再生剂对老化道路石油沥青性能影响的研究

(张家界市道路桥梁开发建设总公司，湖南 张家界 427000)

0 前言

我国开始修建高速公路以来，不到几十年的时间，全国高速公路里程已达到万公里，在里程上即将赶超世界第一的美国。随着公路里程的增加以及沥青道路的使用年限的累积，沥青路面难免会出现各种病害，严重影响行车安全。我国的沥青路面大部分都存在维修的地方，难免产生大量的废旧沥青混合料。废旧的沥青混合料如果处置不当，不仅是一种对资源的浪费，还有可能对环境产生巨大的危害。废旧的沥青混合料如果放置地表，会占用大量的土地空间。如果埋入地下，会严重污染地下水。所以对废旧沥青混合料的回收利用，无论对环境还是对于工程都具有重大的意义。

由于国内石油储量逐渐减少，国内学者[1-3]也提出了很多废旧沥青混合料的回收利用方法。考虑到90号道路石油沥青的施工工艺与生产成本，其在国内的道路修建应用中较为广泛。回收的废旧沥青混合料中的沥青多为中期老化和长期老化后的沥青，本课题主要研究对老化后的90号道路石油沥青的回收再生的问题。沥青的老化表现为，随着使用年限的增加，沥青软化点和粘度逐渐升高，延度和针入度逐渐降低，从而导致沥青路用性能的降低。再生剂的使用，能够使得老化后的90号道路石油沥青的各项物理指标恢复到一定的程度，从而改善再生沥青混合料的性能，达到对废旧沥青混合料回收再生的效果。

1 原技术指标及试验组织方案

1.1 原材料技术指标

1)90号道路石油沥青技术指标如表1所示。

2)再生剂技术指标如表2所示。

表1 90号道路石油沥青技术指标表针入度(100g，5s，25℃)/(0 1mm)延度(10℃)/cm软化点/℃溶解度(三氯乙烯)/%闪点(COC)/℃薄膜烘箱试验(163℃，5h)质量损失/%针入度比/%延度(10℃)/cm91754699 42700 963 011(80～100)—(42～52)(99 0)(≥230)(≤10)(≥50)(≥8)注：括号内值为技术要求。

表2 再生剂技术指标化学组成成分/%物理指标胶质沥青质芳香分饱和分闪点/℃粘度(60℃)/cpRTFOT后粘度比RTFOT后质量损失/%13 37 962 316 32346081 7-2 1

1.2 试验组织方案

1.2.1 试验方法

本研究采用90号道路石油沥青作为试验原材料，通过薄膜烘箱加热来模拟沥青混合料中沥青的中期和长期老化。试验组老化时间分为6组，分别在6组老化后的90号道路石油沥青中添加6种不同剂量的同种再生剂，其中有一组为原样沥青，直接添加再生剂作为对照组。从而能够对比研究出老化后的90号道路石油沥青在添加不同剂量的再生剂后的各项性能指标的变化规律。

为制备代表不同程度的老化试样，老化试验时间段分别为4、8、12、16和20 h，老化烘箱温度设定为163 ℃。在道路石油沥青达到预定的老化时间后，分别对老化沥青的软化点、延度和针入度指标进行检测，对比研究各项指标的变化规律。

1.2.2 沥青老化的室内模拟

90号道路石油沥青在进行模拟老化前，放入160 ℃的加热箱中30 min，使其加热至流动状态。向已用三氯乙烯清洗干净并已称重的托盘中注入已加热至流动状态的90号道路石油沥青50 g±0.5 g，称完质量后将盛有沥青的4只托盘放入烘箱中的各个盘位中，迅速关上烘箱门并打开转动开关,随后设定烘箱的温度，使烘箱内的温度在10 min内恢复到163℃。5组试验组的沥青加热时间分别为4、8、12、16和20 h。到达预定的老化时间后，停止托盘的转动，立刻取出带有老化沥青的托盘，并按照规范要求，沥青迅速倒入测定沥青三大指标的模具中，以制备试样见图1。

