基于化學(xué)分析的瀝青再生劑回復(fù)效率研究

薛蓓蕾

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 管理工程系，陜西 渭南市 714000)*

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基于化學(xué)分析的瀝青再生劑回復(fù)效率研究

薛蓓蕾

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 管理工程系，陜西 渭南市 714000)*

為探討再生劑添加后對老化瀝青是否確實進(jìn)行回復(fù)作用，以化性分析為主、流變分析為輔的方式，對再生劑及軟化劑進(jìn)行相關(guān)試驗，各項試驗結(jié)果都顯示添加再生劑的試驗組結(jié)果優(yōu)于添加軟化劑.以官能基面積建立一回復(fù)效益指數(shù)，由試驗結(jié)果可知，當(dāng)再生瀝青混凝土數(shù)值小于3.0時可判定其添加的再生劑幾乎不具有回復(fù)能力，或數(shù)值大于8.0則顯示此再生劑有一定的回復(fù)能力，其再生瀝青混凝土路面也具有較好耐久性，另外在成分指數(shù)方面，則建議數(shù)值須大于2.3，確保再生劑確實補充舊料散失的成分.

再生瀝青混凝土；再生劑；化性分析；FTIR；TLC-FID；流變

0 前言

如今再生瀝青混凝土(RAC)使用于道路養(yǎng)護及新建已成為路面工程界流行的趨勢，不僅節(jié)省成本，更符合環(huán)境保護、天然資源維護及廢棄物再利用的政策，并能解決建筑材料短缺嚴(yán)重及回收瀝青混凝土占用空間堆置的問題[1].再生瀝青混凝土路面經(jīng)反復(fù)的刨除再利用，材料會轉(zhuǎn)為粘度較高的老化瀝青，其相對也轉(zhuǎn)換為較硬脆的材料.省縣市道常會因為各種管線單位的需要，過于頻繁的挖掘、養(yǎng)護與回填，造成刨除料性質(zhì)的不均性；以市區(qū)道路為例，道路涵蓋面積的比例占全國道路將近50%，道路養(yǎng)護周期較短，更使得刨除料再生再利用的影響因子變異更劇烈[2].因此對于再生瀝青混凝土的耐久性、適用性都是目前學(xué)界所關(guān)注的地方.

再生添加劑又可分為軟化劑與再生劑，軟化劑包含軟質(zhì)瀝青、潤滑油、油煤漿還有乳化劑，均屬一種較軟質(zhì)流動性高的一種瀝青[3].改變?yōu)r青特性的材料有軟化劑、再生劑、復(fù)原劑、熔化劑、擴散劑、改性劑等.根據(jù)美國材料試驗協(xié)會(ASTM D4552)對改性劑的定義為“一種加入瀝青后可以改變其物理、化學(xué)性質(zhì)的膠結(jié)劑”.綜合以上定義瀝青材料再生劑范圍包括較軟等級的瀝青或其他特殊產(chǎn)品具有再生劑或改性劑效果的材料[4].再生劑有別于一般軟化劑，使用化學(xué)方式回復(fù)老化瀝青性能，而非稀釋、中和以降低粘度而已，從化學(xué)角度來說，瀝青老化最主要是因為受熱、與空氣接觸而產(chǎn)生氧化作用，繼而發(fā)生后續(xù)分子聚合及分離等作用.因此，添加再生劑可視為一還原作用，而還原反應(yīng)的定義為減少一個有機分子的含氧量或增加含氫量[5].

1 研究方法

本文刨除料(舊料)添加量以目前路面常用的上限[6]作為添加比例，搭配不同來源、不同等級的再生劑以及軟化劑(重油)，以化性分析為主分析老化瀝青還原前后的成分變化及官能基變化，并以流變行為分析為輔，取代一般瀝青混凝土性能試驗的結(jié)果.再生瀝青混凝土配比設(shè)計中再生劑的添加量以粘度確定，本研究使用AI-MS II熱拌再生瀝青混凝土配比設(shè)計計算，模擬一般再生瀝青混凝土添加刨除料、基質(zhì)瀝青、再生劑三種原料時的比例，試驗組共有六組，每一組試驗配置都添加三種材料，為刨除料+基質(zhì)瀝青+再生劑(或軟化劑)，以及一組對照組，為無添加刨除料及任何添加劑的新瀝青AC-20組(根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]對瀝青采用粘度分級，以下同).各材料選擇說明如下：刨除料添加量為40%； 基質(zhì)瀝青為AC- 20；再生劑：國內(nèi)常用的再生劑RA- 5、RA- 25；國外再生劑RA- 1；軟化劑：①瀝青廠常見的大型機具用燃料油；②機油；③AC- 10.

利用薄層液相層析法-火焰游離檢示器(TLC-FID)測定各種混和瀝青的化學(xué)成分.參考Poulikakos, L.D.等人[7]研究中所使用的老化指數(shù)計算公式(式(1)、(2))，在此公式中，以還原官能基面積為分母，氧化(老化)官能基為分子，老化指數(shù)則與老化程度成正比.

