（道路与铁道工程专业论文）沥青再生剂开发与性能研究.pdf

摘要 摘要 再生利用是沥青路面养护维修工程中的重要发展方向，其中沥青再生剂又是这一技术 的核心。对于沥青再生剂的开发研究，我国在上世纪八十年代曾针对低等级路面开发了一 些轻油型再生剂。随着高等级公路维修需求的增加，国内一些单位也进行了开发研究尝试， 取得了一定的成果。本文在继承原有部分研究成果的基础上，分析现有再生剂的不足，结 合对再生剂功能需求的重新确定，提出了高等级沥青路面再生剂开发方案，并进行了相关 研究。 首先，本文通过大量室内模拟试验分析了沥青的老化及再生规律，发现随着老化的深 入，沥青针入度与延度降低、软化点与粘度升高；而再生剂的加入，可有效降低老化沥青 的粘度、恢复其流变性。同时，通过对我国典型沥青路面再生工程特点的分析，发现我国 现阶段的再生工程( 特别是就地热再生工程) ，往往是与沥青路面的病害整治工程相结合的， 而现有再生剂存在对老化沥青结构恢复能力不强、降低老化沥青的高温性能，扩散能力不 足等问题，因此难以适应高等级公路的再生要求。 其次，本文根据再生剂的功能要求及现有再生剂存在的不足，提出了模块化再生剂开 发思路，将再生剂成分分为浸润扩散组分、结构调节组分、增粘改性组分及其它组分四部 分，分别按照一定的技术要求选择材料，粗选其比例后，通过正交试验确定其最终复合比 例，获得了最佳再生剂配方。 最后，本文通过沥青胶结料和沥青混合料试验，对自制再生剂的使用性能进行了评价， 结果表明，自制再生剂具有良好的扩散能力，其抗老化性能较强，同时对沥青高温性能降 低幅度较小，综合性能优于现有再生剂水平。 关键词：沥青混合料、高温性能、老化、再生、沥青组分 第1 页 a b s t r a c t r e c y c l i n go f a s p h a l tp a v e m e n ti sa l li m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o no f t h em a i n t e n a n c ew o r k ，a n d t h ea s p h a l tr e j u v e n a t ea g e n ti st h ec o r eo ft h i st e c h n o l o g y f o rt h er e s e a r c ho fa s p h a l tr e j u v e n a t e a g e n t , s o m ea t t e m p t su s e dt ob em a d ea i m i n ga tl o w - g r a d ep a v e m e n t si n1 9 8 0 si n o u r c o u n t r y w i t h t h e i n c r e a s i n g m a i n t e n a n c e r e q u i r e m e n t s o f h i g h - g r a d eh i g h w a y , s o m e o r g a n i z a t i o n sh a v em a d es o m ee f f o r t st or e s e a r c h , a n da c h i e v e dc e r t a i nr e s e a r c hf m d i n g s s u c c e e dt os o m ep o r t i o no fo r i g i n a lr e s e a r c hf i n d i n g s ，t h es h o r t c o m i n g so fa s p h a l tr e j u v e n a t e a g e n ti nb e i n gw a sa n a l y z e d ，a n dr e f i n e dt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fr e j u v e n m ea g e n t , a r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tm e t h o do fr e j u v e n a t ea g e n tf o rh i g h - g r a d ep a v e m e n t sw a sb r o u g h t f o r w a r di nt h i sp a p e r , a n ds o m er e s e a r c h m e n tr r e l a t e dw a sc a r r i e do u ta tt h es a m et i m e f i r s t , t h el a wo fa