基于化学分析的沥青再生剂回复效率研究

薛蓓蕾

(陕西铁路工程职业技术学院 管理工程系，陕西 渭南市 714000)*



基于化学分析的沥青再生剂回复效率研究

薛蓓蕾

(陕西铁路工程职业技术学院 管理工程系，陕西 渭南市 714000)*

为探讨再生剂添加后对老化沥青是否确实进行回复作用，以化性分析为主、流变分析为辅的方式，对再生剂及软化剂进行相关试验，各项试验结果都显示添加再生剂的试验组结果优于添加软化剂.以官能基面积建立一回复效益指数，由试验结果可知，当再生沥青混凝土数值小于3.0时可判定其添加的再生剂几乎不具有回复能力，或数值大于8.0则显示此再生剂有一定的回复能力，其再生沥青混凝土路面也具有较好耐久性，另外在成分指数方面，则建议数值须大于2.3，确保再生剂确实补充旧料散失的成分.

再生沥青混凝土；再生剂；化性分析；FTIR；TLC-FID；流变

0 前言

如今再生沥青混凝土(RAC)使用于道路养护及新建已成为路面工程界流行的趋势，不仅节省成本，更符合环境保护、天然资源维护及废弃物再利用的政策，并能解决建筑材料短缺严重及回收沥青混凝土占用空间堆置的问题[1].再生沥青混凝土路面经反复的刨除再利用，材料会转为粘度较高的老化沥青，其相对也转换为较硬脆的材料.省县市道常会因为各种管线单位的需要，过于频繁的挖掘、养护与回填，造成刨除料性质的不均性；以市区道路为例，道路涵盖面积的比例占全国道路将近50%，道路养护周期较短，更使得刨除料再生再利用的影响因子变异更剧烈[2].因此对于再生沥青混凝土的耐久性、适用性都是目前学界所关注的地方.

再生添加剂又可分为软化剂与再生剂，软化剂包含软质沥青、润滑油、油煤浆还有乳化剂，均属一种较软质流动性高的一种沥青[3].改变沥青特性的材料有软化剂、再生剂、复原剂、熔化剂、扩散剂、改性剂等.根据美国材料试验协会(ASTM D4552)对改性剂的定义为“一种加入沥青后可以改变其物理、化学性质的胶结剂”.综合以上定义沥青材料再生剂范围包括较软等级的沥青或其他特殊产品具有再生剂或改性剂效果的材料[4].再生剂有别于一般软化剂，使用化学方式回复老化沥青性能，而非稀释、中和以降低粘度而已，从化学角度来说，沥青老化最主要是因为受热、与空气接触而产生氧化作用，继而发生后续分子聚合及分离等作用.因此，添加再生剂可视为一还原作用，而还原反应的定义为减少一个有机分子的含氧量或增加含氢量[5].

1 研究方法

本文刨除料(旧料)添加量以目前路面常用的上限[6]作为添加比例，搭配不同来源、不同等级的再生剂以及软化剂(重油)，以化性分析为主分析老化沥青还原前后的成分变化及官能基变化，并以流变行为分析为辅，取代一般沥青混凝土性能试验的结果.再生沥青混凝土配比设计中再生剂的添加量以粘度确定，本研究使用AI-MS II热拌再生沥青混凝土配比设计计算，模拟一般再生沥青混凝土添加刨除料、基质沥青、再生剂三种原料时的比例，试验组共有六组，每一组试验配置都添加三种材料，为刨除料+基质沥青+再生剂(或软化剂)，以及一组对照组，为无添加刨除料及任何添加剂的新沥青AC-20组(根据参考文献[2]对沥青采用粘度分级，以下同).各材料选择说明如下：刨除料添加量为40%； 基质沥青为AC- 20；再生剂：国内常用的再生剂RA- 5、RA- 25；国外再生剂RA- 1；软化剂：①沥青厂常见的大型机具用燃料油；②机油；③AC- 10.

利用薄层液相层析法-火焰游离检示器(TLC-FID)测定各种混和沥青的化学成分.参考Poulikakos, L.D.等人[7]研究中所使用的老化指数计算公式(式(1)、(2))，在此公式中，以还原官能基面积为分母，氧化(老化)官能基为分子，老化指数则与老化程度成正比.

由于刨除料变异性大，若要判断再生剂添加后是否能还原刨除料性质，本研究认为应将刨除料因子加入指数中，因此利用文献的老化指数公式，将原RAP与RAP添加再生剂或软化剂后的老化指数比值，定义为回复效益指数.

