高滲透型再生劑的制備及其對(duì)老化瀝青的性能影響研究

摘要：基于溶解滲透和組分調(diào)節(jié)理論，以芳烴類油分和滲透劑作為組分調(diào)節(jié)劑制備滲透型再生劑。通過(guò)研究芳烴類油分和滲透劑對(duì)再生劑物理性能和滲透性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)：芳烴類油的加入使再生劑中的輕質(zhì)組分增多，黏度降低；滲透劑的加入能夠顯著增強(qiáng)再生劑在老化瀝青中的滲透能力。相比較未改性的再生劑，滲透型再生劑能夠明顯提高老化瀝青的針入度和延度，降低軟化點(diǎn)和黏度，使得老化瀝青的物理性能在一定程度上得到恢復(fù)，而且還可以彌補(bǔ)老化導(dǎo)致瀝青的輕質(zhì)組分的減少和瀝青質(zhì)的增加，使老化瀝青膠體結(jié)構(gòu)由凝膠型向凝膠-溶膠型轉(zhuǎn)變，恢復(fù)老化瀝青的使用性能。關(guān)鍵詞：再生劑；滲透性能；老化瀝青；物理性能；化學(xué)組分0引言近幾十年來(lái)，瀝青路面以其優(yōu)異的使用性能而被廣泛地應(yīng)用在公路建設(shè)中，目前我國(guó)80%以上的高等級(jí)和一級(jí)公路采用的是瀝青路面。但是瀝青路面在服役過(guò)程中受到外界環(huán)境的影響，容易發(fā)生老化。我國(guó)每年因?yàn)r青材料老化需要投入大量的人力和物力對(duì)瀝青路面進(jìn)行維護(hù)，因此，對(duì)老化的瀝青混合料進(jìn)行再生重復(fù)使用具有十分重要的意義。瀝青混合料再生技術(shù)目前主要可分為：廠拌冷再生、廠拌熱再生、就地冷再生、就地?zé)嵩偕人念?。這幾類再生技術(shù)主要是對(duì)廢舊瀝青混合料進(jìn)行破碎，篩分、摻入新集料以及再生劑后進(jìn)行再生，在保證再生瀝青混合料的綜合性能滿足規(guī)范要求后，重新進(jìn)行瀝青路面攤鋪。在廢舊瀝青混合料再生過(guò)程中，再生劑的滲透性能對(duì)再生廢舊瀝青混合料的性能恢復(fù)具有重要作用。這是因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，再生劑和瀝青混合料混合時(shí)間（60~90s）較短，舊的瀝青硬度和黏度較大，而現(xiàn)有常見(jiàn)的再生劑滲透性能較差，在較短的混合時(shí)間內(nèi)，無(wú)法保證再生劑能夠充分滲透進(jìn)瀝青混合料中，從而導(dǎo)致再生劑對(duì)舊瀝青再生效果大大減弱。因此，提高再生劑的滲透能力對(duì)廢舊瀝青的再生尤為重要。針對(duì)上述情況，基于溶解滲透和組分調(diào)節(jié)理論，本文以芳烴類油分和滲透劑作為組分調(diào)節(jié)劑制備高滲透性的瀝青再生劑，通過(guò)研究芳烴類油分和滲透劑對(duì)制備的再生劑物理性能、滲透性能的影響規(guī)律，以制備出性能優(yōu)異的滲透型再生劑，并在此基礎(chǔ)上研究滲透型再生劑對(duì)老化瀝青物理性能和化學(xué)組分的影響。1

試驗(yàn)部分1.1

原材料選用的瀝青為SK70，SK70主要的性能指標(biāo)如表1所示；普通再生劑為實(shí)驗(yàn)室自制芳烴類油分類再生劑，其性能指標(biāo)如表2所示。1.2

高滲透型再生劑的制備將再生劑與SK-70按照不同摻量（再生劑∶瀝青=1∶2；1∶1；2∶1；3∶1，以瀝青的質(zhì)量為基準(zhǔn)）進(jìn)行熔融混合，在溫度為150℃、轉(zhuǎn)速為4000rpm的條件下高速攪拌45min，即得到普通瀝青再生劑；在此基礎(chǔ)上，將質(zhì)量摻比（0%，2%，4%，6%）的滲透劑（具有極性環(huán)氧官能團(tuán)）與普通瀝青再生劑在140℃條件下混合，即獲得高滲透性能的瀝青再生劑，其性能指標(biāo)如表3所示。1.3