s p h a i ta g i n ga n dr e j u v e n a t i n gw a sf i r s t l ya n a i y z e dt h r o u g hal a r g en u m b e r o fi n d o o rs i m u l a t i o nt e s t s ，a n di tw a sf o u n dt h a tt h ep e n e t r a t i o na n dd u c t i l i t yo fb i t u m e nw e r e d r o p i n ga n dt h es o f t e n i n gp o i n ta n dv i s c o s i t yw e r er a i s i n gw h i l et h ea g i n gw a sg r o w i n go n i n c o n t r a s t , t h ea d d i t i o no fa s p h a l tr e j u v e n a t ea g e n tw o u l dr e d u c et h ev i s c o s i t yo ft h ea g e db i t u m e n , a n dr e s t o r ei t sr h e o l o g y t h i sp r o c e s sc a nb es e e na st h er e v e r s ep r o c e s so fa s p h a l ta g i n g a tt h e s a m et i m e ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o m et y p i c a la s p h a i tp a v e m e n tr e g e n e r a t i o n e n g i n e e r i n g si n0 1 1 1 c o u n t r y , i tf o u n dt h a tt h ep a v e m e n tr e g e n e r a t i o np r o j e c t sa tp r e s e n ti no u r c o u n t r y , e s p e c i a l l yt h eh o tr e c y c l i n gi np l a c ee n g i n e e r i n g , i sg e n e r a l l yc o m b i n i n gw i t ht h e r e n o v a t i o nw o r ko fa s p h a l tp a v e m e n td i s e a s e b u ts o m es h o r t c o m i n g so ft h er e j u v e n a t ea g e n ti n b e i n gw a sa l s of o u n d ，t h e yc a l ln o tr e s t o r et h es t r u c t u r eo fa g e da s p h a l tp e r f e c t l y , a n dm a yr e d u c e t h eh i g ht e m p e r a t u r ep r o p e r t i e st h a tt h ea g e da s p h a l th a d , a n dh a dal o wd i t i u s i v i t y , a n ds oo n , i t i sd i f f i c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h eh i g h g r a d eh i g h w a yr e g e n e r a t i o n s e c o n d l y , t h em o d u l a r i z a t i o nd e v e l o p m e n tt h o u g h to fr e j u v e n a t ea g e n tw a sp r o p o s e d , a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t so fa s p h a l ta g e n ta n dt h ed e f e c t so fc u r r e n ta s p h a l ta g e n t t h ec o m p o n e n t so fa s p h a l ta g e n tw e r ec o m p a r t m e n t a l i z