阿布森回收SBS改性沥青的试验研究

2020-06-05邹桂莲秦欢吴欣

中外公路 2020年2期

邹桂莲，秦欢，吴欣

(华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510640)

SBS改性沥青从20世纪80～90年代引进中国，因其可显著改善路用性能，广泛应用于中国高等级公路沥青路面。目前SBS改性沥青路面已经大面积进入一次或多次大修、重建阶段。据统计，中国每年产生的道路废旧沥青量约8 000万t，其中废旧改性沥青混合料的数量约占20%以上，对数量庞大的旧SBS改性沥青混合料进行循环利用，成为道路行业绿色发展的重要组成部分。

正确评价旧沥青混合料中沥青的老化程度是整个再生过程中的关键环节，也是再生混合料设计等后续工作的前提，而准确、客观地评价旧沥青性能以从旧沥青混合料中正确回收沥青为基础。JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中关于阿布森法回收沥青是根据普通沥青而制定的，已有研究表明：采用该方法回收SBS改性沥青存在溶剂残留问题，导致回收沥青各项指标不能真实反映旧沥青性能。该文以阿布森回收方法为试验基础，通过空白沥青标定试验对其试验参数进行优化，并通过试验验证，探讨旧SBS改性沥青能否回收，以及适用于SBS改性沥青的阿布森回收试验方法。

1 原材料

1.1 SBS改性沥青

试验中使用的沥青为中石油公司生产的质量合格的两种改性沥青，关键性能指标如表1所示。

1.2 回收溶剂

相关研究表明：与甲苯、甲苯与乙醇混合溶液、二氯甲烷、溴丙烷等溶剂相比，三氯乙烯与沥青具有更好的溶解性、低毒性，在蒸馏过程中更容易被蒸发，回收沥青速度较快、更彻底，因此研究采用三氯乙烯作为溶剂。

2 试验设备及方案设计

2.1 蒸馏装置

阿布森法回收沥青试验装置中采用平底烧瓶为500 mL，但经过试验发现，其容积较小，一次回收沥青数量较少，在蒸馏过程中，溶液容易发生爆沸，因此试验改用1 000 mL蒸馏烧瓶，受热面更大，一次回收数量更大、安全性更好。其余部件采用规范所规定的设备。

表1 SBS改性沥青指标

2.2 试验方案设计

阿布森回收试验关键环节多，极易引起试验误差，只有固定各个关键环节才能规范试验方法。研究方案设计如下：

(1) 配制回收沥青溶液，控制溶液浓度。回收沥青溶液浓度与数量影响试验操作与结果的稳定性，为避免试验误差，配制1∶6(沥青质量∶三氯乙烯质量)浓度的回收溶液。

(2) 通过空白沥青标定，确定试验操作的关键参数。采用已知性能指标的改性沥青作为空白沥青，通过试验标定，确定蒸馏温度、CO2通气量、持续加热时间等关键参数。

(3) 试验验证。

3 溶剂回收的机理与试验控制的关键参数

3.1 溶剂回收的机理

不论是阿布森法还是旋转蒸发器回收沥青的试验方法，都是利用有机溶剂将旧沥青从集料上溶解下来，形成溶液，然后再用蒸馏装置，将有机溶剂从溶剂中蒸发出去，冷凝成有机溶液，而将旧沥青留存下来。试验的目标是将有机溶剂彻底、快速地蒸馏出去，同时不改变旧沥青的性质。

回收过程可用动力学流动效应及界面力学分析。蒸馏温度一般为155～165 ℃，远高于三氯乙烯沸点86.7 ℃，此时，在不可压缩的混合溶液中，三氯乙烯分子穿过溶液时，运动所需要的力F和速度v、摩擦系数μf的关系如式(1)所示。

(1)

摩擦系数可由斯托克方程计算：

μf=6πRη

(2)

式中：R为混合溶液表面张力；η为液体黏度。

分子的扩散系数D0可由爱因斯坦方程计算：

(3)

式中：k为常数；T为热力学温度(K)。

结合以上两式可得到液体介质中粒子的扩散方程：

(4)

由式(4)可知：分子的扩散与溶液的黏度成反比，溶液浓度越大，黏度越高，因此为规范回收过程，沥青与三氯乙烯的回收溶液浓度应该相对固定。众所周知，改性沥青的黏度高于普通沥青黏度，因此三氯乙烯分子在改性沥青溶液中运动更困难，回收难度更大。

另外，当三氯乙烯运动到溶液表面，最终脱离溶液蒸发出去，需要突破表面张力，在理想体系中，两相溶液的表面张力可用式(5)表示：

σmix=σ1X+σ2(1-X)

(5)

式中：σmix为混合溶液表面张力；σ1、σ2为相应组分的表面张力；X为混合物中组分1的摩尔分量。

表面张力是动态变化的，随着蒸馏过程延续，沥青组分逐渐增加，表面张力逐渐提高，三氯乙烯越来越难以蒸馏出去。改性沥青的表面张力高于普通沥青的表面张力，因此也导致改性沥青的回收溶液回收难度大。

3.2 试验控制的关键参数

由机理分析可知：为了快速、彻底地从改性沥青回收溶液中蒸馏出三氯乙烯，试验控制的关键参数与可采取的措施如下：

(1) 控制溶液浓度与回收数量。溶液浓度越大，黏度越高，分子的扩散速度越慢，为规范回收过程，控制沥青与三氯乙烯的回收溶度浓度为1∶6，且每次回收出来的SBS改性沥青数量为100～120 g，以此为基础，试验过程的其他参数才能固定下来。

