再生沥青抗老化性能评价

刘 锐，廖克俭，王洪国，马晓明

（辽宁石油化工大学，辽宁 抚顺 113001）

沥青的抗老化性能是影响其路面使用寿命的主要因素之一[1]。沥青路面在使用一些年限后，受循环应力和交通应力的影响，以及高温冰冻的交替作用，出现了很多的病害，诸如拥包，沉陷，车辙，网裂等，沥青路面老化，沥青路面难以承受快速增长的高负荷交通量，行车的安全得不到保障，舒适性受到严重影响。因此关于道路受到损害需要翻新或者补修随之残留的废旧沥青混合料的处理问题愈发重要。目前根据国民经济的需求以及人们环保意识的提高和能源危机的日益严重，废旧沥青再生技术已经得到很大的发展。但由于基质沥青结构的复杂性，最终更反映在最终反映在沥青抗老化性上有很大的差别，因此对再生沥青抗老化性的研究有很大的必要。

1 实验部分

1.1 实验原料和仪器

1.1.1 原料

废旧沥青：沈阳机场路废旧沥青混合料；沈阳高速公路废旧沥青混合料（SBS），新沥青：辽河AH-90#沥青；辽河Ⅰ-C类SBS改性沥青，再生剂：LKJ-Ⅰ型再生剂（自制）。

1.1.2 仪器

82型沥青薄膜烘箱（无锡市石油仪器设备厂），SYD-2806E全自动沥青软化点实验器（上海昌吉地质仪器有限公司），SYD-2801C沥青针入度试验机（上海昌吉地质仪器有限公司），LY型沥青延度测定仪（无锡市石油仪器设备厂）。

1.2 沥青的回收

本实验采用溶剂抽提法，先用溶剂苯将废旧沥青混合料中的沥青进行溶解，然后把混合液倒入容器中进行抽提1 h以上，再将抽提液倒出重复抽提一次，使沥青全部容到溶剂中去。将沥青抽提液进行加热抽滤，去除其中的矿粉，再把沥青溶液倒入蒸馏瓶中加热蒸馏，在84oC左右蒸出溶剂苯，得到粗沥青。最后将粗沥青减压蒸馏，去除其中残留的溶剂和水，并称重即可得到回收沥青[2]。

2 实验结果与讨论

2.1 沥青的再生

废旧沥青路面的再生，指的是将旧沥青路面经过翻修或者裁挖、回收、破碎、筛分等工序后，与再生剂、新沥青、新集料等按照一定比例重新拌合，使其能够一定路用性能的工艺技术。

2.1.1 回收沥青理化性质分析

回收沥青与基质沥青理化性质分析见表1。

表1 回收沥青与基质沥青理化性质对比表Table 1 Physical and chemical properties of old asphalt and new asphalt

由表1可知，两种废旧沥青的针入度偏低、软化点较高、延度严重偏低，与两种基质沥青差距较大，说明这两种废旧沥青老化严重，三大指标远远不能符合《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004 的要求[3]。

2.1.2 废旧沥青再生

废旧沥青再生剂能够改变旧沥青的三大指标，改善沥青的路用性能[4]。实验室选用自制的LKJ-Ⅰ型再生剂分别对两种废旧沥青进行再生，并根据回收率补充适量的新鲜沥青。经过反复实验，最终确定两种旧沥青的再生剂加入量均为10%，再生结果见表2。

由表2可以得知，LKJ-Ⅰ型再生剂在加剂量为10%时，沥青的三大指标最好。沈阳机场路废旧沥青再生后可达到 AH-90指标的重交通道路石油沥青技术要求；而沈阳高速公路废旧沥青再生后可达到 SBS(I)-B指标的聚合物改性沥青技术要求[5]，说明LKJ-Ⅰ型再生剂对两种沥青的再生效果良好，应用范围比较广泛。

表2 旧沥青再生后理化性质与标准对照表Table 2 Physical and chemical properties of recycled asphalt

2.2 沥青的老化

试验所采用的仪器主要有薄膜加热烘箱、盛样皿、温度计、天平等。分别注入内直径为 140 mm的圆盘形盛样皿(50±0.5)g沥青，并形成厚度均匀的薄膜[6]。将烘箱加热至150, 163, 180 ℃温度下进行高温模拟老化，并以5.5 r／min的速度在水平方向上旋转，每隔5 h取出一组试样，测定其质量损失。

2.2.1 失重系数法评价再生沥青抗老化性能

实验室采用82型沥青薄膜烘箱进行TFOT实验[7]，是将沥青暴露在热空气条件下，沥青的质量变化，一方面是由于沥青中轻组分的挥发造成的；另一方面是因为沥青与空气中的氧发生化学反应。对于再生沥青，由于加入了再生剂，轻组分的挥发量远远大于氧化反应的增加量[8]。因此，本实验只考虑沥青挥发造成的质量损失。

