劉 銳，廖克儉，王洪國(guó)，馬曉明

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順 113001）

瀝青的抗老化性能是影響其路面使用壽命的主要因素之一[1]。瀝青路面在使用一些年限后，受循環(huán)應(yīng)力和交通應(yīng)力的影響，以及高溫冰凍的交替作用，出現(xiàn)了很多的病害，諸如擁包，沉陷，車轍，網(wǎng)裂等，瀝青路面老化，瀝青路面難以承受快速增長(zhǎng)的高負(fù)荷交通量，行車的安全得不到保障，舒適性受到嚴(yán)重影響。因此關(guān)于道路受到損害需要翻新或者補(bǔ)修隨之殘留的廢舊瀝青混合料的處理問(wèn)題愈發(fā)重要。目前根據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的需求以及人們環(huán)保意識(shí)的提高和能源危機(jī)的日益嚴(yán)重，廢舊瀝青再生技術(shù)已經(jīng)得到很大的發(fā)展。但由于基質(zhì)瀝青結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，最終更反映在最終反映在瀝青抗老化性上有很大的差別，因此對(duì)再生瀝青抗老化性的研究有很大的必要。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料和儀器

1.1.1 原料

廢舊瀝青：沈陽(yáng)機(jī)場(chǎng)路廢舊瀝青混合料；沈陽(yáng)高速公路廢舊瀝青混合料（SBS），新瀝青：遼河AH-90#瀝青；遼河Ⅰ-C類SBS改性瀝青，再生劑：LKJ-Ⅰ型再生劑（自制）。

1.1.2 儀器

82型瀝青薄膜烘箱（無(wú)錫市石油儀器設(shè)備廠），SYD-2806E全自動(dòng)瀝青軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)器（上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司），SYD-2801C瀝青針入度試驗(yàn)機(jī)（上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司），LY型瀝青延度測(cè)定儀（無(wú)錫市石油儀器設(shè)備廠）。

1.2 瀝青的回收

本實(shí)驗(yàn)采用溶劑抽提法，先用溶劑苯將廢舊瀝青混合料中的瀝青進(jìn)行溶解，然后把混合液倒入容器中進(jìn)行抽提1 h以上，再將抽提液倒出重復(fù)抽提一次，使瀝青全部容到溶劑中去。將瀝青抽提液進(jìn)行加熱抽濾，去除其中的礦粉，再把瀝青溶液倒入蒸餾瓶中加熱蒸餾，在84oC左右蒸出溶劑苯，得到粗瀝青。最后將粗瀝青減壓蒸餾，去除其中殘留的溶劑和水，并稱重即可得到回收瀝青[2]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 瀝青的再生

廢舊瀝青路面的再生，指的是將舊瀝青路面經(jīng)過(guò)翻修或者裁挖、回收、破碎、篩分等工序后，與再生劑、新瀝青、新集料等按照一定比例重新拌合，使其能夠一定路用性能的工藝技術(shù)。

2.1.1 回收瀝青理化性質(zhì)分析

回收瀝青與基質(zhì)瀝青理化性質(zhì)分析見表1。

表1 回收瀝青與基質(zhì)瀝青理化性質(zhì)對(duì)比表Table 1 Physical and chemical properties of old asphalt and new asphalt

由表1可知，兩種廢舊瀝青的針入度偏低、軟化點(diǎn)較高、延度嚴(yán)重偏低，與兩種基質(zhì)瀝青差距較大，說(shuō)明這兩種廢舊瀝青老化嚴(yán)重，三大指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG F40-2004 的要求[3]。

2.1.2 廢舊瀝青再生

廢舊瀝青再生劑能夠改變舊瀝青的三大指標(biāo)，改善瀝青的路用性能[4]。實(shí)驗(yàn)室選用自制的LKJ-Ⅰ型再生劑分別對(duì)兩種廢舊瀝青進(jìn)行再生，并根據(jù)回收率補(bǔ)充適量的新鮮瀝青。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終確定兩種舊瀝青的再生劑加入量均為10%，再生結(jié)果見表2。

由表2可以得知，LKJ-Ⅰ型再生劑在加劑量為10%時(shí)，瀝青的三大指標(biāo)最好。沈陽(yáng)機(jī)場(chǎng)路廢舊瀝青再生后可達(dá)到 AH-90指標(biāo)的重交通道路石油瀝青技術(shù)要求；而沈陽(yáng)高速公路廢舊瀝青再生后可達(dá)到 SBS(I)-B指標(biāo)的聚合物改性瀝青技術(shù)要求[5]，說(shuō)明LKJ-Ⅰ型再生劑對(duì)兩種瀝青的再生效果良好，應(yīng)用范圍比較廣泛。

表2 舊瀝青再生后理化性質(zhì)與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照表Table 2 Physical and chemical properties of recycled asphalt

2.2 瀝青的老化

試驗(yàn)所采用的儀器主要有薄膜加熱烘箱、盛樣皿、溫度計(jì)、天平等。分別注入內(nèi)直徑為 140 mm的圓盤形盛樣皿(50±0.5)g瀝青，并形成厚度均勻的薄膜[6]。將烘箱加熱至150, 163, 180 ℃溫度下進(jìn)行高溫模擬老化，并以5.5 r／min的速度在水平方向上旋轉(zhuǎn)，每隔5 h取出一組試樣，測(cè)定其質(zhì)量損失。

