旋转蒸发器法回收沥青及其改进方法研究

张 亚 财， 韩 森， 邵 珠 涛

( 1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司， 云南 昆明 650051；2.长安大学 公路学院， 陕西 西安 710064 )

0 引 言

从沥青混合料中回收沥青胶结料，并准确评价沥青胶结料性质，将为分析沥青路面车辙、坑槽、裂缝等病害产生的原因提供参考，为混合料配合比设计、沥青路面养护决策与再生方式提供选择依据[1-2]．目前，沥青胶结料回收方法主要有旋转蒸发器法和阿布森法[3-4]．1933年，国外学者提出采用阿布森法萃取回收沥青，结果发现该方法容易残留溶剂、降低沥青劲度．1970年，美国弗吉尼亚州交通研究中心提出旋转蒸发器法也可以用于回收沥青，Burr等[5]在1993年发现旋转蒸发器法在去除溶剂方面比阿布森法更为有效，而且一次能回收更大容量的溶液．如今，由于旋转蒸发器法相对简单，且对回收沥青性质影响较小，美国材料与试验协会(ASTM)、第十七届世界道路会议和美国公路战略研究计划(SHRP)均提出了采用旋转蒸发器从混合料中回收沥青的方法，并在欧美地区被广泛使用．

在我国，JTG E20—2011规范中对两种回收方法均有试验规程[1]．考虑设备操作的简便性，工程实践和研究中主要采用阿布森法回收沥青，但该方法试验精度低，容易使回收沥青残留三氯乙烯并产生老化，因此国内学者逐渐开始关注旋转蒸发器法，并进行了一些试验．马翔等[6]、樊亮等[7]按照我国规范中旋转蒸发器法推荐的试验流程，在负压(真空度)为6.67 kPa、(50±5) ℃下先低温蒸馏，然后(155±2) ℃下高温持续蒸馏15 min，最后以1 000 mL/min的流速通入CO2气体2 min回收沥青，结果发现：旋转蒸发器法虽然较阿布森法有较高精度，但并不能完全去除残留的三氯乙烯溶剂．耿九光[8]、马涛等[9]则尝试通过延长(155±2) ℃下高温蒸馏时间以去除三氯乙烯，但容易造成沥青老化，回收的沥青不能准确反映原有沥青的性质．

综上所述，旋转蒸发器法回收沥青虽然在国外具有良好的应用效果，但在我国该方法仍存在不足，并未取得与国外相同的效果．分析产生上述现象的原因主要是：(1)沥青回收方法难度大，影响因素较多，回收条件掌握不当容易使回收得到的沥青残留溶剂或产生老化；(2)我国规范中的旋转蒸发器法是参照日本道路协会铺装试验法列出的，由于我国与欧美、日本所用的旋转蒸发设备类型、仪器参数和试验材料存在差异，采用这些方法时需要结合我国试验操作情况进行调整修订和适用性验证．基于此，本文将沥青与三氯乙烯的混合溶液按旋转蒸发器法进行沥青回收，采用常规性能试验、动态剪切流变仪(DSR)温度扫描试验、多应力重复蠕变(MSCR)试验和傅里叶变换红外光谱(FTIR)，从物理指标、流变行为和化学特性3个方面对比分析原样沥青和回收沥青的性质，探讨我国现有标准旋转蒸发器法存在的不足，并提出改进措施，以期降低沥青回收过程中各种因素对沥青性质的影响，为准确评价混合料中沥青的技术性质提出较为合理的方法．

1 原材料与试验设计

1.1 试验原材料

研究以克拉玛依90#基质沥青(KLM90#)作为试验材料，其技术指标满足规范要求．所用溶剂为工业用三氯乙烯，纯度大于99%，其技术性质如表1所示．试验前，将200 g KLM 90#沥青用1 000 g三氯乙烯溶解至一定溶度，并搅拌均匀，制备沥青试验溶液．

表1 工业用三氯乙烯技术性质

1.2 试验方法

(1)回收沥青

回收沥青所使用设备为瑞士Buchi公司生产的R-210型旋转蒸发器，如图1所示．按照规范要求的旋转蒸发器法，在真空度为6.67 kPa时，将沥青空白试验溶液在(50±5) ℃下先低温蒸馏至冷凝管无溶剂下落，然后在(155±2) ℃高温持续蒸馏15 min(此即为高温蒸馏时间)，最后以1 000 mL/min的流速通入CO2气体2 min进行沥青回收．在低温蒸馏阶段，利用负压，通过回流蛇形冷凝管下端外接口自动向蒸馏烧瓶内补充溶液，增大回收沥青的量，减小试验操作带来的误差．

