進措施

回收瀝青中殘留的礦粉對其性能會造成一定程度的影響。從圖5中可以看出，隨著礦粉含量的增加，瀝青的軟化點升高，針入度和延度下降。這是因為礦粉是由無機礦物粒子構(gòu)成的，加入到瀝青中，會增加瀝青的剛性成分，使得瀝青變硬，流動性變差。此外，延度的降低是因為在瀝青延度測試過程中，無機粒子組成的礦粉影響了瀝青分子在拉伸方向上的定向舒展、排列，并在無機粒子處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致瀝青在該位置更容易發(fā)生拉伸斷裂。如果礦粉發(fā)生團聚、沉降，瀝青延度下降則會更為明顯。從圖中還可以看出，瀝青延度對礦粉含量的敏感性要遠高于軟化點和針入度。這說明，回收瀝青中殘留礦粉的主要危害是顯著降低了瀝青的變形能力，增大了瀝青的開裂風(fēng)險。根據(jù)圖5的規(guī)律可以得出，當(dāng)?shù)V粉的殘留量在1%以內(nèi)時，瀝青延度所受影響較小，其變形能力惡化也較為輕微。

圖5 不同礦粉摻量的瀝青性能

殘留礦粉的沉降程度與沉降時間成正比，因此在固定的離心轉(zhuǎn)速下，離心分離時間越長，沉降的程度越高。圖6中柱形圖表示摻有礦粉的基質(zhì)瀝青（由10 g瀝青與10 g礦粉混合而成）溶液在轉(zhuǎn)速為6000 r/min的離心分離機中分離不同時間后，上層4/5高度和下層1/5高度的溶液中殘留礦粉的質(zhì)量，線形圖表示了上層4/5高度的溶液中含有殘留礦粉的質(zhì)量分數(shù)。從圖中可以看出，在6000 r/min的離心轉(zhuǎn)數(shù)下，隨著離心時間的增加，溶液中的礦粉粒子逐漸分離下沉，上層礦粉含量逐漸減少。根據(jù)上層殘留礦粉的質(zhì)量分數(shù)變化曲線可以看出，當(dāng)離心分離時間超過12 min時，礦粉殘留量低于1%。從礦粉殘留對回收瀝青性能影響的結(jié)果可知，當(dāng)?shù)V粉殘留量低于1%時，其對瀝青性能的影響較小。因此，采用高速離心分離機以6000 r/min的轉(zhuǎn)速下分離12 min以上時，可明顯弱化殘留礦粉的影響；當(dāng)分離時間達到18 min時，殘留礦粉產(chǎn)生的影響幾乎被完全消除。

圖6 不同高速離心分離時間后殘留礦粉含量

如圖7所示，對含有殘留礦粉的瀝青進行高速離心后，瀝青的延度明顯增大，且隨著高速離心時間的延長，這種現(xiàn)象也變得更為明顯。當(dāng)高速離心處理的時間達到12 min后，樣品的延度已經(jīng)非常接近基質(zhì)瀝青；當(dāng)處理時間達到18 min后，樣品的延度幾乎和基質(zhì)瀝青完全相同。這一結(jié)果和上述的結(jié)論是一致的。

圖7 不同高速離心時間條件下回收瀝青的延度

3 結(jié)語

本文對三氯乙烯溶劑殘留和礦粉殘留對瀝青性能的影響進行了研究，通過對試驗結(jié)果的分析，提出了消除瀝青回收過程中三氯乙烯和礦粉殘留的方法，主要結(jié)論如下：

（1）三氯乙烯溶劑殘留對回收瀝青性能的影響十分顯著。在三氯乙烯作用下，瀝青軟化點下降，針入度和延度上升，瀝青變軟且稠度降低，高溫性能顯著下降。

（2）通過提高加熱溫度和延長加熱時間以減少回收瀝青中三氯乙烯的殘留。隨著加熱溫度的升高和加熱時間的延長，瀝青中的三氯乙烯揮發(fā)損失率明顯增加，三氯乙烯對瀝青高溫性能的損害顯著降低。

（3）通過高速離心法有效減少了回收瀝青中的殘留礦粉，使其對回收瀝青性能的影響得到改進。