瀝青老化再生的實(shí)驗(yàn)路徑研究

張振德，張廣闊，張海濤

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

瀝青混合料在拌合攤鋪以及瀝青路面在使用過程中，由于受到高溫、氧化、光照、水和行車荷載的作用而產(chǎn)生老化現(xiàn)象。老化后瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度等各種指標(biāo)全部變化，老化后瀝青的高溫抗變形能力有所提升，但其低溫性能及耐久性都會(huì)降低[1]，嚴(yán)重影響了瀝青路面的使用性能。為模擬瀝青路面在現(xiàn)實(shí)過程中的老化，先后有很多試驗(yàn)方法被提出，其中有控制溫度和時(shí)間的普通烘箱老化試驗(yàn)、瀝青薄膜烘箱試驗(yàn)法(TFOT)、瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)法(RTFOT)和壓力老化(PAV)試驗(yàn)等。由于瀝青的老化使其路用性能下降所以路面的再生技術(shù)由此產(chǎn)生，瀝青路面的再生主要有熱再生和冷再生。實(shí)驗(yàn)室中一般用熱再生方法對(duì)老化的瀝青進(jìn)行再生以模擬現(xiàn)實(shí)情況。本文主要是通過對(duì)比各種實(shí)驗(yàn)室老化方法與再生方法尋找一條近似于現(xiàn)實(shí)的老化再生路徑。

瀝青材料由于受到外界因素的影響而發(fā)生老化，老化后的瀝青其路用性能明顯下降，為提高瀝青抗老化的性能人們做了大量的研究，而研究的目的就在于研究結(jié)果的應(yīng)用。為了使試驗(yàn)過程更接近于實(shí)際，就需要一條接近于實(shí)際的瀝青路面在使用過程中老化和老化以后回收再利用的實(shí)驗(yàn)室路徑。

1 老化方法的對(duì)比

瀝青路面的老化過程可分為短期老化和長(zhǎng)期老化[1]。短期老化指瀝青混合料在拌合、運(yùn)輸、攤鋪過程中由于高溫發(fā)生的熱氧化反應(yīng)。由于短期老化時(shí)瀝青所在的溫度較高，故瀝青輕質(zhì)油分的揮發(fā)主要集中在短期老化階段。長(zhǎng)期老化指瀝青路面在使用過程中受到高溫、氧化、光照、水、行車荷載的作用是路面的使用性和耐久性降低。瀝青薄膜烘箱(TFOT)老化與瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)老化都是為了模擬瀝青的短期老化。壓力老化(PAV)是為了模擬瀝青的長(zhǎng)期老化。瀝青路面的老化主要的影響因素是溫度、氧氣含量、交通荷載、光照，而這幾個(gè)影響因素中溫度、氧氣含量、交通荷載是追主要的。無論是瀝青薄膜烘箱(TFOT)老化還是瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)老化或者壓力老化(PAV)都是提高這幾個(gè)因素中某一個(gè)或某幾個(gè)因素的強(qiáng)度。其中TFOT與RTFOT無論是試驗(yàn)原理還是實(shí)驗(yàn)結(jié)果都有很大的相似度。在瀝青老化過程中氧氣含量和溫度是兩個(gè)最重要的方面，溫度低、氧含量少時(shí)，發(fā)生反應(yīng)的速度就慢，反之發(fā)生反應(yīng)的速度就快。RTFOT在163℃ 條件下，常壓吹入熱空氣老化，溫度較高，氧濃度較?。籔AV是90～110℃溫度下，空氣壓力2.1 MPa下進(jìn)行老化，溫度較低，氧濃度較大[2]；而60℃ 烘箱老化的溫度和氧濃度都最低，因此老化最緩慢。