e di n t of o u rp a r t s ，t l l e yw e r es o a k a g ea n d d i f f u s i o nc o m p o n e n t , s t r u c t u r a la d j u s t i n gc o m p o n e n t , t a c k i f y i n ga n dm o d i f i c a t i o nc o m p o n e n t a n do t h e rc o m p o n e n t t h em a t e r i a l sw e r ec h o s e na c c o r d i n ga sc e r t a i nt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s r e s p e c t i v e l ya n dt h ei n i t i a la d d i n gp r o p o r t i o nw e r ed e t e r m i n e d ，a n dt h e nf i n a la d d i n gp r o p o r t i o n w a sd e t e r m i n e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t , w h i c hw a st h eb e s tf o r m u l ao fr e j u v e n a t ea g e n t s e l f - m a d e f i n a l l y , t h r o u g ht h ea s p h a l ta n da s p h a l t - m i x t u r er e g e n e r a t i n ge x p e r i m e n t s ，t h es e r v i c e p e r f o r m a n c eo ft h er e j u v e n a t ea g e n ts e l f - m a d ew e r ee v a l u a t e d ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e r e j u v e n a t e a g e n ts e l f - m a d eh a dg o o dd i f f u s i n ga b i l i t ya n ds t r o n ga n t i - a g i n gp e r f o r m a n c e ，a n dt h e r e d u c t i o ne x t e n to fh i g h - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c ew a ss m a l l e r , c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e s w e r ec l o s et oo rs u p e r i o rt ot h ea s p h a l tr e j u v e n a t ea g e n ti nb e i n g 1 ( e ，啊o r 山：a s p h a l tm i x t u r e ，h i g h - t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e ，a g i n g , r e g e n e r a t i o n ,a s p h a l t c o m p o n e n t 第l i 页 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 缒兰日期：掣厂 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 厂i ，、乒l 研究生签名：经型导师签名： 第一章绪论 i i 课题背景及研究意义 第一章绪论 自1 9 8 8 年第一条高速沪嘉高速建成以来，我国高速公路建设发展迅速，取得了举世瞩 目的成就。截止2 0 0 7 年底n 】，高速公路总里程突破5 3 6 万公里，且每年还在以1 5 左右的速度 增长。由于沥青路面具有表面平整、行车舒适、施工周期短、养护维修简便等特点，得到 越来越广泛的应用，沥青路面已成为我国高速公路的主要路面形式。 由于我国沥青路面结构形式、沥青混合料设计及质量、施工方面的原因，再加上较恶 劣的气候环境和交通环境，以及对路面维护的重视不够、资金匮乏等，造成我国沥青路面 远未达到设计寿命时即出现严重病害。