沥青胶结料回收与再生方法研究

2021-07-09严友建高巍刘合锋

内蒙古公路与运输 2021年3期

严友建，高巍，刘合锋

（1.中铁交通投资集团有限公司，广西南宁 530200；2.长安大学，陕西西安 710000）

1 引言

随着我国经济和社会的快速发展，公路建设事业也处于快速发展的黄金期。到2019 年年末，全国已建成的公路总里程达501.25 万km，其中有14.96 万km 是高速公路[1]，稳居世界第一，我国正在加快由交通大国迈向交通强国的步伐[2]。但是与欧美等发达国家相比，我国公路建设事业开始时间较晚，为了满足经济发展的需要，公路建设已经远远超过相应技术发展完善的进程，再加上我国公路面临的环境复杂、气候多变、交通量大和超载严重等问题，导致大部分沥青路面在运营后未达到设计使用年限时，甚至短短两三年内就会出现车辙、坑槽、裂缝等各种病害[3.4]，需要进行维修与养护。据统计，2019年我国公路养护里程495.31万km，占公路总里程98.8%。

据不完全统计，沥青路面在我国已建成的高等级公路中占比超过90%[5]，且每年需要维修养护的沥青路面超过了12%[6]，由此估计，若采用传统的铣刨重铺维修养护方式，我国每年可产出1.8 亿t 以上沥青路面回收铣刨料（Reclaimed Asphalt Pavement，RAP）[7]。若将这些旧料废弃，则会浪费资源，污染环境，与节约资源和保护环境的基本国策及绿色发展理念相悖；而采用沥青路面再生技术不仅会实现旧料的再生利用，缓和资源矛盾，而且其适用范围广，经济效益、环保效应及社会效益显著[8]。而且我国高等级沥青路面大多采用优质的沥青和石料，因此旧沥青路面回收铣刨料的再生利用价值显著[9]。因此对废旧沥青路面材料进行再生利用，己经成为我国高等级公路养护的必然趋势。

沥青胶结料的回收与再生是沥青路面再生技术的基础与前提，因此本文系统研究了废旧沥青混合料中沥青胶结料的回收与再生方法，旨在为深入研究与推广沥青路面再生技术提供支撑。

2 沥青胶结料回收与再生方法

2.1 沥青胶结料回收方法

从废旧沥青混合料中回收沥青胶结料的原理在于选择合适的溶剂使沥青溶解，得到含有沥青的溶液，再将沥青胶结料从溶液中提取出来。其中需要解决的主要难点，一是溶剂的选择；二是溶剂与沥青的分离技术。此外溶剂在溶解沥青混合料中沥青的同时不可避免地会混入少量矿粉，混入的矿粉对再生沥青的性质会造成不利影响，因此必须去除溶液中的矿粉[10.11]。

对于回收沥青胶结料的溶剂，国内外有着不同的规定。ASTM D 2172规定采用三氯乙烯、三氯甲烷或者笨等有机溶剂；日本基于对溶剂的毒性、不可燃性与沸点等的考量，规定采用三氯乙烯作为回收沥青胶结料的溶剂；我国规范规定采用高纯度的工业用三氯乙烯作为回收沥青胶结料的溶剂。

目前去除沥青中混入矿粉常用的方法有静置沉淀法和高速离心分离法。静置沉淀法利用重力作用来去除矿粉颗粒，一般需沉降24 h才可使矿粉含量低于1%，效率较低[12]，且对于矿粉颗粒与沥青溶液可能形成的稳定胶体物质，其分离效果有待进一步验证[13]；而采用离心分离法时间较短，因此我国规范推荐采用高速离心分离法来去除沥青中混入的矿粉。

对于去除沥青中三氯乙烯溶剂，我国现行规范提供了两种方法，分别是阿布森法与旋转蒸发器法[14]。两者都是利用高速离心分离法去除矿粉得到含有沥青与三氯乙烯的抽提液，然后采用蒸馏法使三氯乙烯挥发，从而回收得到沥青胶结料；两者的主要区别在于试验装置不同。相比较而言，旋转蒸发器法操作相对简单、试验精度高，且对回收沥青性质影响较小，在国内外被广泛使用。