回复效益指数与再生剂还原RAP的能力成正比关系，并且可根据不同老化官能基区分为Is、Ic两种回复效益指数(式(3)、(4)).

回复效益指数I=原老化沥青指数/添加再生剂的老化沥青指数

2 试验结果与分析

设定目标粘度为3000Poises，将各组材料拌合后，测定其粘度，由于拌合及铺筑过程中，再生剂将处于高温环境，故再生剂需具备一定程度的耐热性，本研究以RTFOT试验模拟此过程老化情形，并以粘度及质量损失率分析各种材料的耐热性质.

2.1 粘度试验

使用Brookfield粘度仪，测量各组沥青于60℃时的粘度，RTFOT老化前后的粘度结果如图1.经RTFOT老化后粘度都增加约两倍以上，从粘度比可看出添加燃料油及机油试验组的老化程度最高，显示其老化程度最为严重，尤其添加机油后其粘度位居所有试验组之首，可能两者都含有较多挥发性成分所导致.

图1 RTFOT试验前后粘度变化

2.2 质量损失率

将混和沥青进行RTFOT试验前后的质量差异计算质量损失率，试验结果如表1.

表1 混和胶结料质量损失率

从表1中得出燃料油与重油的质量损失率非常高，即使将此两种材料与基质沥青及RAP拌合，使其稀释中和作用改变成分后，虽然损失率较低，但仍然有许多轻质成分会在高温中挥发散失，相较之下，再生剂与AC- 10组别损失率较小，也表示其混和胶结料状态较为稳定、耐热性较好.

2.3 成分分析

再生沥青混凝土原理为：将已降级的粒料级配加入新粒料使其恢复原来级配，并加入再生剂与新沥青，使已老化的沥青恢复至设计等级.一般在调整老化沥青上，仍是以目标粘度控制再生剂添加量，然而，近年来不断强调再生剂是以化学回复方式还原老化沥青，而非稀释中和的物理性回复方式，在粘度上满足需求时，化学成分是否也能恢复又是另一问题.利用TLC-FID测定各种混和沥青的化学成分，并依试验结果计算成分指数及各试验组老化后成分指数成长比率，如图2及表2.

软化剂组别中，AC- 10原成分与AC- 20本就较为相近，因此混合后的胶结料成分组成也与新沥青对照组较类似，但由于AC- 10无法还原老化沥青性质，因此沥青质含量与再生剂组别相比，大约高出两倍以上.而机油原成分中饱和分占有八成以上，因此拌合成混合胶结料后，饱和分仍占多数，但仍然无法有效降低沥青质含量.

(a)RTFOT试验前

(b)RTFOT试验后

添加种类成分指数成长率/%添加种类成分指数成长率/%AC-208.5软化剂再生剂燃料油175.9RA-189.1机油170.5RA-5116.6AC-1039.4RA-2515.9

成分指数数值越大，可表示其材料中大分子成分越多、力学强度越高、粘度也越高，而成分指数成长率越大，则可表示其材料大分子形成及聚合的速度越快、老化程度越高.本试验结果可知，燃料油及机油成分指数成长率极高，且经RTFOT试验后，机油试验组中沥青质含量已高达46.66%，较原本RAP中的45.70%还来的高，显示机油的添加无法达到任何作用，生产过程中若添加机油，路面劣化速度极快，在完成铺筑后路面的状况将较原RAP来的差.并针对成分指标与粘度的相关系数约为0.839显示有高度正相关性.

2.4 官能基变化分析

由表3、表4得知再生剂的Is指数介于1.59～1.98，软化剂Is指数介于0.98～1.03，两者差距不大，但以Ic指数来看，再生剂数值在7.43以上，软化剂则在2.48以下，其变异性较大，显示添加再生剂后羰基官能基所造成的影响较为显著，以Ic作为回复效益指数也较好判别.由Ic数据也应证软化剂为稀释作用，与RAP并无显著化学反应.

表3 老化指数计算结果

表4 不同官能基的回复效益指数计算结果

各试验组经短期老化后，老化指数及回复效益指数计算结果如下表5.在再生剂组别当中，于其他试验中表现较佳的组别RA- 1及RA- 25，以及AC- 20对照组的Ic=o老化指数都在0.1以下，反观软化剂组别，Ic=o非常接近RAP老化指数，显示其经短期老化后老化情形非常严重，此结果也与成分分析结果相同.

