老化沥青抽提回收研究进展

2017-11-30周水文张晓华何平芝

筑路机械与施工机械化 2017年10期

关键词：三氯乙烯矿粉蒸发器

周水文，张晓华，张蓉，毛成，何平芝

老化沥青抽提回收研究进展

Research Progress of Aging Asphalt Extraction and Recycling

周水文1，2，张晓华1，2，张蓉1，2，毛成1，2，何平芝1，2

1. 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，四川成都 611130
2. 四川省路面结构材料及养护工程实验室，四川成都 611130

0 引言

老化沥青抽提回收是准确评价老化沥青性能的前提，也是后续进行再生混合料配合比设计的基础。废旧沥青混合料抽提方法包括离心分离法、回流抽提法和真空抽提法等，其中离心抽提应用最为广泛[1]。研究表明，离心分离法得到的沥青回收溶液中会残留少量矿粉，改变沥青的物理性质，造成试验结果不稳定[2]。文献[3]提供了阿布森法和旋转蒸发器法这2种从沥青溶液中回收沥青的方法，但2种方法均存在回收参数适应不强、沥青中残留三氯乙烯、软化回收沥青的问题。美国NCHRP（国家公路合作研究计划）研究表明，0.5%的残余溶剂会导致沥青黏度下降50%。因此，研究者对矿粉、三氯乙烯等残留物的影响以及2种回收方法进行了大量基础性研究工作，本文将对老化沥青抽提回收近年来的研究进展进行阐述。

1 老化沥青抽提研究

1.1 抽提方法

美国ASTM D2172试验规程中规定了4种沥青混合料抽提方法（方法A～D）：方法A为离心抽提，方法B为回流抽提，方法C是真空抽提，方法D是回收抽提的变法[4]，设备如图1所示。其中离心抽提法和回流抽提法最为常用，且离心抽提法采用冷溶剂操作，避免了加热导致沥青的二次老化，优于采用热溶剂的回流方法。中国规范主要是参照ASTM和日本道路协会铺装试验方法，只规定了离心抽提法，且研究数据较少。离心抽提法设备相对简单经济，在中国的工地实验室中被大规模采用，但由于采用冷溶剂，导致沥青无法完全从集料中抽提出来，降低了沥青质量分数(0.1%～0.5%)。残留的沥青（即被集料所吸收的沥青部分）会使回收沥青性质发生显著变化，影响程度依赖于残留沥青的黏度。此外，采用离心抽提法通常会在沥青回收溶液中残留少量的矿粉，进而影响回收沥青的性能。因此，对废旧混合料抽提方法尚需进行系统的对比分析研究，提出适合中国国情的试验方法。

图1 ASTM抽提回收设备

1.2 残留矿粉的影响

为研究残留矿粉对回收沥青性能的影响规律，提出解决方案，侯睿在70#沥青中掺入不同比例的矿粉，分析了矿粉对沥青三大指标的影响规律，认为矿粉掺量小于1%时，对沥青性能影响不大；马涛在SBS改性沥青中掺入0.5%～10%的矿粉，研究了矿粉掺量对原样SBS改性沥青三大指标的影响，建议SBS改性沥青的残留矿粉含量应严格控制在0.5%以内[5-6]。

其他道路工作者还对去除矿粉的方法进行了多方面的研究，如蒋育红等人建议采用自然沉淀法，将回收溶液静置24 h后，取上部溶液进行回收，所需时间较长，且难以有效分离。耿九光[7]利用非匀相体系沉降分离原理，认为采用7 000g离心加速度分离30 min后能有效除去矿粉。