1.2.3 再生沥青的制备

将再生剂放置烧杯中并在120 ℃的烘箱中加热30 min，使其达到流动状态。薄膜烘箱中的老化沥青在达到预定时间的前5 min时取出，分别注入加热好的再生剂(3%、6%、9%、12%、15%、18%)，再生剂剂量为再生剂与老化沥青的质量比。然后立即放入旋转烘箱继续老化，直至达到预定老化时间。随后进行沥青三大指标检测。根据沥青加入再生剂前后的指标变化，分析并总结出不同老化时间对应的最佳再生剂用量。

2 试验结果及分析

2.1 再生沥青的指标变化及数据分析

将制备好的再生沥青按照规范[4]要求，分别测其针入度、软化点和延度，其试验结果见表3。

由表3可知，该种再生剂对老化道路石油沥青的延度与针入度的恢复，取得了良好的效果。当沥青老化最短时间4 h时，加入试验组中最大再生剂用量18%，延度指标接近原样沥青，但仍未完全恢复。所以该种再生剂对沥青延度恢复的作用效果不明显。

为了能更加直观地分析沥青的各项指标与该种再生剂的添加剂量的关系，绘制其折线图如图2～图4所示。从中可以明确看出，不同程度老化的90号道路石油沥青随着再生剂用量的梯度增加，沥青的各项物理指标均有所恢复。老化后的沥青其化学组成成分的含量与原样新沥青有所不同，老化后沥青中的芳香分含量有所下降，而沥青质的比重有所增加。这就使得老化后的沥青，在物理指标上表现为软化点升高，延度和针入度有所降低。老化沥青的再生就是添加再生剂等方法，重新调整沥青中各化学组成组分的含量，得到能够满足路用性能的再生沥青。

2.2 老化沥青最佳再生剂用量的确定

由表3中的数据可知，该种再生剂对针入度和软化点的恢复效果比较明显，对延度有所恢复，但未达到指标要求。所以本课题以针入度和软化点为主要影响因素，研究老化90号道路石油沥青与再生剂用量的关系。当老化时间为4 h时，采用数值内插法计算针入度恢复到原样沥青指标时，使用的再生剂用量为[3+3×(91.0-89.7)/(92.1-89.7)]×100%=4.6%，计算软化点恢复到原样沥青指标时，使用的再生剂用量为[3+3×(46.7-46.0)/(46.7-45.2)]×100%=4.4%，取两者的均值为(4.6%+4.4%)/ 2=4.5%。所以，当沥青老化4 h时，采用4.5%的再生剂作为最佳再生剂用量。

表3 不同老化程度沥青随再生剂用量指标恢复表老化时间/h再生剂用量/%针入度(25℃)/(0 1mm)延度(10℃)/cm软化点/℃088 151 847 1389 755 546 7692 160 245 24993 863 444 11294 767 142 61596 270 741 31897 674 339 6085 849 748 8387 653 847 1690 159 346 88992 662 045 71293 365 744 51594 968 943 21895 471 442 1085 246 552 0386 751 550 1688 057 248 612989 460 747 11291 163 645 91592 566 444 31894 068 243 2082 644 353 7384 150 151 0686 756 049 216987 359 548 01290 961 946 11591 964 645 01892 565 144 6080 141 155 4382 048 253 8684 954 551 620985 857 950 01287 559 848 81589 361 247 41891 261 846 0

图2 针入度与再生剂用量关系图

图3 延度与再生剂用量关系图

图4 软化点与再生剂用量关系图

当老化时间为8 h时，采用数值内插法计算针入度恢复到原样沥青指标时，使用的再生剂用量为[6+3×(91.0-90.1)/(92.6-90.1)]×100%=7.1%，计算软化点恢复到原样沥青指标时，使用的再生剂用量为[6+3×(46.8-46.0)/(46.8-45.7)]×100%=8.2%，取两者的均值为(7.1%+8.2%)/2=7.7%。所以，当沥青老化8 h时，采用7.7%的再生剂作为最佳再生剂用量。

当老化时间为12 h时，采用数值内插法计算针入度恢复到原样沥青指标时，使用的再生剂用量为:[9+3×(91.0-89.4)/(91.1-89.4)]×100%=11.8%,计算软化点恢复到原样沥青指标时，使用的再生剂用量为[9+3×(47.1-46.0)/(47.1-45.9)]×100%=11.8%，取两者的均值为 (11.8%+11.8%)/2=11.8%。所以，当沥青老化12 h时，采用11.8%的再生剂作为最佳再生剂用量。