2.2 沥青胶结料再生机理与再生方法

沥青老化伴随着沥青路面从修建到使用的整个过程，包括拌和、运输、贮存、摊铺、碾压等阶段的短期老化，和沥青路面修建完毕后整个服役阶段的长期老化[15]。沥青短期老化主要是热老化，受温度控制，严格控制施工温度可以降低沥青老化程度；长期老化则与自然环境中的光、热、水、氧等因素及行车荷载等有关。

随着老化程度的提高，沥青逐渐变硬，黏度逐渐增大，与集料的粘附性逐渐降低，从而导致沥青路面路用性能降低。有关研究指出[16]，尽管沥青的质量只占沥青混合料总质量的3%～15%，但却影响着沥青混合料70%以上的性能。由此可见，沥青的老化严重影响着沥青路面的性能，因此必须深入研究老化沥青的再生机理与再生方法。

目前对于沥青老化机理的分析，存在两种主流理论，即组分迁移理论与相容性理论。前者认为，只有当构成沥青的各组分满足一定的数量关系时，沥青才能表现出良好的性质，而沥青的老化破坏了这一关系从而导致沥青的性质降低。后者将沥青假想为高分子浓溶液，即沥青质为溶质分散在包括胶质与油分等在内的软质沥青构成的溶剂中，只有当两者的溶解度参数之差小于某一定值时，沥青各组分才能处于稳定相容状态。

基于组分迁移理论，学者提出向老化沥青中添加低粘度的油料或其他软质沥青材料，以补充失去的油分，对老化沥青的组分进行调配，使再生沥青中各组分比例重新达到平衡，从而恢复其使用性质[17]。基于相容性理论，可以认为老化沥青的再生过程就是使沥青中沥青质与软质沥青的溶解度参数之差减小的过程，当差值小于限值时，两者重新恢复到相混相容的稳定状态。

常用的沥青再生剂一般是机油、润滑油、抽出油和玉米油等低黏度的轻质油料。这些沥青再生剂的相同之处在于，它们都含有较高比例的芳香分。一方面，这是由于芳香分油料的分子量小，而分子量越小对大分子间的润滑作用越显著，低分子量的芳香分可以大大提高沥青质间的相对运动。另一方面，芳香分具有良好的溶解性，能够溶胀沥青质，从而促使其相对运动。

3 试验方案

3.1 试验原材料

本文选择的沥青为克拉玛依90#沥青，其技术指标见表1；所用的溶剂为纯度大于99%的工业用三氯乙烯，技术特性见表2；所选用的矿粉为石灰岩矿粉，其技术性质见表3。

表1 克拉玛依90#沥青技术指标

表2 三氯乙烯技术性质

表3 矿粉主要技术指标

本文试验所采用的旧沥青混合料为服役3 年的旧沥青路面铣刨得到的沥青混合料（沥青为克拉玛依90#基质沥青，集料级配类型为AC-13），铣刨料回收后曾露天储存1年。采用三氯乙烯作为溶剂，将加热松散的沥青混合料溶解后，采用高速离心分离法得到含有沥青胶结料的抽提液，再采用旋转蒸发器法回收得到沥青胶结料，通过试验测定回收沥青的技术性质见表4。所选用的再生剂技术指标见表5。

表4 回收沥青的技术性质

表5 再生剂的技术指标

3.2 试验方案设计

沥青胶结料在抽提与回收过程中，不可避免地会残留少量矿粉与三氯乙烯，为分析矿粉与三氯乙烯残留量对沥青性质的影响，本文分别在已知技术性质的沥青中掺入不同比例的矿粉（0、1%、3%、5%）与三氯乙烯（0、0.5%、1%、2%、4%）并充分搅拌均匀，然后通过试验测定，比较回收沥青的25℃针入度、软化点、10℃延度、135℃布氏黏度的变化。