由于刨除料變異性大，若要判斷再生劑添加后是否能還原刨除料性質(zhì)，本研究認(rèn)為應(yīng)將刨除料因子加入指數(shù)中，因此利用文獻(xiàn)的老化指數(shù)公式，將原RAP與RAP添加再生劑或軟化劑后的老化指數(shù)比值，定義為回復(fù)效益指數(shù).

回復(fù)效益指數(shù)與再生劑還原RAP的能力成正比關(guān)系，并且可根據(jù)不同老化官能基區(qū)分為Is、Ic兩種回復(fù)效益指數(shù)(式(3)、(4)).

回復(fù)效益指數(shù)I=原老化瀝青指數(shù)/添加再生劑的老化瀝青指數(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

設(shè)定目標(biāo)粘度為3000Poises，將各組材料拌合后，測定其粘度，由于拌合及鋪筑過程中，再生劑將處于高溫環(huán)境，故再生劑需具備一定程度的耐熱性，本研究以RTFOT試驗?zāi)M此過程老化情形，并以粘度及質(zhì)量損失率分析各種材料的耐熱性質(zhì).

2.1 粘度試驗

使用Brookfield粘度儀，測量各組瀝青于60℃時的粘度，RTFOT老化前后的粘度結(jié)果如圖1.經(jīng)RTFOT老化后粘度都增加約兩倍以上，從粘度比可看出添加燃料油及機油試驗組的老化程度最高，顯示其老化程度最為嚴(yán)重，尤其添加機油后其粘度位居所有試驗組之首，可能兩者都含有較多揮發(fā)性成分所導(dǎo)致.

圖1 RTFOT試驗前后粘度變化

2.2 質(zhì)量損失率

將混和瀝青進(jìn)行RTFOT試驗前后的質(zhì)量差異計算質(zhì)量損失率，試驗結(jié)果如表1.

表1 混和膠結(jié)料質(zhì)量損失率

從表1中得出燃料油與重油的質(zhì)量損失率非常高，即使將此兩種材料與基質(zhì)瀝青及RAP拌合，使其稀釋中和作用改變成分后，雖然損失率較低，但仍然有許多輕質(zhì)成分會在高溫中揮發(fā)散失，相較之下，再生劑與AC- 10組別損失率較小，也表示其混和膠結(jié)料狀態(tài)較為穩(wěn)定、耐熱性較好.

2.3 成分分析

再生瀝青混凝土原理為：將已降級的粒料級配加入新粒料使其恢復(fù)原來級配，并加入再生劑與新瀝青，使已老化的瀝青恢復(fù)至設(shè)計等級.一般在調(diào)整老化瀝青上，仍是以目標(biāo)粘度控制再生劑添加量，然而，近年來不斷強調(diào)再生劑是以化學(xué)回復(fù)方式還原老化瀝青，而非稀釋中和的物理性回復(fù)方式，在粘度上滿足需求時，化學(xué)成分是否也能恢復(fù)又是另一問題.利用TLC-FID測定各種混和瀝青的化學(xué)成分，并依試驗結(jié)果計算成分指數(shù)及各試驗組老化后成分指數(shù)成長比率，如圖2及表2.

軟化劑組別中，AC- 10原成分與AC- 20本就較為相近，因此混合后的膠結(jié)料成分組成也與新瀝青對照組較類似，但由于AC- 10無法還原老化瀝青性質(zhì)，因此瀝青質(zhì)含量與再生劑組別相比，大約高出兩倍以上.而機油原成分中飽和分占有八成以上，因此拌合成混合膠結(jié)料后，飽和分仍占多數(shù)，但仍然無法有效降低瀝青質(zhì)含量.

(a)RTFOT試驗前

(b)RTFOT試驗后

添加種類成分指數(shù)成長率/%添加種類成分指數(shù)成長率/%AC-208.5軟化劑再生劑燃料油175.9RA-189.1機油170.5RA-5116.6AC-1039.4RA-2515.9

成分指數(shù)數(shù)值越大，可表示其材料中大分子成分越多、力學(xué)強度越高、粘度也越高，而成分指數(shù)成長率越大，則可表示其材料大分子形成及聚合的速度越快、老化程度越高.本試驗結(jié)果可知，燃料油及機油成分指數(shù)成長率極高，且經(jīng)RTFOT試驗后，機油試驗組中瀝青質(zhì)含量已高達(dá)46.66%，較原本RAP中的45.70%還來的高，顯示機油的添加無法達(dá)到任何作用，生產(chǎn)過程中若添加機油，路面劣化速度極快，在完成鋪筑后路面的狀況將較原RAP來的差.并針對成分指標(biāo)與粘度的相關(guān)系數(shù)約為0.839顯示有高度正相關(guān)性.

2.4 官能基變化分析

由表3、表4得知再生劑的Is指數(shù)介于1.59～1.98，軟化劑Is指數(shù)介于0.98～1.03，兩者差距不大，但以Ic指數(shù)來看，再生劑數(shù)值在7.43以上，軟化劑則在2.48以下，其變異性較大，顯示添加再生劑后羰基官能基所造成的影響較為顯著，以Ic作為回復(fù)效益指數(shù)也較好判別.由Ic數(shù)據(jù)也應(yīng)證軟化劑為稀釋作用，與RAP并無顯著化學(xué)反應(yīng).