图1 回收沥青旋转蒸发器

(2)性能测试

按照现行规范JTG E20—2011，对回收沥青进行针入度、延度、软化点、135 ℃布氏黏度等物理指标试验．利用图2所示傅里叶变换红外光谱仪对原样沥青或回收沥青进行化学特性分析，其中红外光谱分辨率为4 cm-1，扫描次数为32次，同一样品重复装样3次扫描．同时，采用图3所示MCR302型动态剪切流变仪(DSR)进行温度扫描试验和MSCR试验，分析原样沥青或回收沥青的流变行为．其中，DSR温度扫描采用应变控制模式，温度扫描范围为52～76 ℃；MSCR试验温度采用64 ℃，在0.1和3.2 kPa两种蠕变应力水平分别进行10个周期的连续测试．

图2 傅里叶变换红外光谱仪

图3 MCR302型动态剪切流变仪

1.3 评价指标

1.3.1 物理性质评价指标 为量化分析旋转蒸发器法回收沥青的最佳高温蒸馏时间，引入偏差系数(计算公式见式(1))，研究回收沥青的各项物理指标与原样沥青指标的偏度．

(1)

1.3.2 流变行为评价指标 沥青中残留三氯乙烯或沥青产生了老化，对其高温性能、温度敏感性和应力敏感性影响较为显著[10-11]．因此，本研究将原样沥青和回收沥青进行DSR温度扫描和MSCR试验，以评价沥青的高温性能、温度敏感性和应力敏感性．

(1)DSR温度扫描试验

通过DSR温度扫描试验能获得复合剪切模量G*和相位角δ等参数随温度演化的曲线，从而评价沥青黏-弹特性．G*是表征沥青抵抗变形能力的指标，G*越大沥青高温抗变形能力越强．δ是表征沥青黏性成分与弹性成分比例的指标，δ越小沥青中弹性成分越多，沥青越接近凝胶体，高温抗变形性能越好．

为进一步分析沥青的温度敏感性，按照经验公式(2)将复合剪切模量对数与温度在双对数坐标下进行线性拟合，得到沥青温度敏感性指标IGTS．

lg lgG*=-IGTS·lgt+C

(2)

式中：G*表示复合剪切模量；t表示扫描温度；C表示回归系数；IGTS表征沥青的温度敏感程度，IGTS越大表明沥青温度敏感性越强．

(2)MSCR试验

MSCR试验是美国SHRP研究的最新成果，可用于测试沥青的高温性能和应力敏感性．将原样沥青和回收沥青进行MSCR试验，得到0.1和3.2 kPa两种应力水平下的不可恢复蠕变柔量Jnr-0.1和Jnr-3.2，并根据式(3)计算应力敏感性指标Jnr-diff．

(3)

1.3.3 化学特性评价指标 红外光谱是一种在有机化学研究中广泛应用的技术，可以用来鉴别未知物的结构组成或定量分析某化学基团的含量[12]．基于此，本研究利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)对回收沥青进行化学特性分析．首先，为定性分析沥青中三氯乙烯的存在，将三氯乙烯进行FTIR扫描；然后，为验证FTIR对沥青中残留三氯乙烯剂量变化检测的敏感性，向KLM90#沥青中分别添加1%、3%、5%(以沥青质量为基数)三氯乙烯搅拌均匀，配制成混合物，使其呈可塑状态，涂覆于检测板上进行FTIR分析，并与KLM90#沥青进行对比．试验结果如图4所示．

图4 原样沥青、混有三氯乙烯的沥青和三氯乙烯的红外光谱图

Fig.4 Infrared spectrogram of original asphalt, asphalt with trichloroethylene and trichloroethylene

由图4可见，三氯乙烯在783、840、931 cm-1处出现了较为明显的特征峰变化，查看《有机化合物基团振动频率表》可知，该3个位置处均为CCl基团特征峰．与KLM90#沥青相比，混有三氯乙烯的沥青在783、840、931 cm-1处也出现了较为明显的特征峰变化，且随着沥青中混有的三氯乙烯含量增加，3个位置处的特征峰变化越明显，表明FTIR对三氯乙烯剂量变化检测具有较好敏感性．因此，本文将783、840、931 cm-1特征峰的存在和强度变化作为回收沥青中三氯乙烯溶剂残留程度的判断依据．

It=SCCl/SC—H

(4)

Ic=SC=O/SC—H

(5)

Is=SS=O/SC—H

(6)

式中：SCCl表示CCl基团特征吸收峰积分面积，其为CCl基团在783、840、931 cm-1处特征吸收峰面积之和；SC=O表示羰基特征峰积分面积；SS=O表示亚砜基特征峰积分面积；SC—H表示亚甲基C—H特征峰积分面积．

2 标准回收方法存在的问题与改进

按照现有规范的标准旋转蒸发器法回收沥青，得到的沥青技术性质如表2所示．文中KLM90#表示原样沥青，S-15 min表示采用标准旋转蒸发器法高温蒸馏15 min回收得到的沥青，M-0.5 h表示采用改进的旋转蒸发器法高温蒸馏0.5 h得到的沥青，以此类推．

