不同再生劑的耐老化評(píng)價(jià)及再生瀝青摻量設(shè)計(jì)

文鳳友

(湖南國(guó)信建設(shè)集團(tuán)股份有限公司,湖南 株洲 412000)

1 概述

公路大規(guī)模建設(shè)帶來(lái)了繁重的養(yǎng)護(hù)任務(wù),而再生劑以經(jīng)濟(jì)、綠色、高效的優(yōu)勢(shì)使它成為公路養(yǎng)護(hù)部門的關(guān)注焦點(diǎn)[1]。瀝青再生設(shè)計(jì)是再生混合料設(shè)計(jì)的前提,而再生劑是瀝青再生的關(guān)鍵因素[2-3]。再生劑的再生機(jī)理[4-5]是調(diào)和老化瀝青的組分比例或溶解度參數(shù)差值,進(jìn)而改善其物理力學(xué)特性,使其老化瀝青性能逐漸恢復(fù)轉(zhuǎn)向初始狀態(tài)。由于不同類型的再生劑自身耐老化性能及再生性能可能存在明顯差異,實(shí)際工程需對(duì)不同再生劑再生性能及摻量進(jìn)行比選,并研究其再生瀝青性能。

2 再生劑耐老化性能評(píng)估

對(duì)三種不同廠家的再生劑(SY，ZH，YH)分別進(jìn)行0 min，60 min，180 min和300 min RTFOT短期老化試驗(yàn),測(cè)定老化作用前后135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度比和質(zhì)量損失,依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制變化曲線進(jìn)行分析。

(1)

其中，WLR為質(zhì)量損失，%;m0為再生劑老化前質(zhì)量;m1為再生劑老化后質(zhì)量。

(2)

其中，η為60 ℃殘余黏度比;η0為再生劑老化前黏度;η1為再生劑老化后黏度。

2.1 依據(jù)殘余旋轉(zhuǎn)黏度比及質(zhì)量損失的評(píng)價(jià)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制老化前后殘余旋轉(zhuǎn)黏度比(t-η)曲線,如圖1所示,由試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制老化前后質(zhì)量損失(t-WLR)曲線,曲線如圖2所示。

1)由圖1所示t-η變化關(guān)系可知,三種再生劑隨老化時(shí)間的增加其殘余黏度比隨之增大,YH的殘余黏度比均大于SY和ZH,而SY和ZH的殘余黏度比關(guān)系呈波動(dòng)狀態(tài)。三種再生劑300 min老化后殘余黏度比關(guān)系為YH>SY>ZH。

2)由圖2所示t-WLR關(guān)系可知,三種再生劑質(zhì)量損失(WLR)隨老化作用時(shí)間的增加而增大,說(shuō)明再生劑輕質(zhì)油分的揮發(fā)量大于其吸氧縮合反應(yīng)的量。由t-WLR變化關(guān)系可知,三種再生劑60 min～180 min內(nèi)的變化斜率略低于180 min～300 min內(nèi)的變化斜率,說(shuō)明在60 min～180 min內(nèi)質(zhì)量損失(WLR)的平均速率比180 min～300 min要小。而三種再生劑老化300 min后質(zhì)量損失大小關(guān)系為YH>ZH>SY。

2.2 依據(jù)四組分轉(zhuǎn)化關(guān)系的評(píng)價(jià)

按規(guī)范[6]四組分試驗(yàn)方法將上述通過(guò)RTFOT不同短期老化時(shí)間段樣品再生劑進(jìn)行四組分試驗(yàn),試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定為0 min,60 min,180 min,300 min,其試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

組分含量變化與老化時(shí)間關(guān)系示意圖見(jiàn)圖3。

其組分轉(zhuǎn)化關(guān)系為圖4所示。

由以上圖表分析可知,其四組分間相互轉(zhuǎn)化關(guān)系為Ar→R→At，R→S→At,而再生劑質(zhì)量損失主要由于其S+Ar一部分受熱揮發(fā)、一部分受熱與氧進(jìn)行氧化縮合反應(yīng)形成At大分子聚合物。再生劑未老化前S+Ar含量均較大,其大小關(guān)系為YH>ZH>SY,而At含量均較小,其大小關(guān)系為ZH>YH>SY;隨著RTFOT老化時(shí)間的后延,S+Ar組分含量逐漸降低,At組分含量不斷增多,當(dāng)RTFOT老化作用185 min后,S+Ar含量大小關(guān)系為YH>ZH>SY,At含量的大小關(guān)系為YH>ZH>SY。通過(guò)RTFOT短期老化作用后,YH再生劑其S+Ar含量相比老化前減少14.4%,At含量增加了6.2倍;ZH再生劑S+Ar含量相比老化前減少14.1%,At含量增加了3.4倍;SY再生劑S+Ar含量相比老化前減少11.7%,At含量增加5.1倍。