虽然高等级沥青路面的设计寿命为1 5 年，但从实际 情形看，多数沥青路面在运营后短的2 , - - , 3 年，长的8 1 0 年就出现诸如车辙、泛油、裂缝 等早期病害，其中以高温车辙病害较为普遍，也较为严重。文献表明1 2 j ，许多国家高速公路 路面维修、罩面的原因中，车辙的比率高达8 0 以上，我国沥青路面车辙病害更为严重，已成 为困扰着我国高速公路使用的最主要的病害之一。 路面大修、重建等常规维修方法浪费大量旧沥青混合料等不可再生资源，占用堆放场 地，污染环境；同时铺筑新路面开采新石料及沥青，提高了工程造价。大多情况下，沥青 路面或因压实度不足、含油量大而产生一定车辙、泛油；或因低温收缩产生轻微裂缝；或 因水分浸蚀造成混合料剥落、松散，但沥青面层材料并未完全老化，且基层仍然坚实完好， 这种情况下是没必要进行路面铣刨大修，只要对表面功能层进行简单再生修复即可恢复其 路用性能。 沥青混合料的再生利用就是将需要翻修或废弃的旧沥青混合料进行翻挖、破碎、筛分， 再与新集料、新沥青及再生剂等适当配合后重新拌和，形成具有一定路用性能的再生沥青 混合料。对旧沥青混合料进行再生利用不仅保护自然资源，解决环境问题，而且可显著降低工 程造价，具有重大经济和社会效益。根据根据国外的经验【3 一 ，对旧沥青路面进行热拌再生利 用，旧料掺加比例为2 0 5 0 时可节省费用1 4 5 0 。我国2 0 世纪8 0 年代的经验也 表明嘲，与铺筑新沥青路面相比较，铺筑再生沥青路面，其材料费平均节约4 5 5 0 ；考虑 翻挖路面、破碎、过筛、添加再生剂等需要增加的费用时，工程造价刚氐2 0 2 5 。 废旧沥青混合料再生利用的关键在于旧沥青性能的恢复，而要恢复沥青路用性能需要 使用合适的再生剂。目前市场上流通的沥青再生剂有很多种，但多是一些轻质油份组成， 或者易于老化，或者对老化沥青的浸润扩散能力不足，造成再生后沥青混合料容易再次出 现车辙问题。针对常见的车辙病害开发再生剂，避免病害再次产生，延长再生路面使用寿 命，具有显著的研究和应用价值。 1 2 再生技术研究现状 旧沥青路面的再生利用技术具有较好的经济社会效益，在世界各国都得到了广泛应用 和重视，积累了丰富的工程经验，同时也对再生沥青及沥青混合料路用性能进行了长期深 入的研究，取得了大量的研究成果，有力推动了沥青路面再生利用技术的发展。 第l 页 东南大学硕士学位论文 1 2 1 再生技术应用现状 欧美发达国家对再生沥青混合料的研究起步较早，最早是1 9 1 5 年从美国开始的，但没 有引起足够重视。1 9 7 3 年石油危机造成全球油价上涨，恰逢美国国内高速公路出现大面积 病害，铣刨重修的代价倍增，使得人们对沥青路面再生技术逐渐重视起来。上世纪九十年 代，欧美发达国家对旧沥青混合料的再生利用率达到9 0 以上。美国联邦公路局的统计数 据显示【5 1 ，1 9 8 0 年有2 5 个州共使用了2 0 0 多万吨热拌再生沥青混合料；至1 9 8 5 年再生沥 青混合料的用量猛增到约2 亿吨，约占当年全部沥青混合料用量的一半。联邦德国凭借其 发达的机械工业，再生技术发展迅速，至1 9 7 8 年其沥青路面旧料回收利用率已接近1 0 0 p j 。 欧洲沥青路面协会( e a p a ) 已宣布 6 1 ，其成员国的旧沥青路面采用1 0 0 通过再生进行重 复利用。 在亚洲，资源相对匮乏的日本从1 9 7 6 年开始对旧沥青路面材料进行再生利用，并对应 用旧沥青混合料的施工企业予以补助。2 0 0 0 年其国内旧沥青混合料再生利用率已达9 0 ， 再生的热拌沥青混合料达4 0 0 0 万吨，占总路面沥青混合料应用量的5 5 以上i o j 。 由此可见，欧美发达国家十分重视旧沥青路面的再生应用，基本形成了成熟的一套比 较完整的沥青路面再生应用技术，并且制定了相应的技术规范，对再生沥青及再生沥青混 合料的性能进行了规范，极大促进了再生技术的推广应用。下表l 一1 列出了国外沥青再生 方面的研究技术资料p j 。 表1 1 国外沥青再生方面技术资料 我国在上世纪5 0 - - - 7 0 年代，曾在不同程度上利用过废旧沥青混合料，但基本都是作为 废物利用考虑的，一般只用于轻交通道路、人行道或高等级公路的垫层。这种利用尽管节 约了部分资金，减少环境污染，但未能充分发挥旧料的使用价值，造成很大的资源浪费。 8 0 年代在国家“废旧沥青混合料再生利用”研究项目带动下，曾铺设一定量的试验路进行 尝试，但9 0 年代以来的大规模公路建设时期，旧沥青路面再生利用研究与推广基本处于停 滞状态。近几年来，随着早期建设的公路相继进入养护大修阶段，旧沥青路面再生研究应 用又显得十分迫切，一些公路的养护单位重新尝试借鉴国外的再生技术经验，通过引进先 进的再生设备和再生剂对旧沥青路面进行再生维修，有助于缓解国内再生设备与技术不足 的压力。