当老化时间为16 h时，采用数值内插法计算针入度恢复到原样沥青指标时，使用的再生剂用量为:[12+3×(91.0-90.9)/(91.9-90.9)]×100%=12.3%，计算软化点恢复到原样沥青指标时，使用的再生剂用量为[12+3×(46.1-46.0)/(46.1-45.0)]×100%=12.3%，取两者的均值为 (12.3%+12.3%)/2=12.3%。所以，当沥青老化16 h时，采用12.3%的再生剂作为最佳再生剂用量。

当老化时间为20 h时，采用数值内插法计算针入度恢复到原样沥青指标时，使用的再生剂用量为[15+3×(91.0-89.3)/(91.2-89.3)]×100%=17.7%，计算软化点恢复到原样沥青指标时，使用的再生剂用量可以从表中直接读出，其数值为18.0%，取两者的均值为 (17.7%+18.0%)/2=17.9%。所以，当沥青老化20 h时，采用17.9%的再生剂作为最佳再生剂用量。

因上述最佳再生剂用量都是经过计算而得，不能够看到老化沥青恢复的直接效果，故选取靠近原样沥青指标的再生剂用量绘制其指标恢复图，见图5～图7。从中可知，该种再生剂对道路石油沥青的软化点和针入度指标的恢复，取得了良好的效果。但延度的恢复效果不明显，未能达到原样沥青的要求。此时为达到良好的效果，往往在老化沥青加入再生剂的同时，加入适量的同种新沥青。再生剂往往只能向老化沥青中补充芳香分，但无法修复沥青老化时断裂的分子链。加入新沥青后，可借助其原本含有的环氧基团与老化沥青降解产物的端基基团发生化学接枝反应，使老化后断裂的分子链重新连接起来，使得延度也能得到良好的恢复。

图5 再生沥青针入度恢复图

图6 再生沥青延度恢复图

图7 再生沥青软化点恢复图

90号道路石油沥青的老化时间与最佳再生剂用量的关系如表4所示。

表4 最佳再生剂用量与老化时间关系表老化时间/h最佳再生剂用量/%老化时间/h最佳再生剂用量/%44 51612 387 72017 91211 8

由图8可知，沥青的老化时间与最佳再生剂用量之间存在线性拟合关系，拟合公式如下所示，其中R2=0.94 ,相关性较大。

η=1.42ξ+0.79

式中：η为最佳再生剂用量；ξ为TFOT时间。

图8 最佳再生剂用量与老化时间拟合关系图

在实际工程中，可以测得回收废旧沥青混合料中老化沥青的软化点和延度，与上文表中的指标相对应，利用数值内插法确定所测老化沥青的老化时间，带入所求公式，即可得到最佳再生剂用量。

3 结论

本文通过研究90号道路石油沥青的老化与再生剂对其各项物理指标的再生效果，主要得出以下结论：

1)老化后的道路石油沥青，可以通过加入适量的再生剂，使老化沥青的物理指标取得一定程度的恢复效果。

2)再生剂对老化沥青的软化点和针入度指标的恢复，取得了良好的效果，但延度的恢复效果不明显，未能达到原样沥青的要求。此时为了达到良好的效果，往往在老化沥青加入再生剂的同时，加入适量的同种新沥青，使得延度也能够得到良好的恢复。

3)在实际工程中，可根据测得回收废旧沥青混合料中老化沥青的软化点和延度，与上文表中的指标相对比，利用数值内插法来确定所测老化沥青的老化时间，并带入本文所得拟合公式，即可得到最佳再生剂用量。

[1] 魏荣梅.道路沥青的老化与再生研究[D].武汉：武汉理工大学,2006.

[2] 沈国印.沥青混凝土路面再生利用试验分析[J].公路,2003(5):107-111.

[3] 赵玉翠,王翠红,陈继军,等.石油沥青老化性能研究[J].石油沥青,2000(4):1-5.

[4] JTG E20-2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].