2.2.1 失重系數(shù)法評(píng)價(jià)再生瀝青抗老化性能

實(shí)驗(yàn)室采用82型瀝青薄膜烘箱進(jìn)行TFOT實(shí)驗(yàn)[7]，是將瀝青暴露在熱空氣條件下，瀝青的質(zhì)量變化，一方面是由于瀝青中輕組分的揮發(fā)造成的；另一方面是因?yàn)闉r青與空氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。對(duì)于再生瀝青，由于加入了再生劑，輕組分的揮發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氧化反應(yīng)的增加量[8]。因此，本實(shí)驗(yàn)只考慮瀝青揮發(fā)造成的質(zhì)量損失。

隨著老化溫度的升高以及老化時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種再生瀝青中的輕組分逐漸蒸發(fā)，失重率逐漸增加，以老化時(shí)間和失重率為橫縱坐標(biāo)作圖，見圖1-2。

由圖1和圖2可以看出，在實(shí)驗(yàn)室所測(cè)定的溫度范圍內(nèi)，再生瀝青的失重率與老化時(shí)間呈線性關(guān)系，符合線性方程：

式中：Δm—失重率/%；

λ—為失重系數(shù)；

t —老化時(shí)間/h；

c —與瀝青物性有關(guān)的常數(shù)。

從失重系數(shù)λ可以簡(jiǎn)單方便地評(píng)價(jià)再生瀝青的抗老化性能。由圖1和圖2所確定的失重系數(shù)結(jié)果見表3。

圖1 沈陽(yáng)機(jī)場(chǎng)再生瀝青失重率與老化時(shí)間關(guān)系Fig.1 Relationship between weight loss rate and aging time of Shenyang airport recycled asphalt

圖2 沈陽(yáng)高速(SBS)再生瀝青失重率與老化時(shí)間關(guān)系Fig.2 Relationship between weight loss rate and aging time of Shenyang highway recycled asphalt

表3 兩種再生瀝青失重系數(shù)與時(shí)間關(guān)系Table 3 Relationship between λ and aging time of two kinds of recycled asphalt

由表3可知，隨著老化溫度的升高，失重系數(shù)λ逐漸增大，表現(xiàn)出在高溫條件下失重明顯增加。從λ的大小可以看出，在150 ℃和180 ℃溫度下，失重系數(shù)的大小關(guān)系為：沈陽(yáng)高速＞沈陽(yáng)機(jī)場(chǎng)；在163 ℃溫度下，兩種再生瀝青的失重系數(shù)幾乎一致。由此可見，沈陽(yáng)高速路SBS再生瀝青的抗老化性能略好與沈陽(yáng)機(jī)場(chǎng)路再生瀝青；也可反映出SBS廢舊瀝青的再生效果好于高等級(jí)道路廢舊瀝青再生效果。

2.2.2 建立動(dòng)力學(xué)模型

瀝青老化屬于一級(jí)反應(yīng)[9]，可以用失重增加來(lái)表示反應(yīng)進(jìn)行的深度，因此回歸方程的斜率即瀝青老化的失重系數(shù)就為對(duì)應(yīng)溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)k，根據(jù)Arrhrenius方程有：

以-lnk對(duì)1/T作圖，經(jīng)線性回歸，解得直線的斜率為 Ea/R，直線外推至 1/T=0，Y軸的截距即為lnA，從而求出瀝青老化活化能Ea和指前因子A，見圖3。

將Arrhrenius方程帶入式（1）中，可得：

c是與瀝青物理性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，見表3。兩種瀝青的動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表4。

將表4中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)帶入到式（3）中，可得兩種再生瀝青的失重動(dòng)力學(xué)方程：沈陽(yáng)機(jī)場(chǎng)：沈陽(yáng)高速：

圖3 -lnk與1/T的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between –lnk and 1/T

在不同溫度下，瀝青的失重率與時(shí)間的關(guān)系可已通過(guò)方程（4）與方程（5）計(jì)算得到。通過(guò)所建立的老化動(dòng)力學(xué)模型，可對(duì)不同溫度下瀝青的老化進(jìn)行驗(yàn)證。從表4中可以看出，沈陽(yáng)高速SBS再生瀝青有較大的活化能和較小的反應(yīng)速率常數(shù)，說(shuō)明沈陽(yáng)高速SBS再生瀝青的抗老化性能好于沈陽(yáng)機(jī)場(chǎng)再生瀝青，這也驗(yàn)證了失重系數(shù)法考察兩種再生抗老化性能的結(jié)論。

表4 兩種瀝青的動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 4 Dynamical parameter of two kinds of recycled asphalt

3 結(jié) 論

（1）選用LKJ-Ⅰ型再生劑加入量為10%時(shí)，沈陽(yáng)機(jī)場(chǎng)和沈陽(yáng)高速兩種廢舊瀝青分別可以達(dá)到AH-90和SBS(I)-B指標(biāo)要求，再生效果較好，再生劑的應(yīng)用范圍廣泛。

（2）隨著老化溫度的升高，再生瀝青的失重系數(shù)增大；老化時(shí)間越長(zhǎng)，失重率越大。在相同的老化時(shí)間和老化溫度下，沈陽(yáng)高速（SBS）再生瀝青的抗老化性能略好于沈陽(yáng)機(jī)場(chǎng)再生瀝青；說(shuō)明LKJ-Ⅰ型再生劑對(duì)SBS廢舊瀝青的再生效果更好。

（3）瀝青的老化，遵循一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，利用失重系數(shù)建立老化動(dòng)力學(xué)模型可表征瀝青老化動(dòng)力學(xué)過(guò)程，求得動(dòng)力學(xué)參數(shù)，方法簡(jiǎn)單可靠。

（4）沈陽(yáng)高速（SBS）再生瀝青與沈陽(yáng)機(jī)場(chǎng)再生瀝青相比，具有較大的動(dòng)力反應(yīng)活化能，這也說(shuō)明其具有較好的抗老化性。

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