2 0 0 0 年沈大高速公路营e l 段开展了旧沥青路面再生试验1 7 1 ：2 0 0 3 年广佛高速公路 路面大修中，沥青下面层设计采用了旧料掺量为2 0 的再生沥青混合料惮j ；同年缸8 月上 海浦东路桥公司利用热再生技术对沪宁高速上海段的沥青路面进行了再生修复p j 等。目前， 我国旧沥青再生利用研究应用尚处于起步发展阶段，尚没有完善的技术体系和机械设备， 更没有制定相应的技术指导规范指导实践。但随着国际油价和原材料的飙升，国内环境压 第2 页 第一章绪论 力的增大以及可持续发展战略的实践，国家及道路工作者对旧沥青路面再生技术日益重视， 并投入了相当的资金进行研究，取得了一定的成果。 1 2 2 再生沥青混合料性能研究 再生沥青混合料是由旧沥青混合料添加部分新集料、新沥青和再生剂拌和而成，旧沥 青混合料的性能及添加比例都将深刻影响再生沥青混合料的性能。而再生沥青及混合料的 性能决定着他们的应用程度和应用方法。再生混合料不仅要充分发挥旧料的性能，还要满 足一定的路用性能，才能在公路建设维修中得以应用。因此，分析研究再生沥青及混合料 的性能十分重要，国内外学者对此投入了很大的精力，也取得了丰硕的成果。 ( 1 ) 流变性能：大量研究均表明，沥青经一定时期的使用后，其粘度大幅上升，同时 延性衰减，容易造成路面开裂等破坏。而随着再生剂添量的加入，再生沥青的粘度逐渐降 低、针入度增大、延度提高，改善了旧沥青因老化而严重衰减的流变性能，可较好地恢复 因低温收缩、疲劳产生的开裂病害。 ( 2 ) 高温性能：有文献1 1 0 】认为，相比普通沥青混合料，再生沥青混合料有较高的马 歇尔稳定度和流值，而较高的流值表明混合料高温性能不佳。2 0 0 3 年广佛高速公路大修项 目中【引，掺2 0 1 b 沥青材料的再生沥青混合料( a c 2 5 i ) 的性能与普通a c 2 5 i 型沥青混合 料的性能相比，前者的稳定度、动稳定度和a a p a 车辙都大于后者，说明再生沥青混合料 具有良好的高温性能。 ( 3 ) 低温性能：美国s u p e r p a v e ( s u p e r i o r p e r f o r m i n g a s p h a l t p a v e m e n t ) 计划研究 再生沥青路面表明i l l 】，当旧沥青混合料含量增加时，再生沥青混合料的剪切变形和累积剪 切应变减少，低温劲度增加，但混合料的低温拉伸强度变化很小。t a m l l l j 等人研究认为， 再生沥青混合料在抗开裂性能方面不如普通沥青混合料，但k a n d h a l 等认为两者没有显著 区别，s a r g i o u s 和m u s h u l e 甚至认为，再生沥青混合料的抗开裂能力好于普通沥青混合料。 ( 4 ) 耐久性：乔治亚州对比正在使用的多段再生沥青路面和普通沥青路面发现l i 引， 热再生沥青混合料的老化速度小于新沥青混合料，其水稳定性也稍优。美国和日本的再生 路面耐久性研究成果表明，热再生路面和普通全新沥青路面的耐久性方面没有显著差异。 对于再生沥青混合料的综合性能，国内学者也进行了大量研究。东南大学交通学院江 臣研究认为【1 3 】：处于最佳油石比状态下的再生混合料的高温稳定性与普通沥青混合料相 比，没有明显变化；再生剂的加入能明显改善老化沥青混合料的低温变形能力，提高低 温抗裂性能：随着旧料掺配率的提高，再生料的抗裂强度略有下降趋势，破坏拉伸应变明 显下降，而破坏劲度模量呈上升趋势；随着旧料掺配率的提高，再生料的冻融劈裂强度 比呈下降趋势，即水稳定性下降；再生沥青混合料比普通沥青混合料的抗老化性能要略 差一些。 ( 5 ) 再生剂与旧沥青间的相互作用：美国道路研究协作计划( n c h r p ) 的研究报告i i l j 从再生沥青混合料性能方面表明了其中旧料的“非黑石”作用，也既旧沥青在新旧料混合中基 本起到粘结剂的作用。并且，实际拌和中新、旧粘结剂对再生沥青混合料性能的贡献，与新旧 沥青完全混溶后对混合料性能的贡献很接近。但美国田纳西州大学b a o s h a ni - i u a n g 【 4 j 室内试验表 明，在旧沥青混合料再生过程中，只有一小部分( 约1 1 左右) 旧沥青混合到新添粘结剂中，其 余大部分仍以较粘稠的形式裹覆在旧集料表面。经拌和后，在旧集料表面粘结剂薄膜内侧仍有 5 0 左右的沥青性质接近旧沥青性质。b a o s h a nh u a n g 综合分析指出，旧料基本在起着“填充黑 石”的作用。一些再生工程的实测数据也清晰地表明，再生沥青路面的劲度比预期要小。 多年的实践和研究经验肯定了旧沥青混合料的利用价值，对再生沥青混合料各方面的 性能也基本达成了共识。虽然还有一定的认识偏差，大概是由于旧沥青性能的离散性、再 生剂性能差异性、试验手段及指标不一致等造成的，但这些研究分析也为今后的研究提供 第3 页 东南大学硕士学位论文 了大量数据和经验，加深人们对再生沥青混合料的认识。 