表2 原样沥青及回收沥青技术性质

由表2可知，与基质沥青KLM90#相比，采用标准旋转蒸发器法回收得到的沥青针入度较大，软化点较小，延度较大，135 ℃布氏黏度较小，表明该沥青中仍残留部分三氯乙烯．因此，需要对现有规范中的回收方法进行改进．

为了有效去除回收沥青过程中三氯乙烯残留的影响，同时又不造成沥青过度老化，可在试验过程中通过增大真空度(降低负压)、降低高温蒸馏温度、延长蒸馏时间等措施来解决[7]．已有研究表明[5]，沥青胶结料在130 ℃时具有较好流动性而且不易出现老化．因此，本文在现有标准回收方法的基础上做出如下改进：

(1)增大回收过程中的真空度．将规范要求负压6.67 kPa减小为4.6 kPa，以加快回收效率，保证三氯乙烯去除干净．

(2)降低高温蒸馏温度，适当延长蒸馏时间．规范要求高温蒸馏过程中在15 min内上升至(155±2) ℃，并在此状态下保持15 min，然而试验发现该过程不仅不能保证三氯乙烯完全蒸馏干净，而且容易造成回收沥青老化．为有效解决这个问题，将回收的沥青在130 ℃下高温蒸馏，并适当延长高温蒸馏时间．

(3)延长CO2气体通入时间．规范要求在高温蒸馏的最后阶段向烧瓶内以1 000 mL/min的流速通入CO2气体2 min，然而试验发现该过程持续时间太短，对防止回收的沥青老化、置换三氯乙烯气体作用不大．因此，在进入高温蒸馏阶段就开始以1 000 mL/min的流速通入CO2气体至试验结束．

为验证改进的旋转蒸发器法合理性，探讨适宜的高温蒸馏时间，本文将配制好的沥青试验溶液按照改进的旋转蒸发器法，在全过程4.6 kPa负压、130 ℃高温阶段持续通入CO2气体，高温蒸馏时间分别为0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 h进行沥青回收．然后，将回收得到的沥青胶结料进行性能测试与分析，试验方案如图5所示．

图5 试验设计方案

3 试验结果与分析

3.1 物理指标分析

不同高温蒸馏时间下得到的回收沥青相关技术性质和偏差系数分别见表3、4．

由表3、4可知，随着高温蒸馏时间延长，回收沥青技术指标的偏差系数呈现先减小后增大的趋势．这主要是高温蒸馏前期，回收沥青以三氯乙烯挥发为主导，随着高温蒸馏时间延长，回收沥青中三氯乙烯逐渐被蒸馏出来，从而使沥青的针入度、延度减小，软化点、135 ℃布氏黏度增大，因此回收沥青各项指标逐渐接近原样沥青指标；但当高温蒸馏时间过长(时间为3.0 h)时，三氯乙烯被蒸馏除净，回收沥青持续受热而导致轻质组分挥发，沥青结构从溶-凝胶型向凝胶型转变，从而使回收沥青135 ℃布氏黏度增大，同时在10 ℃水浴拉伸过程中延度减小、峰值应力增大，表明回收沥青已经产生老化．当高温蒸馏时间为2.0 h时，回收沥青技术指标的偏差系数最小，其沥青技术性质与原样沥青基本相当，表明高温蒸馏时间合理，回收沥青的技术性质较为接近原样沥青的真实状态．

表3 回收沥青技术性质

表4 回收沥青技术指标的偏差系数

3.2 流变行为分析

3.2.1 DSR温度扫描试验 通过DSR温度扫描试验，得到原样沥青和不同高温蒸馏时间下回收沥青的G*和δ随温度t变化的关系，如图6所示．

由图6可见，与原样沥青相比，采用标准旋转蒸发器法回收得到的沥青G*较小、δ较大，表明回收沥青高温性能较原样沥青差，回收沥青中仍然残留部分三氯乙烯．采用改进的旋转蒸发器法回收沥青，随着高温蒸馏时间延长，G*逐渐增大，δ逐渐变小，表明沥青弹性成分逐渐增多，三氯乙烯逐渐被蒸馏去除，高温性能逐渐增强．当高温蒸馏时间为2.0 h时，回收沥青G*、δ与原样沥青基本相当；而当高温蒸馏时间为3.0 h时，回收沥青较原样沥青弹性增加，G*显著增大、δ明显降低，高温性能增强，表明回收沥青产生了老化．

(a) G*-t

(b) δ-t

图6 原样沥青和回收沥青G*和δ随温度t变化的关系

Fig.6 Variation ofG*andδof original asphalt and recovered asphalt with temperature