高滲透瀝青再生劑性能測(cè)試（1）物理性能測(cè)試采用旋轉(zhuǎn)薄膜老化（RTFOT）模擬再生劑在生產(chǎn)再生瀝青過(guò)程中的熱氧老化，通過(guò)測(cè)試?yán)匣昂笤偕鷦┑馁|(zhì)量損失率和黏度比以反映所制備的再生劑的抗老化性能。（2）滲透性能測(cè)試再生劑滲透進(jìn)入老化瀝青之后，老化瀝青的物理性能勢(shì)必會(huì)發(fā)生變化。本文通過(guò)將滲透型再生劑倒在老化瀝青表面，置于135℃烘箱中保溫，通過(guò)測(cè)試不同滲透時(shí)間（1~6h）條件下，老化瀝青的針入度，以此表征再生劑的滲透性能。1.4

再生瀝青的制備將不同摻量的再生劑（0%，2%，4%，6%，8%，以老化瀝青的質(zhì)量為基準(zhǔn)）與老化瀝青在160℃進(jìn)行熔融共混15min，即可制備出不同的再生瀝青。1.5

再生瀝青的物理性能測(cè)試采用SD-0604型針入度測(cè)試儀、SD-0606T型軟化點(diǎn)測(cè)試儀、SD-0605A型延度測(cè)試儀（上海地學(xué)儀器研究所）和DV-II+Pro型Brookfield旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)試儀（美國(guó)BrookfieldEngineering公司），分別按照T0602-2011，T0606-2011，T0605-2011和T0625-2011技術(shù)規(guī)范，對(duì)老化瀝青和再生瀝青的針入度（25℃），軟化點(diǎn)，延度（10℃）和黏度（135℃）等物理性能進(jìn)行測(cè)試。1.6

再生瀝青的化學(xué)組分測(cè)試?yán)肐ATROSCANMK-6型棒狀薄層色譜-氫火焰離子測(cè)定儀（日本三菱雅特隆公司）對(duì)老化瀝青和再生瀝青化學(xué)組分進(jìn)行測(cè)試。其方法如下：首先將瀝青樣品溶解在二氯甲烷（CH2Cl2），然后將溶液滴加在色譜柱。為了確保瀝青化學(xué)組分充分分離，將滴有瀝青溶液的色譜柱先后放入正庚烷，甲苯/正庚烷混合液，甲苯/無(wú)水乙醇混合液等三種擴(kuò)展液中進(jìn)行擴(kuò)散，最后進(jìn)行點(diǎn)火測(cè)試，即可得到瀝青不同化學(xué)組分的百分比。1.7

再生瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)測(cè)試采用Nexus型傅立葉變換紅外光譜儀對(duì)不同瀝青樣品的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。利用CS2將瀝青樣品溶解成瀝青溶液，通過(guò)涂覆在溴化鉀（KBr）底片進(jìn)行紅外光譜掃描測(cè)試，測(cè)試范圍：4000~400cm-1，掃描分辨率：4cm-1，掃描次數(shù)：64次/min。2