为了分析阿布森法与旋转蒸发器法对回收沥青性质的影响，本文将已知技术性质的基质沥青溶于三氯乙烯中，然后分别通过阿布森法与旋蒸蒸发器法回收沥青胶结料，最后通过试验测定并比较回收沥青的25℃针入度、软化点、10℃延度、135℃布氏黏度的变化。

为了确定合理的再生剂掺量，分析再生剂掺量对老化沥青技术性质的影响，本文向回收得到的老化沥青中掺入不同剂量的再生剂（0、1%、3%、5%、7%），然后通过室内试验测定再生沥青的针入度、软化点、延度、135℃布氏黏度、76℃车辙因子等指标。

4 试验结果分析

4.1 矿粉残留量对沥青技术性质的影响

分别通过针入度试验、软化点试验、延度试验、布氏黏度试验测定矿粉残留量对回收沥青性质的影响，试验结果见表6。

表6 矿粉对沥青胶结料性能影响试验结果

由表6 可知，随矿粉残留量的增大，沥青的25℃针入度减小，软化点增大，10℃延度降低，135℃黏度增大，这说明残留矿粉导致沥青变黏变硬，对沥青的性质造成了不利影响。因此，沥青胶结料回收过程中应该选用合适的方法去除溶液中残留的矿粉，以减小对其试验结果产生影响。

4.2 三氯乙烯残留量对沥青技术性质的影响

分别通过针入度试验、软化点试验、延度试验、布氏黏度试验测定三氯乙烯残留量对回收沥青性质的影响，试验结果见表7。

由表7 可知，随着三氯乙烯残留量的增大，沥青的25℃针入度增大，软化点降低，10℃延度增大，135℃黏度降低。为准确评价回收沥青胶结料的性质，正确进行沥青再生，应选用合适的方法去除三氯乙烯，严格控制其残留量。

表7 三氯乙烯对沥青胶结料性能影响试验结果

4.3 回收方法对沥青技术性质的影响

分别通过针入度试验、软化点试验、延度试验、布氏黏度试验，测定不同回收方法对回收沥青性质的影响，试验结果如见8。

由表8 可知，与基质沥青相比，两种沥青胶结料回收方法均导致沥青的25℃针入度降低，软化点增大，10℃延度降低，135℃黏度增大，相比较而言，旋转蒸发器法的变化程度更小，这说明两种方法在回收沥青胶结料时均导致了沥青的老化，且阿布森法回收得到的沥青胶结料老化更明显，操作旋转蒸发器法试验精度更高。此外，阿布森法的仪器较为复杂，因此目前旋转蒸发器法应用范围更广。

表8 回收方法对沥青技术性质的影响

4.4 再生剂掺量对老化沥青技术性质的影响

分别通过针入度试验、软化点试验、延度试验、布氏黏度试验及DSR 高温温度扫描试验测定再生剂掺量对老化沥青性质的影响，试验结果见表9。

表9 再生剂掺量对老化沥青技术性质的影响

由表9 可知，随着再生剂掺量的提高，再生沥青的25℃针入度显著增大，软化点降低，10℃延度增大，135℃黏度降低，76℃车辙因子降低，这说明再生剂的加入对老化沥青的软化作用显著，能使变硬变黏的老化沥青重新恢复其认用性。进一步分析表9可知，当再生剂掺量达到5%时，再生沥青的25℃针入度与黏度可以恢复到原基质沥青的水平，但此时再生沥青的10℃延度远低于原基质沥青，这说明适量的再生剂能软化老化沥青，降低其黏度，但是难以恢复其低温抗裂性能。一般来说，软化点与76℃车辙因子能表征沥青胶结料的高温抗车辙性能，再生沥青的软化点与76℃车辙因子的降低，表明再生剂的使用导致了再生沥青高温性能的降低。

试验结果表明，再生剂在降低老化沥青黏度、恢复其施工性能的同时，也影响了再生沥青的高温抗车辙性能。Shen等[18]的研究结果表明，使用再生剂会增大沥青路面出现车辙病害的概率。我国已有的大量工程经验也表明，再生沥青路面的高温抗车辙能力会随再生剂掺量的提高而降低。因此，工程实践中应严格控制再生剂的剂量。