1 3 再生剂研究现状 对旧沥青混合料的再生利用过程主要是恢复其路用性能的过程，而此过程通常是借助 再生剂实现的，再生剂性能的优劣关系到整个再生工艺的成败。因此，国内外道路工作者 进行了大量深入的尝试，取得了可喜的成绩。 国外在上世纪七八十年代石油危机就开始再生剂的研制工作。美国s h r p 计划之初， 曾花费很大精力进行沥青化学成分分析，希望从化学组分角度理解沥青的老化机理，进而 寻求沥青再生方法：通过对老化沥青和优质沥青组分的比较，向老化沥青中添加所缺失的 组分，使组分重新协调。然而这种从组分角度寻求再生剂的方法并没有成功，因为沥青的 化学结构及其复杂，即便化学组分相同的沥青，因油源基属、生产工艺的不同，其路用性 能可能相差很远，因此必须寻找其它有效再生途径指导再生剂开发。 随着对沥青结构体系认识的深入，人们逐渐摒弃将沥青作为以沥青质为核心、逐层包 裹胶质、油分的胶体结构理论，而将它视为一种高分子溶液，沥青质与软沥青质之间的相 溶性决定了其高分子溶液结构稳定性，这就是沥青相溶性理论。相溶性理论采用沥青组分 溶解度参数为评价指标，不仅与沥青宏观路用性能有较好的关联性，可更好地指导并控制 沥青再生剂开发。目前工程使用的再生剂多是以沥青相溶性理论为指导，借助沥青组分调 节的方法进行开发的。 在这种再生剂开发理论的指导下，迄今为止国外已研制出多种沥青再生剂，并取得了 良好的工程效果。美国专利【1 5 1 u s 7 3 5 7 5 9 4 介绍了一种由极性树脂、芳香分和饱和烷烃溶剂 组成的再生组分，饱和烃溶剂的含量很少：u s 5 7 6 6 3 3 3 采用一种页岩油( s h a l eo i l ) 作为再 生组分：u s 5 2 3 4 4 9 4 使用一种矿( 煤) 泥油( s e w a g es l u d g e - d e r i v e do i l ) 作为再生组分，这 种物质为饱和脂肪族、单环芳烃、二环芳烃、多环芳烃的混合物；u s 3 7 9 31 8 9 介绍了一种 含有脱丙烷沥青、液体石油衍生物( 残油的重馏分) 的物质作为再生组分。从合成再生剂 的成分看来，国外再生剂多使用一些工业废油或石化油份作为再生剂主要成分，这些油分 有个共同的特点就是富含芳香分。 表1 2 前苏联再生剂质量标准 表i - 3 日本再生剂质量标准 国外对再生剂的研究较为深入，不仅形成了较为成熟的再生剂开发技术，可以为不同 沥青路面进行再生剂配制，而且还制定了相应的规范，如表1 2 表l - 4 所示。除对再生剂 施工安全性、抗老化性有一定限制外，主要还对再生剂的饱和分含量及芳香分含量有一定 第4 页 第一章绪论 我国在八十年代初曾研制过再生剂，如上海市政工程研究所、云南交通科研所等j ， 取得了一定的成就，同济大学还提出了再生剂的建议值，如表l 一5 所示。但当时所研制的 再生剂主要是针对等级较低的渣油路面，多是一些轻质油分按不同比例混合组成，自然因 素作用下易挥发、氧化，且与老化沥青的相容性差，抗老化性能不理想，多已不再使用。 但从八十年代至今，随着国内大规模公路建设，对再生剂的需求不大，很少有单位研制再 生剂，基本处于停滞状态。 表1 5 我国早期提出的再生剂技术指标建议值 随着高等级沥青路面维修阶段的到来，部分高校及科研单位开始致力于再生剂开发， 但多是根据国外的经验，采用富含芳香分的油分和一些合成树脂制备再生剂。沈阳建筑工 程学院【1 6 】依据化学组分的配伍型理论，按一定比例在旧沥青中加入含沥青质少、含芳香分 高的再生剂，调和沥青组分，形成稳定的胶体结构，开发出四种富芳贫蜡的添加剂：抽出 油、重方烃、添加剂r 和催化油浆。浙江兰亭高科有限公司i l7 1 开发的一种废沥青再生剂中， 含有高达7 5 9 0 的轻质油分及1 0 - - - 2 5 的树脂。专利c n 2 0 0 4 1 0 0 8 4 4 5 i l7 j 介绍了轻质油分 ( 环烷油、糠醛油、芳烃油、润滑油、玉米油等) ，焦油提取物或石油树脂提取物树脂作为 再生组分。这些再生剂还有较高的芳香分，而芳香分易挥发、聚合，造成再生沥青抗老化 性能较差。 为改善再生沥青抗老化性能，东南大学江臣【1 3 】通过引入增粘树脂提高轻质油分的稳定 性，增加与老化沥青的相容性，取得了较明显的效果。余国贤i l 州更进一步根据老化沥青的 不同组分的性能，将再生剂成分分为增溶分散组分、稀释调和组分及蜡晶分散组分，有针对 性地提高和改善旧沥青的某些性能。 在国外，再生剂往往专门由化工部门研究提供，而我国再生剂的研究多是由院校道路 研究所提供，缺乏专业的化工部门协作。开发再生剂的机理多是基于对老化沥青的理解， 恢复老化沥青的组分结构，而对沥青混合料再生工艺考虑不足、对沥青路面病害针对性不 强。对再生剂的质量评价也多是根据国外经验标准，相关部门尚未制定适合我国国情的再 生剂质量评价标准和体系。