随着老化温度的升高以及老化时间的延长，两种再生沥青中的轻组分逐渐蒸发，失重率逐渐增加，以老化时间和失重率为横纵坐标作图，见图1-2。

由图1和图2可以看出，在实验室所测定的温度范围内，再生沥青的失重率与老化时间呈线性关系，符合线性方程：

式中：Δm—失重率/%；

λ—为失重系数；

t —老化时间/h；

c —与沥青物性有关的常数。

从失重系数λ可以简单方便地评价再生沥青的抗老化性能。由图1和图2所确定的失重系数结果见表3。

图1 沈阳机场再生沥青失重率与老化时间关系Fig.1 Relationship between weight loss rate and aging time of Shenyang airport recycled asphalt

图2 沈阳高速(SBS)再生沥青失重率与老化时间关系Fig.2 Relationship between weight loss rate and aging time of Shenyang highway recycled asphalt

表3 两种再生沥青失重系数与时间关系Table 3 Relationship between λ and aging time of two kinds of recycled asphalt

由表3可知，随着老化温度的升高，失重系数λ逐渐增大，表现出在高温条件下失重明显增加。从λ的大小可以看出，在150 ℃和180 ℃温度下，失重系数的大小关系为：沈阳高速＞沈阳机场；在163 ℃温度下，两种再生沥青的失重系数几乎一致。由此可见，沈阳高速路SBS再生沥青的抗老化性能略好与沈阳机场路再生沥青；也可反映出SBS废旧沥青的再生效果好于高等级道路废旧沥青再生效果。

2.2.2 建立动力学模型

沥青老化属于一级反应[9]，可以用失重增加来表示反应进行的深度，因此回归方程的斜率即沥青老化的失重系数就为对应温度下的反应速率常数k，根据Arrhrenius方程有：

以-lnk对1/T作图，经线性回归，解得直线的斜率为 Ea/R，直线外推至 1/T=0，Y轴的截距即为lnA，从而求出沥青老化活化能Ea和指前因子A，见图3。

将Arrhrenius方程带入式（1）中，可得：

c是与沥青物理性质有关的常数，见表3。两种沥青的动力学参数见表4。

将表4中的动力学参数带入到式（3）中，可得两种再生沥青的失重动力学方程：沈阳机场：沈阳高速：

图3 -lnk与1/T的关系图Fig.3 Relationship between –lnk and 1/T

在不同温度下，沥青的失重率与时间的关系可已通过方程（4）与方程（5）计算得到。通过所建立的老化动力学模型，可对不同温度下沥青的老化进行验证。从表4中可以看出，沈阳高速SBS再生沥青有较大的活化能和较小的反应速率常数，说明沈阳高速SBS再生沥青的抗老化性能好于沈阳机场再生沥青，这也验证了失重系数法考察两种再生抗老化性能的结论。

表4 两种沥青的动力学参数Table 4 Dynamical parameter of two kinds of recycled asphalt

3 结 论

（1）选用LKJ-Ⅰ型再生剂加入量为10%时，沈阳机场和沈阳高速两种废旧沥青分别可以达到AH-90和SBS(I)-B指标要求，再生效果较好，再生剂的应用范围广泛。

（2）随着老化温度的升高，再生沥青的失重系数增大；老化时间越长，失重率越大。在相同的老化时间和老化温度下，沈阳高速（SBS）再生沥青的抗老化性能略好于沈阳机场再生沥青；说明LKJ-Ⅰ型再生剂对SBS废旧沥青的再生效果更好。

（3）沥青的老化，遵循一级反应动力学方程，利用失重系数建立老化动力学模型可表征沥青老化动力学过程，求得动力学参数，方法简单可靠。

（4）沈阳高速（SBS）再生沥青与沈阳机场再生沥青相比，具有较大的动力反应活化能，这也说明其具有较好的抗老化性。

［1］ 范耀华，丁郭靖，刘国祥.石油沥青抗老化性能研究[J]．石油沥青，1997(11)：1-3．

［2］ 王永刚，廖克俭，闫锋，魏毅．废旧沥青混合料再生技术的研究[J]．石油炼制与化工，2003，34(9)：25-26．

［3］ JTG F40-2004 公路沥青路面施工技术规范[S]．

［4］ 王洋，廖克俭，王洪国，陆伟强．道路废旧沥青混合料的再生及理化性质研究[J]．石化技术与应用，2012，2(30)：137-138．

［5］ JTJ 036-98 公路改性沥青路面施工技术规范[S]．

［6］ 贺华，陈海峰．沥青老化性能的两种实验方法评价[J]．西部探矿工程，2006(1)：248-250．

［7］ 陈守明，陈显，陈伟三．RTFOT与TFOT实验对SBS改性沥青老化效果相关性分析[J]．广州化工，2011，39(24)：55-58．

［8］ 闫锋，魏毅，戴跃玲，廖克俭,等．沥青抗老化性能的研究[J]．抚顺石油学院学报，2002，22(2)：5-9．

［9］ 丛玉凤，廖克俭，翟玉春．道路沥青老化动力学研究[J]．石油炼制与化工，2005，36(5)：23-26．