同时，按照经验公式(2)将复合剪切模量对数与温度在双对数坐标下进行线性拟合，以分析原样沥青和不同高温蒸馏时间下回收沥青的温度敏感性，结果如表5所示．

由表5可知，复合剪切模量对温度线性方程的相关系数较大(R2>0.99)，将IGTS作为沥青温度敏感性指标是可行的．采用改进的旋转蒸发器法回收沥青，随着高温蒸馏时间延长，沥青IGTS呈现先增大后减小的趋势．产生上述现象的原因主要在于高温蒸馏时间较短，沥青中残留的三氯乙烯使沥青变软，温度扫描过程中G*随温度变化不大，因此回收沥青IGTS较小，小于原样沥青IGTS；随着蒸馏时间延长，三氯乙烯被逐渐蒸馏挥发，G*随温度变化较大，因此回收沥青IGTS逐渐增大，接近原样沥青IGTS；但当蒸馏时间较长时，三氯乙烯被完全蒸馏，沥青逐渐产生老化，IGTS逐渐下降．

表5 原样沥青和回收沥青lg lg G*-lg t线性回归结果

3.2.2 MSCR试验 将原样沥青和回收沥青进行MSCR试验，得到在0.1和3.2 kPa两种应力水平下的不可恢复蠕变柔量Jnr-0.1和Jnr-3.2，并根据式(3)计算应力敏感性指标Jnr-diff，试验结果如图7所示．

(a) Jnr

(b) Jnr-diff

图7 原样沥青和回收沥青MSCR试验结果

Fig.7 MSCR test results of original asphalt and recovered asphalt

不可恢复蠕变柔量Jnr(Jnr-0.1和Jnr-3.2)可以表征沥青的高温性能，Jnr越小沥青高温弹性越好，相应抗变形能力越强[13]．由图7(a)可见，在0.1、3.2 kPa两种蠕变应力水平下，随着高温蒸馏时间延长，回收沥青Jnr均逐渐降低，表明延长高温蒸馏时间可使沥青残留的三氯乙烯逐渐减少，沥青高温性能逐渐得到恢复．

Jnr-diff表征沥青应力敏感性，Jnr-diff越小，沥青应力敏感度越低，稳定性越好．由图7(b)可见，随着高温蒸馏时间延长，沥青Jnr-diff逐渐增加；特别当高温蒸馏时间为3.0 h时，回收沥青Jnr-diff为39.02%，较原样沥青Jnr-diff的23.14%增加68.6%．产生上述现象的原因主要是高温蒸馏时间较短，沥青中残留的三氯乙烯充当溶剂使沥青变柔软，回收沥青Jnr-diff远低于原样沥青Jnr-diff；随着高温蒸馏时间延长，三氯乙烯被逐渐蒸馏挥发，沥青变硬，Jnr-diff逐渐增加，但当蒸馏时间较长时，三氯乙烯被完全蒸馏，持续加热使沥青产生了老化，Jnr-diff显著增加．

3.3 化学特性分析

通过FTIR试验得到原样沥青和不同高温蒸馏时间下回收沥青的红外光谱图(见图8)，然后采用Matlab程序和Origin软件计算得到It、Is、Ic，结果如图9所示．

结合图8和图9(a)可知，与原样沥青相比，采用标准旋转蒸发器法回收的沥青在783、840、931 cm-1处出现了CCl基团特征吸收峰，且It为0.375 8，表明沥青中仍有大量三氯乙烯残留．采用改进的旋转蒸发器法回收沥青，随着高温蒸馏时间延长，沥青It在逐渐减小，表明沥青中三氯乙烯的残留量在逐渐降低；当高温蒸馏时间为2.0、3.0 h时，其CCl基团特征峰已消失，It较小，表明采用改进的旋转蒸发器法高温蒸馏2.0 h 可以消除三氯乙烯对回收沥青的影响．

图8 原样沥青和回收沥青红外光谱图

(a) It

(b) Is、Ic

图9 原样沥青和回收沥青的It、Is和Ic

Fig.9It,IsandIcof original asphalt and recovered asphalt

4 结 论

(2)随着高温蒸馏时间延长，回收沥青中三氯乙烯被逐渐蒸馏干净，G*增大、δ减小，高温性能逐渐增强，但蒸馏时间过长，回收沥青会产生老化，因此回收沥青时高温蒸馏时间不宜过长．

(3)红外光谱783、840、931 cm-1处特征峰的存在和强度变化能有效表征回收沥青中三氯乙烯溶剂残留程度，而采用温度敏感性指标IGTS和应力敏感性指标Jnr-diff能准确判断回收沥青是否产生老化或残留三氯乙烯．

(4)通过对比分析不同高温蒸馏时间下回收沥青的物理指标、流变行为和化学特性的变化，采用旋转蒸发器法回收沥青时，建议真空负压为4.6 kPa，高温蒸馏温度为130 ℃，高温蒸馏时间为2.0 h．