表5 经RTFOT后老化指数与回复效益指数

本研究期望以成分指数及回复效益指数来建立评估再生剂回复效益的方法，在试验结果中已知，Ic指数变异性较Is大，从图3中也能明显看出，若要分别再生剂与软化剂的指数，Ic较为容易判别，因此研究选定Ic指数作为回复效益指数.在各试验都已证明添加再生剂后的混合胶结料，都比添加软化剂的试验组表现良好，因此可大胆推测，回复效益指数小于3.0、成分指数大于2.3时，所添加的为软化剂而非再生剂.若要进一步判断再生剂质量的好坏，在本研究中，又以RA- 25及RA- 1的试验结果较RA- 5表现来的好，因此本研究认为，回复效益指数须大于8.0，成分指数则因受原来添加剂的成分影响，建议老化前数值为1.0～2.0，老化后则需小于2.3.若欲于现场对再生沥青混凝土取样做检验，则以本研究中经过RTFOT试验的回复效益指数及老化指数来做为判断，但若有无法取得原使用的刨除料做分析时，则以老化指数作为判断.本研究中各建议值整理如下表6.

表6 评估回复效益建议值

图3 回复效益指数

根据以上分析方式，初步建议再生剂产品中，芳香分应占有25%以上，表示其有基本还原能力，若要提升材料工程性质，则建议芳香分应占35%以上，确保其有足够的能力分散、溶解树脂及沥青质等，造成老化胶结料硬脆与粘度提高的高分子成分.

3 结论

(1)如今再生剂多以化学方式回复老化沥青性质，而不单是稀释沥青以降低粘度而已，因此应配合化性试验作为检验方式；

(2)经本研究试验结果，推测在回复效益指数小于3且成分指数大于2.3时，添加的物品属于软化剂而非再生剂；

(3)经本研究各项试验结果，初步判定在回复效益指数大于8.0时，所使用的再生剂具有一定回复效果及质量，成分指数则因受原来添加剂的成分影响，建议老化前数值为1.0～2.0，老化后则需小于2.3；

(4)若欲在现场对再生沥青混凝土取样做检验，则参考经短期老化后的试验结果，建议回复效益指数应大于7.0，成分指数须小于2.3.无法取得原使用的刨除料做官能基分析时，则建议老化指数Ic=o应小于0.1.

[1]DEDENE C D,YOU Z.The Performance of Aged Asphalt Materials Rejuvenated with Waste Engine Oil[J].International journal of pavement research and technology,2014,42(7):145- 152.

[2]GRILLI A,BOCCI M,CARDONE F,et al.Laboratory and inplant validation of hot mix recycling using a rejuvenator[J].International Journal of Pavement Research and Technology,2013,41(4):364- 371.

[3]李进.沥青再生剂扩散行为及其影响因素研究[D].北京：中国石油大学，2010.

[4]GUERN M L,CHAILLEUX E,FARCAS F.Physicochemical analysIs of five hard bitumens:identifIcation of chemical species and molecular organization before and after artificial aging[J].Fuel,2010,89(11):3330- 3339.

[5]POULIKAKOS L D,DOS SANTOS S M.Influence of short and long term aging on chemical,microstructural and macromechanical properties of recycled asphalt mixtures[J].Construction and Building Materials,2014,51(4):414- 423.

[6]况栋梁.渗透型再生剂的制备及其对再生沥青及混合料性能的影响[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[7]蔡诚秀.再生剂选择及再生沥青性能分析[D].长沙：长沙理工大学，2013.

Reply Efficiency based on Chemical Analysis of Asphalt Recycling Agent

XUE Beilei

(Department of Management Engineering,Shanxi Railway Engineering Vocational and Technical College,Weinan 714000,China)

To investigate whether indeed aging asphalt rejuvenating agent adding post replies role in resistance-based analysis, rheological analysis is supplemented by regeneration agents and softeners related test, and the test results are displayed, and recycling agent test results are better than the group to add softener. Functional groups area is established to obfain a reply benefit index, and the test results show, when recycled asphalt concrete values of less than 3.0 can adding the regenerated catalyst can barely recovering ability, and the regenerated catalyst has some ability to reply with a value greater than 8.0, the recycled asphalt concrete pavement also has good durability, while the component index, value must be greater than 2.3 to ensure that regeneration agent can supplement the ingredients loss of old material.

recycled asphalt concrete; recycling agent; resistance analysis; FTIR; TLC-FID; rheology

1673- 9590(2017)01- 0090- 04

2016- 04- 19

薛蓓蕾(1989-),女，讲师,硕士，主要从事土木工程的研究

E-mail:huangxiaoyong@126.com.

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