(2) 蒸馏温度。式(4)表明：分子的扩散与温度成正比，温度越高，扩散速度越快。有关表面张力的相关文献也表明：温度升高，表面张力下降，表面迁移性增大。但蒸馏温度不宜过高，否则SBS改性剂将发生裂解，回收的沥青将无法真实反映SBS改性沥青的特性。综合考虑，阿布森法的恒温油浴初始设定温度由规范中推荐的155～165 ℃(适用于普通沥青)提高至170～175 ℃，此时实测溶液内部温度稳定在165～170 ℃之间。

(3) CO2通气量。试验过程中通入的CO2气体可以使溶液持续翻腾，有助于三氯乙烯分子的扩散与表面迁移，防止蒸发出去的三氯乙烯倒流回烧瓶，另外也有助于阻止改性沥青的氧老化。

与普通沥青相比，SBS改性沥青是一个更复杂的体系，分散相SBS改性剂与连续相沥青形成了共混复相结构体系，SBS改性沥青含有大量大分子组分，具有更高的内聚强度与黏度，内部分子的扩散以及表面迁移更难。随着蒸馏过程的持续，溶液浓度逐渐增高，溶液黏度与表面张力增大，普通沥青回收试验的通气量[(1 400±50) mL/min]不能维持溶液充分翻腾的状态，不利于彻底地回收三氯乙烯。因此，适度提高CO2通气量，保持溶液的翻腾状态，促使溶剂的彻底回收，加速回收过程，避免沥青老化。

(4) 延时加热时间。延时加热时间指的是溶剂停止下滴后维持加热并持续通入CO2气体的时间。大量文献试验显示，即使是少量的三氯乙烯也会对沥青的各项指标产生较大的影响。当残留有0.5%的溶剂，回收沥青的黏度就会降低50%。

4 空白改性沥青标定与关键参数确定

采用已知性能指标的沥青作为空白沥青，配制1∶6浓度的回收溶液，改变回收试验的关键控制参数，检测回收沥青的关键性能指标，以快速、彻底回收溶剂，最大程度维持改性沥青关键指标为标准，确定控制参数。

4.1 按现行试验规程回收空白改性沥青

按照现行的阿布森法试验规程中的控制参数回收SBS改性沥青，采用SBS改性沥青1#原样样品作为空白沥青，试验控制参数与试验结果如表2所示。回收试验结果表明:回收沥青针入度过大，软化点过小，延度增大，黏度下降、弹性恢复略有增大，说明按照现行的阿布森法试验规程中的控制参数回收SBS改性沥青溶剂残留较多，控制参数需要优化。

4.2 关键控制参数优化

按照前文所述，改变关键控制参数，优化改性沥青回收过程。首先将改性沥青回收的恒温油浴设定温度提高至170～175 ℃；其次，改变CO2通气量、延长延迟加热时间，试验结果如表3、4所示。

表2 按现行规程回收空白改性沥青的试验结果

注：回收试验控制参数为：油浴温度：160 ℃；通气量：1 400 mL/min；延迟加热时间：5 min。

表3 CO2通气量对回收改性沥青性能的影响

注：1 400/1 600(mL/min)表示起始通气量设置为[(1 400±50) mL/min]，当三氯乙烯蒸发量减少且稳定地以滴状蒸馏时，将气流量设置为[(1 600±50) mL/min]，以此类推。

由表3可知：当CO2气流量为1 400 mL/min，三氯乙烯基本停止下滴时，调大通气流量，三氯乙烯继续蒸馏出来。从表3试验结果可以看出：通气流量越大，三氯乙烯蒸馏越彻底，延时加热40 min，CO2气流量调至1 600 mL/min所得回收沥青与空白沥青相比针入度、延度偏大，软化点偏小，表明溶剂仍有少量残留；CO2气流量调至1 700 mL/min组回收沥青与空白沥青指标基本一致，而第3组通气条件下，回收沥青有轻微老化现象，且通气流量过大，操作控制难度增大。综合确定，CO2气流量1 400 mL/min条件下，三氯乙烯基本停止下滴时(过早调大至1 700 mL/min易引起爆沸)，调大通气流量至1 700 mL/min，继续蒸馏至三氯乙烯停止下滴后，持续按1 700 mL/min吹入CO2，进入延时加热阶段。

由表4可知：延时加热时间越长，溶剂回收越彻底，延时加热时间过长，沥青呈现老化。延时加热40 min时，回收沥青与空白沥青性能基本一致，而只要减少延时加热15 min，针入度、软化点、延度的试验结果就出现显著偏差。而增加延时加热20 min，虽然呈现老化，针入度偏小、软化点增大，但相比延时加热偏短，溶剂略有残留相比，三大指标变化偏小，但弹性恢复下降较快。

表4 延迟加热时间对回收改性沥青性能的影响

4.3 试验验证

试验采用优化后的试验条件参数(通气量1 400/1 700 mL/min，延时加热40 min)进行试验验证，验证采用RTFOT后的SBS改性沥青1#、SBS改性沥青2#分别作为空白沥青1#与空白沥青2#，验证结果如表5所示。回收的SBS改性沥青的三大指标与特征性流变指标弹性恢复与黏度均与空白沥青基本一致，一方面说明SBS改性沥青可以采用阿布森方法回收；另一方面说明优化后的条件参数是合适的。