沥青再生剂基础油分评价与再生机理研究

2020-09-27

石油沥青 2020年4期

（1.齐鲁交通材料技术开发有限公司，济南 250101 2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804）

沥青混凝土路面在长期使用后，在热、氧、车载作用下会逐渐发生老化，出现路面裂缝、松散等病害，为了恢复路面性能，保持一定的道路服务水平，就必须对旧沥青路面采取养护维修措施。在旧路改造中，沥青混凝土再生技术能有效利用利用废旧路面材料（RAP），降低生产成本，有利于环保减排，具有明显的经济效益和社会效益，在工程中应用日益广泛[1]。

由于回收得到的RAP 料老化较为普遍严重，进行热再生时往往需添加一定比例沥青再生剂以恢复老化沥青性能[2]。国内外学者对老化沥青再生剂进行了大量的研究与开发工作，经广泛调研，目前市场上大多数再生剂主体部分使用低黏度基础油分进行老化沥青还原，辅以多种添加剂提升再生剂的扩散性和抗老化性，因此，再生剂中基础油分对再生沥青的性能起决定作用[3]。

本文以六种可用于再生剂的基础油为研究对象，对其再生机理与再生效果进行评价，为老化沥青再生剂的设计与开发提供一定的理论参考。

1 试验部分

研究中首先参照实际工程沥青老化情况，进行模拟老化沥青的制备，再从微观角度对再生剂中基础油分的还原机理进行分析，并对基础油分的还原效果进行评价。以下详细介绍了试验材料、制备方法和性能检测方法。

1.1 试验材料

试验原材料包括基质沥青与多种基础油分。

1.1.1 基质沥青

试验中选用70 号基质沥青，其主要技术指标检测结果如表1所示。

1.1.2 基础油分

再生剂中的基础油分应具备较低的黏度和较高的闪点，以保证热再生过程中良好的扩散性和安全性。本研究选用了几种可用于再生剂的基础油分，包括石油系油品： 60N 基础油、150N 基础油、光亮油150BS、芳烃油；塑化剂类油品：葵二酸二辛脂（DOS）、偏苯三酸三辛酯（TOTM），各原材料基本性质如表2所示。

1.2 再生沥青制备方法

将各基础油分按一定比例掺入老化沥青中，使用高速剪切机在 150 ℃下以2 000 r/min 左右速率剪切10 ～15 min，可得到再生沥青。

表2 原材料基本性质

1.3 性能检测方法

三大指标：再生沥青的针入度、延度、软化点均按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中T 0606、T 0605、T 0604 进行测试。

红外光谱：采用Bruker TENSOR 27 红外光谱仪进行试验，将不同的再生沥青试样置于折射台，检测器采集干涉光经样品后的干涉信号，经过处理后即可得到再生沥青的红外光谱图。

2 试验结果与分析

研究中分别进行了老化沥青模拟试验、再生沥青红外光谱试验、再生沥青三大指标试验，具体分析如下。

2.1 老化沥青模拟

沥青老化的过程主要体现在轻质组分的挥发与重质组分的聚集，通常状态下，大多数沥青均处于稳定的溶-凝胶型结构，沥青质吸附部分胶质构成稳定的胶束体系，均匀分散在以饱和分、芳香分为主体的轻质组分中。当沥青发生老化时，沥青中轻质组分开始挥发并发生热氧反应，胶团浓度不断增加，重质组分开始凝聚联结，逐渐转化成凝胶状态，宏观表现为沥青硬化脆化，塑性大幅降低，使用性能变差[4]。沥青老化过程示意图见图1。