SHRP計(jì)劃研究者經(jīng)過研究認(rèn)為，瀝青在施過程中的短期老化可以通過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化來進(jìn)行模擬；而瀝青在使用過程中的老化即長(zhǎng)期老化可以通過對(duì)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜老化后的瀝青進(jìn)行壓力老化來進(jìn)行模擬。栗培龍等[3]通過對(duì)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(yàn)85 min、延時(shí)360 min、180 min的旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(yàn)和R+P和R+20d(先 RTFOT老化試驗(yàn)然后進(jìn)行20天的60℃烘箱老化)與真實(shí)的廢舊瀝青路面提取的老化瀝青的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，見表1[3]。

表1 瀝青模擬老化與路面抽提回收瀝青指標(biāo)比較

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)R360min與使用6 a、7 a的瀝青路面提取物的指標(biāo)較為接近，R+P與使用3 a的較為接近，R180min、R+O20d與使用3 a的較為接近。從此數(shù)據(jù)可以看出無論是R360min還是R180 min或者R+O20d都能與不同使用年份的路面抽提回收瀝青的指標(biāo)較好的對(duì)應(yīng)上，只有R+P與路面抽提回收瀝青的指標(biāo)對(duì)應(yīng)不是很好，另外壓力老化要用經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜老化后的瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件苛刻，實(shí)驗(yàn)過程復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)，儀器不普及等缺點(diǎn)[3]。60℃烘箱老化雖然設(shè)備單，但試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，給試驗(yàn)研究帶來較大的困難。

抽提所得到的老化瀝青中含有三氯乙烯和礦粉，回收瀝青中礦粉的存在對(duì)延度的影響很大，造成了再生劑不能使再生瀝青延度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的假象；而三氯乙烯對(duì)瀝青有溶解作用，回收瀝青中含有的微量三氯乙烯，對(duì)其針入度、軟化點(diǎn)、延度三大指標(biāo)都有很大的影響[4]，故可知路面抽提回收所得到的瀝青會(huì)受到三氯乙烯以及礦粉的影響而使得用它所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)失準(zhǔn)。相比采用經(jīng)過修正的旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)老化或者延時(shí)的RTFOT就能夠較好的模擬真實(shí)路面瀝青的老化，但是由于不同地理?xiàng)l件、氣候條件、交通量、交通荷載對(duì)路

面瀝青的老化影響很大，故不同的地區(qū)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)卣鎸?shí)路面瀝青老化時(shí)間與相應(yīng)模擬時(shí)間對(duì)應(yīng)。

2 瀝青的實(shí)驗(yàn)室再生方法

現(xiàn)階段廢舊瀝青路面的再生方法主要分熱再生和冷再生，熱再生又分為廠拌熱再生和現(xiàn)場(chǎng)熱再生，冷再生分為廠拌冷再生和現(xiàn)場(chǎng)冷再生[5]。廠拌熱再生可處治反射裂縫、養(yǎng)護(hù)補(bǔ)丁和基層等問題是目前應(yīng)用最廣的廢舊瀝青路面再生技術(shù)，其他幾種再生方法都有各自的局限性[6]。為模擬廠拌熱再生，將經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室模擬老化所得到的瀝青殘留物，加入瀝青再生劑或加入新瀝青和再生劑然后在加熱的同時(shí)用攪拌機(jī)攪拌直至混合均勻[7]，加熱的溫度控制在140～160℃之間。

3 再生劑用量確定

在瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)中針入度和5℃延度能夠比較好的反應(yīng)瀝青的高溫和低溫性質(zhì)，故本實(shí)驗(yàn)通過控制瀝青的針入度和瀝青的5℃延度來確定再生劑的用量，分別用2%、2.5%、4%的再生劑對(duì)經(jīng)過5 h 163℃烘箱老化后的瀝青進(jìn)行再生，對(duì)比原基質(zhì)瀝青與再生后的瀝青的兩項(xiàng)指標(biāo)，見表2。