再生劑YH與ZH，SY相比,老化前后其S+Ar含量損失量最大,老化后At增加量最大,其表征在殘余黏度比和質(zhì)量損失方面均較大。而ZH和SY這兩種再生劑在老化前后,其S+Ar含量變化ZH>SY,At含量變化ZH>SY;老化前后ZH質(zhì)量損失均>SY,而殘余黏度比前期ZH>SY,后期SY>ZH;當(dāng)老化作用300 min時(shí),SY的質(zhì)量損失比ZH低、殘余黏度比比ZH高,原因在于其S+Ar揮發(fā)量少、吸氧縮合反應(yīng)的量多而導(dǎo)致的。綜合分析三種再生劑強(qiáng)弱關(guān)系為SY與ZH基本相當(dāng),YH次之。

3 再生性能預(yù)估方程分析

3.1 舊路面瀝青回收

依托某熱再生項(xiàng)目路面舊瀝青回收為研究對(duì)象,舊路面瀝青混合料通過(guò)三氯乙烯溶解后離心分離法[7-8]抽提回收使集料顆粒與瀝青分離,回收液利用布氏漏斗減壓過(guò)濾除去礦粉[9],使回收瀝青中礦粉的含量低于1%,再利用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器(如圖5所示)法回收舊路面瀝青,為了避免旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器時(shí)高溫對(duì)回收瀝青產(chǎn)生二次熱氧老化,設(shè)計(jì)空白對(duì)比試驗(yàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器后續(xù)加熱時(shí)間進(jìn)行標(biāo)定。

現(xiàn)有規(guī)范中旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法后續(xù)加熱溫度在155 ℃±2 ℃條件下保持時(shí)間為15 min,其回收效果并不理想。而對(duì)于不同濃度時(shí)后續(xù)加熱時(shí)間不同,且不同數(shù)量的甘油、真空度條件、冷凝水溫度、CO2流量流速等對(duì)回收瀝青性質(zhì)有一定影響[10-12]。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室條件,設(shè)置旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器條件絕對(duì)壓力4.9 kPa(規(guī)范建議6.67 kPa以下)、冷凝水4 ℃、甘油數(shù)量裝滿油浴鍋、CO21 400 mL/min的流速通入2 min。

試驗(yàn)采用SHAP成果中的PAV壓力老化容器(如圖6所示)來(lái)制備試驗(yàn)老化瀝青樣品(原樣瀝青為基質(zhì)90號(hào)),老化時(shí)間設(shè)置為0 h,5 h,20 h,抽提液濃度設(shè)置為1∶4,后續(xù)加熱時(shí)間設(shè)置為23 min,25 min,27 min進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn),檢測(cè)不同老化程度瀝青回收前后相關(guān)性能,其試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 回收標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果

為了分析不同老化時(shí)間瀝青樣品回收前后針入度指數(shù)變化關(guān)系,繪制圖7進(jìn)行直觀分析。

由圖7可知,不同老化程度的瀝青樣品PI值在設(shè)定的回收時(shí)間節(jié)點(diǎn)上,隨著時(shí)間節(jié)點(diǎn)的后移其PI值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。不同老化程度瀝青樣品其下降斜率有所不同,其斜率關(guān)系為20 h>5 h>0 h。且對(duì)比回收前0 min時(shí)的PI值可以得出,其不同老化程度瀝青樣品的PI值大小基本介于回收節(jié)點(diǎn)24 min～27 min內(nèi)時(shí)的PI值范圍。

為了分析其他指標(biāo)的變化關(guān)系,采用數(shù)學(xué)作商法處理其25 ℃針入度(P)、軟化點(diǎn)(SP)、135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度(η)等指標(biāo)(回收指標(biāo)數(shù)值/原樣指標(biāo)數(shù)值,如ξ=P/P0,φ=SP/SP0,ψ=η/η0),所得結(jié)果ξ,φ,ψ分布在數(shù)值1左右,利用公式ξ0=丨ξ-1丨×100%，φ0=丨φ-1丨×100%,ψ0=丨ψ-1丨×100%計(jì)算相應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù),其結(jié)果如表3所示。

表3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

表3計(jì)算結(jié)果表示回收值與目標(biāo)值的商值與1差值的絕對(duì)值百分?jǐn)?shù),由其含義可知,對(duì)應(yīng)指標(biāo)下該值離X軸越近表明越接近目標(biāo)值,回收效果越理想。從圖8～圖10分析可知,其值大小與蒸餾時(shí)間形成“V”字形態(tài),越接近X軸表示離目標(biāo)值越近,蒸餾時(shí)間越恰當(dāng)。反之,越遠(yuǎn)則效果越差,離目標(biāo)值越大。而對(duì)于三種不同老化程度的瀝青,當(dāng)蒸餾時(shí)間為23 min時(shí)其值偏離較大,說(shuō)明C2HCl3有殘留;當(dāng)蒸餾時(shí)間為27 min時(shí)其值也偏離較大,說(shuō)明有短期老化作用;當(dāng)蒸餾時(shí)間為25 min時(shí)表3中各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的值為最小,數(shù)據(jù)均在V字型底部,說(shuō)明該蒸餾時(shí)間最適宜。因此,當(dāng)濃度為1∶4時(shí)不同程度老化瀝青其后續(xù)加熱最適宜的蒸餾時(shí)間為25 min。