几年来，同济大学、山西公路局、湖北省公路局科研所、西安 公路研究所、河南省交通厅科研所、河北省交通科研所、山东省济宁市公路总段、东南大 学、江西省公路局以及湖南省公路局等单位，已经在再生机理的理论、设计方法、再生剂 的质量技术指标等诸方面的研究，取得了一定的成果。 第5 页 东南大学硕士学位论文 1 4 本文研究的内容与技术路线 老化沥青混合料再生后其路用性能的恢复情况很大程度上取决于再生剂的性能。尽管 目前市场上流通多种再生剂，但多是依据国外沥青再生标准，是以恢复老化沥青的化学组 分为主要目标的，对我国沥青路面常出现的车辙等病害并没有针对性，因此在使用过程中 常会出现一定的问题，需要进一步改善。 1 4 1 主要研究内容 本论文研究的内容主要有以下几个方面： ( 1 ) 沥青老化规律的室内试验研究； ( 2 ) 老化沥青的再生规律研究； ( 3 ) 再生沥青混合料的性能评价； ( 4 ) “模块化”再生剂开发与性能评价； 1 4 2 技术路线 沥青再生是老化的逆过程，分析研究沥青的老化规律，是进行再生剂开发的基石，也 明确了再生剂的功能要求；评价现有再生剂的各项路用性能，寻找其存在不足，为再生剂 改良开发指明方向；基于以上分析，进行再生剂开发评价。本文的整体思路如下图l - l 所 示。 图1 1 所采用的技术路线 ( 1 ) 沥青老化规律分析：室内采用或改进薄膜烘箱进行不同时间的模拟老化试验，分 析热氧、紫外线及水分对沥青各项性能指标( 针入度、软化点、延度粘度等) 的影响，并 分析热再生工艺及我国路面再生特点，指出再生剂的技术要求。 ( 2 ) 老化沥青的再生规律分析：通过向模拟老化沥青添加不同比例的各再生剂，分析 其各项性能指标的变化规律，确定再生剂适宜的用量并寻找再生剂的不足。同时，设计试 验对所关注的再生剂扩散能力进行评价。 ( 3 ) 再生沥青混合料性能评价：使用各再生剂对旧料进行再生，分析其各项路用性能 ( 高温性能、低温抗裂性、水稳定性、抗老化性等) ，分析再生剂存在的不足，特别是再生 剂扩散能力对混合料性能的影响情况。 ( 4 ) 再生剂开发及评价：再生剂的改良开发是本课题的核心。通过前面对沥青老化及 再生机理的分析认识，结合再生剂应具备的功能、针对沥青路面病害情况( 本课题中以路 面车辙为背景) 等，提出再生剂开发思路，并最终开发出针对路面车辙病害、功能较优异 的再生剂。 第6 页 第二章沥青的老化及沥青路面的再生利用 第二章沥青的老化及沥青路面的再生利用 沥青路面经一定年限的使用后，在各种因素的综合作用下导致路面出现多种病害，严重影响行车的 舒适性和安全性，需要进行再生维修。沥青胶结料老化是造成沥青混合料性能衰减的一个重要原因，恢 复老化沥青的性能是沥青路面再生技术的一个重要目标，但我国半刚性基层沥青路面病害多出现在早期， 具有其特殊性，分析沥青老化规律及我国沥青路面再生特点具有重要意义。 2 1 沥青老化的基本规律 沥青“老化”是指沥青从炼油厂被炼制出来后，在贮存、运输、施工及使用过程中，由于长时间地 暴露在空气中，经受热( 高温) 、氧气、阳光( 紫外线) 和水的作用，产生一系列的挥发、氧化、聚合， 使沥青内部结构和性质发生变化，导致路用性能劣化的过程。 对于道路沥青而言，其老化过程主要分为两个阶段：一是加热拌和及摊铺过程中的老化，称之为“短 期老化”。在沥青混合料热拌和过程中，沥青与热矿料的温度高达1 6 0 c 左右，很容易造成沥青轻质油份 的挥发与高温氧化。另一阶段则是指路面使用过程中沥青的老化，也称之为“长期老化”。由于沥青在路 面使用过程中受到环境、荷载等多重因素综合作用，其老化过程也较为复杂，同时也是一个比较缓慢、 长期的过程。 薄膜烘箱t f o t 和压力老化因设备简易，操作方便常用来模拟不同老虎程度的沥青老化。为分析各 种因素作用下沥青的老化规律，对现有设备进行简易改装，并引入氧气、紫外线和水蒸气等，研究各因 素单独作用下沥青基本指标的变化规律，并根系其内在的组分变化，从宏观性能和微观组分方面认识沥 青老化规律。 2 1 1 热氧作用 高温和氧化作用是造成沥青老化的主要原因。在沥青混合料热拌和过程中，沥青同时承受高温和氧 气作用，一方面高温造成沥青中轻质组分挥发，另一方面高温还促进了沥青的氧化，但拌和时间较短， 产生的老化并不是十分显著。而在长期使用过程中沥青各组分的氧化才是沥青老化的主导因素。 薄膜烘箱老化试验t f o t 是在1 6 3 c 下对沥青进行强制加速老化的过程，此时空气中氧气处于高温 活跃状态，可模拟沥青热氧老化过程。按照沥青与沥青混合料试验规程t 0 6 0 9 - 1 9 9 3 方法 i y j * 对壳 牌a h 7 0 沥青进行5 h 、1 0 h 、1 5 h 、2 0 h 的老化，分析其性能指标的变化规律，结果如下图2 一l 所示。 