1.3 残留三氯乙烯的影响

美国在抽提回收中使用的溶剂较多，主要有三氯乙烯、二氯甲烷、甲苯、三氯乙烷、含有15%乙醇的三氯乙烯等[9～12]，其中以三氯乙烯应用最广泛。考虑到溶解性、安全性和毒性，国内也以三氯乙烯为主，其他溶剂使用较少。阿布森法和旋转蒸发器法均受环境温度、沥青类型等因素的影响，难以有效判断蒸馏回收的终点，极易在回收沥青中残留三氯乙烯，影响回收沥青性能。侯睿研究表明，即使很小比例的三氯乙烯都会对70#沥青的三大指标产生显著的影响；相关研究表明，三氯乙烯对SBS改性沥青影响显著，必须确保将三氯乙烯含量不高于0.2%才能准确测定沥青性能。因此，确保回收过程中将三氯乙烯蒸馏干净，准确判定回收结束点是评价回收沥青性能的关键。

2 老化沥青回收研究

中国规范也给出了阿布森法和旋转蒸发器法这2种方法，但基本上是参照美国规范，缺乏实际应用经验。国外研究表明，阿布森法高温加热时间过长，难以判断回收结束点，可能造成沥青老化或在回收沥青中残余较多的三氯乙烯，显著减少沥青劲度，而旋转蒸发器法加热温度较低、残留溶剂较少，在近年逐渐成为主要的方法[13-15]。美国在SHRP计划中开发了一种全新的抽提和回收方法（AASHTO TP2），这种方法是在旋转蒸发器的基础上进行改进，一定程度上克服了前2种方法的不足，提高了试验数据稳定性和准确性，但国内尚没有该进口设备的报道。

2.1 阿布森法

阿布森法采用CO2作保护气体，在155 ℃～165 ℃下常压蒸馏去除三氯乙烯溶剂，得到回收沥青。由于该方法仪器设备简单，从1933年以来，一直是实验室最常用的回收方法，并经过了不断的完善，在世界范围内应用最为广泛。它主要存在以下问题：通入CO2会加热不均匀；多次试验结果波动性较大；残留较多三氯乙烯溶剂；高温蒸馏时间过长，可能导致沥青二次老化。

左贵宁[16]提出了加大CO2通气量、确定最佳后续加热时间等改进方法。邹桂莲[17]采用3种溶剂，通过空白沥青标定、控制回收溶液浓度、改善加热方式以及确定恒温持续加热时间等关键技术参数，对阿布森法进行了改进。高晓燕[18]通过对普通沥青和改性沥青进行研究，给出了CO2通气量、蒸馏结束条件等关键参数。

国内目前研究仍然偏少，且大多针对原样沥青，改性沥青是否适用于使用若干年限后路面回收沥青不得而知，且阿布森法回收时间较长，操作困难，不适用工程项目大规模试验的需求。

图2 阿布森法沥青回收设备

2.2 旋转蒸发器法

旋转蒸发器法通过真空减压，使整个回收系统形成负压，降低三氯乙烯的沸点，可在较低温度下最大限度地去除三氯乙烯，缩短高温蒸馏时间，容易控制且数据稳定。从20世纪70年代开始，该方法逐渐被各实验室所采用，如图3所示；但由于应用时间较短，加热温度、真空条件、蒸馏时间、转速和空气流速等回收参数尚未形成统一的标准，仍存在回收沥青老化严重或回收不净的现象。

图3 旋转蒸发器法

中国规范与ASTM D5404在溶剂、蒸馏温度、真空度、CO2流量等方面都有较大的差别。樊亮[19]对加热温度、真空度和水浴条件等参数进行了优化设置，提出了适用于70#沥青的回收参数，且认为该法不适用SBS改性沥青。李炎炎[20]对真空度、油浴初始加热温度、高温加热温度和加热时间进行了研究，提出了适用于普通沥青的回收参数。周水文[21]针对目前旋转蒸发器法大都采用时间控制的问题，提出采用现象时间控制法的回收参数，并对不同来源、不同老化程度沥青进行了试验验证。

目前，对于普通沥青回收，各试验积累了较多的空白回收数据，其中现象时间控制法具有较好的适用性，通过了不同来源、不同老化程度沥青的验证；但沥青使用环境复杂，且缺乏路面新建时沥青性能数据，回收参数的适用性仍需继续研究。此外，对于SBS改性沥青回收，国内外尚没有较好的解决方法，这是中国近年新修建道路将面临的再生技术瓶颈。