3.2 再生瀝青摻量設(shè)計(jì)

3.2.1 摻量方法的選擇

1)試驗(yàn)法。

試驗(yàn)法是最常用的一種方法,其原理通過(guò)試驗(yàn)加入不同摻量的再生劑使再生瀝青恢復(fù)到目標(biāo)瀝青的技術(shù)指標(biāo),確定再生劑用量。

2)理論計(jì)算法。

其主要通過(guò)以下公式計(jì)算確定再生劑用量,其公式如下：

logηR=xalogηb+(1-χ)alogη0

(3)

其中，ηR為再生瀝青的設(shè)計(jì)黏度;ηb為再生劑黏度;η0為舊瀝青的黏度;χ為再生劑的摻量;a為黏度偏離指數(shù)。

其P和瀝青的η之間存在著如下數(shù)學(xué)關(guān)系:

(4)

由于理論計(jì)算法最終也以檢測(cè)瀝青的性能指標(biāo)為確定標(biāo)準(zhǔn)。因此,本文結(jié)合實(shí)際情況采用試驗(yàn)法來(lái)確定再生劑摻量。

3)試驗(yàn)設(shè)計(jì)再生劑以2%為設(shè)計(jì)摻量梯度,以改善舊瀝青135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度、25 ℃針入度(0.1 mm)和軟化點(diǎn)為指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn),依據(jù)相應(yīng)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果擬合對(duì)數(shù)回歸方程進(jìn)行分析。

3.2.2 依據(jù)軟化點(diǎn)評(píng)價(jià)再生性能規(guī)律

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立V-ln(Tm)回歸方程進(jìn)行分析,其試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 改善瀝青Tm試驗(yàn)結(jié)果及回歸方程

V-ln(Tm)回歸方程(如圖11所示)可知,其回歸方程斜率YH>SY>ZH,其與Y軸截距關(guān)系和斜率一致,說(shuō)明再生劑YH相比ZH，SY這兩種再生劑對(duì)于改善老化瀝青軟化點(diǎn)指標(biāo)有較好的敏感性,SY類次之,ZH類最弱。以90號(hào)基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)為目標(biāo)值,YH,ZH,SY三種再生劑最佳摻量分別為6.46%,9.74%,7.51%(如圖12所示)。

3.2.3 依據(jù)針入度評(píng)價(jià)再生性能規(guī)律

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立V-ln(Pm)回歸方程進(jìn)行分析,其試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 改善瀝青Pm試驗(yàn)結(jié)果及回歸方程

由V-ln(Pm)回歸方程(如圖13所示)可知，其回歸線斜率關(guān)系為SY>ZH>YH，其方程與Y軸截距關(guān)系和斜率關(guān)系一致，這說(shuō)明再生劑SY對(duì)再生瀝青針入度指標(biāo)改善能力強(qiáng)于ZH和YH。以90號(hào)基質(zhì)瀝青針入度為目標(biāo)值，YH，ZH，SY三種再生劑最佳摻量分別為9.94%，8.75%，6.85%(見(jiàn)圖14)。

3.2.4 依據(jù)旋轉(zhuǎn)黏度評(píng)價(jià)再生性能規(guī)律

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立V-ln(η)回歸方程進(jìn)行分析,其試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 改善瀝青

由V-ln(η)回歸方程(如圖15所示)可知,其回歸方程斜率大小關(guān)系為SY>ZH>YH,其方程與Y軸截距關(guān)系和斜率關(guān)系一致,這說(shuō)明再生劑SY在等摻量條件下對(duì)再生瀝青旋轉(zhuǎn)黏度的改善能力強(qiáng)于再生劑ZH和YH。以90號(hào)基質(zhì)瀝青旋轉(zhuǎn)黏度為目標(biāo)值,YH,ZH,SY三種再生劑最佳摻量分別為9.28%,7.54%,6.51%(如圖16所示)。

4 結(jié)論

1)再生劑是改善老化瀝青性能最關(guān)鍵的因素,其自身的耐老化能力與再生瀝青的耐老化能力有直接的關(guān)聯(lián)性。本文通過(guò)RTFOT短期老化試驗(yàn),分析了三種再生劑殘余旋轉(zhuǎn)黏度比、質(zhì)量損失和四組分間轉(zhuǎn)化關(guān)系,得出了SY與ZH耐老化能力基本相當(dāng),YH次之。

2)利用三氯乙烯溶解離心法抽提回收使集料顆粒與瀝青分離,回收液利用布氏漏斗減壓過(guò)濾除去礦粉,試驗(yàn)標(biāo)定旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器最佳加熱時(shí)間為25 min。

3)通過(guò)再生劑改善再生瀝青相關(guān)性能試驗(yàn),依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立其再生瀝青性能預(yù)估回歸方程,得出了不同指標(biāo)目標(biāo)值下的最佳摻量,進(jìn)而得出了在不考慮經(jīng)濟(jì)成本條件下,優(yōu)先考慮選擇再生劑SY和ZH,其次考慮再生劑YH的結(jié)論。