表2 再生劑劑量對(duì)比

根據(jù)以上數(shù)據(jù)得到圖1和圖2。從圖1中可以看出用2.5%的再生劑再生針入度可恢復(fù)到與基質(zhì)瀝青相似的水平，故就針入度而言用2.5%再生劑比較合適。圖2可以看出2%的再生劑可以使經(jīng)過老化后的瀝青的延度恢復(fù)較好，但此時(shí)針入度恢復(fù)較差，用2.5%的在再生劑時(shí)，延度達(dá)到了14.7 cm，提高了瀝青的低溫性能。

圖1 針入度對(duì)比

圖2 延度對(duì)比

試驗(yàn)用的再生劑具有很強(qiáng)的極性，加入到瀝青后能有效包裹瀝青質(zhì)，同時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使瀝青的極性化合物增多，阻止和延緩瀝青質(zhì)的凝聚，再生劑的主要技術(shù)指標(biāo)由再生劑生產(chǎn)廠家提供見表3。

表3 再生劑主要指標(biāo)

根據(jù)表4數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出經(jīng)過再生后的瀝青各項(xiàng)指標(biāo)都有很好地恢復(fù)，針入度變化較大但最后恢復(fù)的效果很好，而延度在整個(gè)過程中變化最大恢復(fù)效果也是最好的甚至達(dá)到了基質(zhì)瀝青的兩倍。基質(zhì)瀝青與老化后的瀝青和經(jīng)過再生后的瀝青各項(xiàng)指標(biāo)見表4。

表4 再生效果對(duì)比

由以上數(shù)據(jù)可以看出，這種實(shí)驗(yàn)室的瀝青熱再生方法能夠很好的對(duì)老化的瀝青進(jìn)行再生。

4 結(jié) 論

通過數(shù)據(jù)分析可知，延時(shí)的RTFOT和RTFOT+PAV都能很好地模擬瀝青在實(shí)際使用過程的老化，兩者的數(shù)據(jù)與實(shí)際老化的數(shù)據(jù)都非常接近，并沒有體現(xiàn)出RTFOT+PAV比延時(shí)的RTFOT能更好的模擬實(shí)際老化，故用延時(shí)的RTFOT就能很好的模擬瀝青在實(shí)際使用過程中的老化。又因?yàn)閷?shí)際廢舊瀝青在抽提后都含有一定量的三氯乙烯，這樣使得抽提后得到的瀝青殘留物的指標(biāo)都不是很準(zhǔn)確。所以可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛞约敖煌ㄇ闆r確定一個(gè)延時(shí)的時(shí)間，使得不同延時(shí)時(shí)間的RTFOT可以模擬當(dāng)?shù)夭煌褂脮r(shí)間瀝青路面的回收瀝青。

根據(jù)再生的分析可以得出，將再生劑在140～160℃時(shí)加入到老化后的瀝青中并用攪拌機(jī)攪拌至再生劑與瀝青完全混合均勻，這個(gè)過程可以模擬老化瀝青混合料的廠拌熱再生過程。這樣瀝青路面的老化及熱再生過程就可以用簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)室瀝青老化再生來模擬。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]應(yīng)榮華，鄭健龍，陳 驍.瀝青老化效應(yīng)的試驗(yàn)研究[J]，公路交通科技，2007，24(6)：20-23.

[2]栗培龍，張爭(zhēng)奇，王秉綱.瀝青野外熱氧老化模擬試驗(yàn)研究[J]，河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37(4)：90-95.

[3]栗培龍，張爭(zhēng)奇，王秉綱.道路瀝青熱氧老化模擬試驗(yàn)研究[J]，鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2008，29(1)：119-123.

[4]劉金玲.瀝青及瀝青混合料就地?zé)嵩偕に囇芯縖D].大連：大連理工大學(xué)，2009.

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[6]王 宇.瀝青路面再生研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2011.

[7]劉玉磊，姜 利，王黎明，等.確定瀝青再生劑最佳用量的試驗(yàn)研究[J].森林工程，2007，23(2)：71-73.