結(jié)果與討論2.1

滲透型再生劑的制備及其性能研究2.1.1物理性能RTFOT老化前后，芳烴類油分摻量對(duì)再生劑質(zhì)量損失率的影響如圖1所示。圖1再生劑質(zhì)量損失率變化情況Fig.1Changesinthemasslossrateofregenerant從圖1中可以看出，RTFOT老化后，再生劑的質(zhì)量減小，這是因?yàn)樵诶匣^(guò)程中再生劑中的輕質(zhì)組分在高溫條件下發(fā)生揮發(fā)，導(dǎo)致其質(zhì)量降低；此外，還可以發(fā)現(xiàn)，隨著芳烴類油分的摻量增加，再生劑的質(zhì)量損失率增大，這是由于芳烴類油分的摻量增加導(dǎo)致再生劑中的輕質(zhì)組分增多，繼而造成在老化過(guò)程中，揮發(fā)的輕質(zhì)組分的質(zhì)量也在增加，最終導(dǎo)致再生劑的質(zhì)量損失率增大。RTFOT老化前后，芳烴類油分摻量對(duì)再生劑黏度的影響如圖2所示。圖2再生劑黏度變化情況Fig.2Viscositychangeofregenerant由圖2可知，老化后再生劑的黏度明顯增加，而且隨著芳烴類油分摻量的增加，老化后的再生劑黏度增加越明顯，說(shuō)明芳烴類油分的加入不利于再生劑的抗老化性能。再生劑在老化過(guò)程中受高溫的影響導(dǎo)致流動(dòng)性大的輕質(zhì)組分易揮發(fā)，同時(shí)部分組分與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成分子量更大的化合物，這雙重作用最終導(dǎo)致再生劑的黏度在老化后不斷增大，而且這種影響隨著芳烴類油分摻量的增加越明顯。從圖1、圖2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)芳烴類油分與瀝青質(zhì)量比超過(guò)2∶1時(shí)，再生劑老化后的黏度變化已無(wú)法滿足再生劑技術(shù)規(guī)范的要求。綜合考慮再生劑的物理性能、老化性能以及經(jīng)濟(jì)效益，本文在制備滲透型再生劑時(shí)，芳烴類油分與SK-70的摻和比為2∶1。2.1.2滲透性能通過(guò)將芳烴類油分與SK-70（摻和比為2∶1）進(jìn)行混合制備成普通再生劑，并向普通再生劑添加不同摻量的滲透劑以制備出具有優(yōu)異滲透性的再生劑。相比較老化瀝青，再生劑的針入度較小，其加入瀝青中可以顯著降低瀝青的針入度，因此可以將再生劑倒在老化瀝青表面，通過(guò)測(cè)試瀝青針入度變化以表征再生劑滲入瀝青中深度。圖3為不同滲透劑摻量的再生劑針入度增量隨時(shí)間變化情況，從圖中可以看出，隨著時(shí)間的增加，各老化瀝青樣品的針入度增量均不斷增加，說(shuō)明延長(zhǎng)滲透時(shí)間有利于提高再生劑在瀝青內(nèi)部的滲透，即滲透時(shí)間增加有助于提高再生劑對(duì)老化瀝青性能恢復(fù)的能力。圖3不同時(shí)間下再生劑針入度增量變化情況Fig.3Theincreaseinpenetrationofregeneratingagentat

differenttimes此外，還可以發(fā)現(xiàn)，隨著滲透時(shí)間延長(zhǎng)，各老化瀝青樣品的針入度增量增長(zhǎng)速率明顯減緩，尤其滲透時(shí)間超過(guò)4h后，各老化瀝青樣品的針入度增量變化幾乎很小，這主要是因?yàn)橥扛苍跒r青表面的再生劑在長(zhǎng)期高溫條件輕質(zhì)組分發(fā)生揮發(fā)，導(dǎo)致其黏度增加，其在瀝青中的滲透能力減弱，繼而影響其對(duì)老化瀝青的物理性能恢復(fù)能力。與未添加滲透劑的再生劑空白樣相比，添加了滲透劑的再生劑樣品的針入度增量明顯提高，表明滲透劑有利于提高再生劑在老化瀝青中的滲透能力，即滲透劑加到再生劑中有助于提高再生劑對(duì)老化瀝青性能恢復(fù)能力。其中再生劑對(duì)老化瀝青的改性效果，隨滲透劑摻量的增加先增大后逐漸變緩，綜合考慮，滲透型瀝青再生劑中滲透劑摻量為4%。2.2

滲透型再生劑對(duì)老化瀝青物理性能的影響

圖4給出了滲透型再生劑對(duì)老化瀝青物理性能（針入度、軟化點(diǎn)、延度及黏度）影響的試驗(yàn)結(jié)果。圖4滲透型再生劑對(duì)老化瀝青物理性能影響Fig.4Influenceofpenetratingregenerantonphysicalproperties

ofagedasphalt從圖4可以看出，隨著再生劑的加入，老化瀝青的針入度和延度增加，軟化點(diǎn)和黏度降低，而且這種變化隨著再生劑的摻量增加變得更加明顯。再生劑對(duì)瀝青物理性能的影響正好與老化對(duì)瀝青物理性能的影響正好相反，這表明再生劑能夠使老化瀝青的物理性能在一定程度上得到改善。此外，相比較普通再生劑，滲透型再生劑對(duì)老化瀝青物理性能恢復(fù)的效果更明顯，說(shuō)明滲透型再生劑對(duì)老化瀝青的再生效果更好，這主要是因?yàn)闈B透型再生劑在老化瀝青中滲透深度更深，其與瀝青間相互作用更均勻。2.3