图1 沥青老化过程示意图

本次研究中对某自然老化9 a 后废旧沥青混合料进行了抽提、回收，回收沥青三大指标试验结果如表3所示。

表3 回收沥青三大指标试验结果

由表3试验结果可知，沥青混合料经过长期老化后，具体的物理指标表现为针入度降低，软化点增加，延度降低，因此进行热再生时必须添加再生剂，以保证再生沥青混合料性能。

由于回收废旧料旧沥青存在时间漫长、操作复杂、设备不普及等特点，实验室进行老化沥青再生研究时往往选择室内模拟老化的方式。SHRP 研究认为，经PAV 老化20 h 可以模拟路面沥青实际5 ～7 a 的老化[5]，故本文对70 号基质沥青进行PAV 模拟老化，老化时间分别为20 h、25 h、30 h，试验结果见表4。

表4 不同时间PAV 下沥青三大性能指标试验结果

由表4试验结果可以发现，经PAV 老化30 h后沥青的针入度、软化点和延度与实际自然老化9 a 后沥青性能相近，由此可以看出PAV 老化能较好地模拟沥青实际使用过程中的老化。故采取PAV老化30 h的方式制备老化沥青，便于后续试验。

2.2 再生沥青红外光谱试验

沥青的老化主要是由于轻质油分的缺失，国内外学者认为可以通过向老化沥青中补充轻质油分的方式实现沥青再生[6]。红外光谱试验中沥青不同的有机官能团会选择性吸收特定波长的红外光，从而形成其特定的红外光谱，能从微观上分析再生油分掺入后老化沥青其化学结构的变化。研究中按照再生油分掺量3%，分别制备再生沥青试样进行红外光谱试验，试验结果如图2所示。

图2 再生红外光谱试验结果

沥青是一种复杂的混合物体系，再生沥青的特征官能团出现了多处较为明显的特征峰，观察不同油分掺入后再生沥青红外光谱吸收峰位置变化情况，只有在掺入葵二酸二辛酯时，1 740 cm-1处出现了新的吸收峰，此处为饱和脂肪族酯的C=O 吸收谱带，分析是由于塑化剂中C=O 的加入使此处吸收峰增强。除此之外，在掺入再生油分前后沥青样本的红外光谱吸收峰位置基本保持一致，说明在基础油分加入沥青中未发生化学变化，再生沥青性能恢复主要是依靠轻质油分的物理调合。

观察红外光谱的峰值变化，各再生剂油分加入后，1 032 cm-1处峰值出现了不同程度的下降，此处波数代表亚砜基的伸缩振动。沥青中的硫元素主要是由胶质和沥青质提供，在老化过程中由于含硫化合物的氧化，沥青中亚砜基含量会明显升高，掺入再生油分后，该峰出现明显减弱，表明各基础油分的加入实现了沥青老化的逆过程，能起到一定的还原作用。

2.3 再生沥青三大指标试验

本文选取了6 种基础油分，分别加入制得的老化沥青中，并测定其再生沥青的三大指标，基础油分的添加量分别为3%、4%、5%，测试结果如图3～5 所示。

分析图3～5 三大指标试验结果可知，各种基础油分的加入均能一定程度老化沥青性能，其中葵二酸二辛酯（DOS）还原效果最好，偏苯三酸三辛酯（TOTM）、60N 基础油和150N 基础油还原效率较为接近，芳烃油还原效果最差。就石油系产品而言，60N、150N 基础油的还原效率较光亮油BS150 和芳烃油更高，这是由于60N、150N 基础油属于多次精制产品，分子量较小，黏度较低，对老化沥青中重质组分有着更强的溶解能力，还原效果也就更好。

整体看来增塑剂油分还原效率高于石油系油分，分析是因为增塑剂具备极性基团（酯基）与极性比较强的沥青质基团有相互吸引的作用，更容易分布在老化沥青重质组分大分子之间，减少重质组分的聚结效应，由于塑化剂分子量较小，流动性好，能够更高效地降低老化沥青的黏度，因而对其三大指标改善效果更明显。而加入石油系基础油分后虽然一定程度上能起到降黏作用，但由于石油系产品溶解沥青质的能力不足，故难以达到与增塑剂同等的再生效果。