表3 老化指數(shù)計算結(jié)果

表4 不同官能基的回復(fù)效益指數(shù)計算結(jié)果

各試驗組經(jīng)短期老化后，老化指數(shù)及回復(fù)效益指數(shù)計算結(jié)果如下表5.在再生劑組別當(dāng)中，于其他試驗中表現(xiàn)較佳的組別RA- 1及RA- 25，以及AC- 20對照組的Ic=o老化指數(shù)都在0.1以下，反觀軟化劑組別，Ic=o非常接近RAP老化指數(shù)，顯示其經(jīng)短期老化后老化情形非常嚴(yán)重，此結(jié)果也與成分分析結(jié)果相同.

表5 經(jīng)RTFOT后老化指數(shù)與回復(fù)效益指數(shù)

本研究期望以成分指數(shù)及回復(fù)效益指數(shù)來建立評估再生劑回復(fù)效益的方法，在試驗結(jié)果中已知，Ic指數(shù)變異性較Is大，從圖3中也能明顯看出，若要分別再生劑與軟化劑的指數(shù)，Ic較為容易判別，因此研究選定Ic指數(shù)作為回復(fù)效益指數(shù).在各試驗都已證明添加再生劑后的混合膠結(jié)料，都比添加軟化劑的試驗組表現(xiàn)良好，因此可大膽推測，回復(fù)效益指數(shù)小于3.0、成分指數(shù)大于2.3時，所添加的為軟化劑而非再生劑.若要進(jìn)一步判斷再生劑質(zhì)量的好壞，在本研究中，又以RA- 25及RA- 1的試驗結(jié)果較RA- 5表現(xiàn)來的好，因此本研究認(rèn)為，回復(fù)效益指數(shù)須大于8.0，成分指數(shù)則因受原來添加劑的成分影響，建議老化前數(shù)值為1.0～2.0，老化后則需小于2.3.若欲于現(xiàn)場對再生瀝青混凝土取樣做檢驗，則以本研究中經(jīng)過RTFOT試驗的回復(fù)效益指數(shù)及老化指數(shù)來做為判斷，但若有無法取得原使用的刨除料做分析時，則以老化指數(shù)作為判斷.本研究中各建議值整理如下表6.

表6 評估回復(fù)效益建議值

圖3 回復(fù)效益指數(shù)

根據(jù)以上分析方式，初步建議再生劑產(chǎn)品中，芳香分應(yīng)占有25%以上，表示其有基本還原能力，若要提升材料工程性質(zhì)，則建議芳香分應(yīng)占35%以上，確保其有足夠的能力分散、溶解樹脂及瀝青質(zhì)等，造成老化膠結(jié)料硬脆與粘度提高的高分子成分.

3 結(jié)論

(1)如今再生劑多以化學(xué)方式回復(fù)老化瀝青性質(zhì)，而不單是稀釋瀝青以降低粘度而已，因此應(yīng)配合化性試驗作為檢驗方式；

(2)經(jīng)本研究試驗結(jié)果，推測在回復(fù)效益指數(shù)小于3且成分指數(shù)大于2.3時，添加的物品屬于軟化劑而非再生劑；

(3)經(jīng)本研究各項試驗結(jié)果，初步判定在回復(fù)效益指數(shù)大于8.0時，所使用的再生劑具有一定回復(fù)效果及質(zhì)量，成分指數(shù)則因受原來添加劑的成分影響，建議老化前數(shù)值為1.0～2.0，老化后則需小于2.3；

(4)若欲在現(xiàn)場對再生瀝青混凝土取樣做檢驗，則參考經(jīng)短期老化后的試驗結(jié)果，建議回復(fù)效益指數(shù)應(yīng)大于7.0，成分指數(shù)須小于2.3.無法取得原使用的刨除料做官能基分析時，則建議老化指數(shù)Ic=o應(yīng)小于0.1.

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Reply Efficiency based on Chemical Analysis of Asphalt Recycling Agent

XUE Beilei

(Department of Management Engineering,Shanxi Railway Engineering Vocational and Technical College,Weinan 714000,China)

To investigate whether indeed aging asphalt rejuvenating agent adding post replies role in resistance-based analysis, rheological analysis is supplemented by regeneration agents and softeners related test, and the test results are displayed, and recycling agent test results are better than the group to add softener. Functional groups area is established to obfain a reply benefit index, and the test results show, when recycled asphalt concrete values of less than 3.0 can adding the regenerated catalyst can barely recovering ability, and the regenerated catalyst has some ability to reply with a value greater than 8.0, the recycled asphalt concrete pavement also has good durability, while the component index, value must be greater than 2.3 to ensure that regeneration agent can supplement the ingredients loss of old material.

recycled asphalt concrete; recycling agent; resistance analysis; FTIR; TLC-FID; rheology

1673- 9590(2017)01- 0090- 04

2016- 04- 19

薛蓓蕾(1989-),女，講師,碩士，主要從事土木工程的研究

E-mail:huangxiaoyong@126.com.

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