滲透型再生劑對(duì)老化瀝青化學(xué)組分的影響老化導(dǎo)致瀝青輕質(zhì)組分減少，瀝青質(zhì)增加，膠體結(jié)構(gòu)趨向于凝膠型，瀝青變硬變脆，最終使得瀝青性能不能滿足使用要求。圖5為不同再生劑對(duì)瀝青化學(xué)組分（飽和分、芳香分、膠質(zhì)、瀝青質(zhì)）的影響情況。從圖中可以看出，再生劑的加入使得瀝青輕質(zhì)組分（飽和分和芳香分）的含量增加，膠質(zhì)含量減小，瀝青質(zhì)含量顯著降低。并且隨著再生劑含量的增加，輕質(zhì)組分含量的增加和瀝青質(zhì)含量的下降變得更為明顯，但膠質(zhì)的含量卻有著略微的增長(zhǎng)。導(dǎo)致瀝青的化學(xué)組分發(fā)生變化的主要原因是再生劑中芳烴類油分，其加入瀝青中彌補(bǔ)了瀝青老化后輕質(zhì)組分含量的減少，使得老化瀝青的膠體結(jié)構(gòu)逐漸由凝膠型向凝膠-溶膠型轉(zhuǎn)變。相比于普通再生劑，滲透型再生劑對(duì)老化瀝青的化學(xué)組分的影響更明顯，這表明滲透型再生劑對(duì)老化瀝青性能恢復(fù)效果更好，更有助于老化瀝青的再生。其中在摻量為2%~6%時(shí)，隨滲透型再生劑摻量的增加，再生劑對(duì)老化瀝青各化學(xué)組分的恢復(fù)在明顯增強(qiáng)，當(dāng)摻量超過(guò)6%時(shí)，滲透型再生劑的增強(qiáng)效果變緩，最終，滲透型瀝青再生劑的摻量確定為6%。圖5滲透型再生劑對(duì)老化瀝青化學(xué)組分的影響Fig.5Influenceofpenetratingregenerantonchemical

compositionofagedasphalt2.4

滲透型再生劑對(duì)老化瀝青化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響圖6為新鮮瀝青、老化瀝青、普通再生瀝青以及滲透型再生瀝青的紅外光譜。圖6滲透型再生劑對(duì)老化瀝青化學(xué)結(jié)構(gòu)的影響Fig.6Theinfluenceofpenetratingregenerantonthechemical

structureofagedasphalt從圖6中可以看出，四種瀝青均在1700cm-1和1030cm-1附近均存在吸收峰，這兩種吸收峰分別對(duì)應(yīng)了瀝青中的羰基C=O的伸縮振動(dòng)（1700cm-1）和亞砜基S=O的對(duì)稱伸縮振動(dòng)（1030cm-1）。然而在老化后的瀝青樣品中（包括老化瀝青、普通再生瀝青和滲透型再生瀝青），這兩種吸收峰強(qiáng)度均強(qiáng)于新鮮瀝青樣品。這主要是因?yàn)樵诶匣^(guò)程中，瀝青分子主要是發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致老化后瀝青中含氧官能團(tuán)如C=O和S=O增加。相比較老化瀝青，普通再生瀝青的C=O和S=O紅外吸收峰強(qiáng)度明顯減弱，主要是因?yàn)樵偕鷦┑募尤肟梢耘c老化瀝青中含氧官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，減輕老化瀝青的氧化程度，在一定程度上恢復(fù)老化瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)，而滲透型再生劑的這種改性效果表現(xiàn)得更為突出，一方面是因?yàn)闈B透型再生劑對(duì)老化瀝青的滲透效果更為突出，另一方面是因?yàn)闈B透型再生劑具有強(qiáng)極性基團(tuán)（環(huán)氧官能團(tuán)），環(huán)氧官能團(tuán)與含氧官能團(tuán)化學(xué)反應(yīng)極性較強(qiáng)，能夠顯著提高再生劑對(duì)老化瀝青的改性效果。3

結(jié)論（1