6 0 5 8 蘧5 6 蒸5 4 5 2 5 0 l 一一软化点i j i 一针入度l，一 ： ，7 ： 一r ，7 r - 一一 一 051 01 52 0 老化时间h 051 01 52 0 老化时间h 鼍 日 魁 槊 p 器 _ ( a ) 针入度与软化点( b ) 延度与粘度 图2 1 沥青性能指标随老化时间的变化规律 从图2 - 1 中趋势不难看出，随着老化时间的延长，沥青的针入度逐渐下降，延度衰减更为迅速，经 2 0 h 老化其延度从初始的1 3 8 c m 降低至不足2 0 c m ，表明老化造成沥青硬化脆化，降低了其流变性能，使 第7 页 加如加0 基毯域p吣【 量_【o雠本 伯驰们加加o 东南大学硕士学位论文 得沥青路面在低温下或重复荷载作用下更容易产生开裂，为路面的进一步水损害等埋下隐患。同时随老 化的深入，沥青软化点上升、粘度增加，表明沥青的高温性能在逐步提高。 沥青性能衰减的本质是其内部结构或成分在热氧条件下发生变化引起的。目前条件下还无法将沥青 分离成单组分物质，常用的做法是将沥青分离成性质较为接近几种组分，我国常采用四组分法。根据沥 青与沥青混合料试验规程t 0 6 1 8 1 9 9 3 四组分方法l l9 j 对沥青进行组分分离，测定不同老化时间下沥青各 组分含量变化规律，进而了解其内部变化，结果如下图2 2 所示。 0 老化时间h o51 01 52 0 老化时间h c a ) 饱和分与芳香分( b ) 胶质与沥青质 图2 2 沥青组分随老化时间变化规律 图2 2 清晰表明，随着老化的深入，沥青饱和分、芳香分与胶质基本都在下降，但芳香分的减少更 快，主要是由于芳香分中含有大量不饱和键，在热氧条件下更容易氧化聚合，而饱和分多是饱和键，仅 仅产生轻微氧化挥发。值得注意的是胶质在开始阶段迅速下降，而后小幅上升，表明胶质向活性更低的 沥青质转化，但同时接收由芳香分转化而来的新胶质，不过不同阶段两个过程转化速度有所差异。在整 个老化过程中，沥青质含量迅速增加。 沥青宏观性能是内在组分相互作用的外在体现，不同沥青组分具有不同的物理化学性质，其对沥青 的路用性能的影响也不尽相同，如表2 1 所示，芳香分作为沥青质的分散剂对沥青延度有较大影响，胶 质被认为是沥青质的胶溶剂，充当沥青质与油分的过渡桥梁，对沥青延度同样有较大影响，而分子量较 大的沥青质可有效提高沥青粘稠度同时增加了沥青分子运动的阻力，对延性具有较大影响。结合图2 一l 中沥青性能指标变化规律，老化使得沥青中沥青质含量增加，提高了沥青的高温性能；而充当沥青质大 分子“润滑剂”的芳香分和充当胶溶剂的胶质含量下降，使得沥青质胶团结聚，分子链的刚性增加，流 动阻力增大，导致沥青流变性变差，表现为延度的降低。 表2 - 1 各组分对沥青性质的影响 对于沥青内部化学键及官能团随老化的转变，国外学者借助较为精密的的仪器，如采用红外光谱分 析、核子共振仪等进行跟踪分析，取得了丰富的成果。张德勤t 2 0 j 掣研究表明，温度高于1 0 0 时，氧与沥 青中活性基团化合速度迅速增加，生成含氧羰基官能团，同时有明显的脱氢缩合现象，并产生水与二氧 化碳；温度较低时，氧化反应较为缓慢，氧被吸收存于沥青中，参与沥青中酯类活性基团的聚合、转化， 生成大分子极性含氧基团。李福普【2 0 】等也指出，沥青单独受热主要造成沥青中轻质油分的挥发，改变沥 青组分的结构组成；较高的温度还会造成沥青分子中不饱和双键的消逝，改变沥青组分的支链结构，导 致沥青变质。刘燕剡2 1 l 借助红外光谱( f t i r ) 分析沥青老化后的官能团变化，尽管不同沥青品种和老化 方式对老化沥青性能有一定影响，但老化过程中官能团总体变化趋势还是一致的。沥青老化可能使长链 的烷烃发生分解及断链，同时聚合、缩合反应使沥青中的链烷、环烷与芳香烃的缩合环状结构增加，形 第8 页 量捌舡蟮犯爆 筋加 垢加 5 0四凹鹚丛卯押舱孙：8 量捌如峰姿 量求晦欺 髭 乩匆 鹅 砑 凹盯沥觞殂均墙 誉求冥霉 第二章沥青的老化及沥青路面的再生利用 成大分子量的环状结构物，增加c = c 双键的含量。其中官能团变化最明显的是含氧官能团的生成或含量 增加，如羟基c = o 、亚硝酸基n = o 和亚砜基s = o ，表明沥青中含一些含硫、氮基团氧化生成更多的酸、 醛、酮、醇及亚砜和亚硝酸，更深度的氧化则可能生成酯类、砜类和硝酸类物质。正是这些化学反映造 成沥青组分迁移，最终表现为宏观性能的衰减。 2 1 2 蘩外线老化作用 尽管日光中紫外线仅占5 左右，但其对沥青的老化作用很强。较强的紫外线辐射能促使沥青分子 聚合生成更多的活性集团，增加沥青组分参与氧化的数量和速度。有试验表明【2 2 j ，光的存在使沥青中相 对羟基指数明显增大，沥青中的芳香分也变得活跃，吸氧量比在黑暗中显著增加。 为模拟紫外线对沥青老化的作用，在薄膜烘箱试验仪中引入5 0 0 w 环形紫外线高压汞灯，紫外灯距 离转盘约4 5 c m 。试验过程中取熔化好的沥青5 0 1 9 放入沥青老化盘中，沥青膜厚约3 2 m m ，放在薄膜 烘箱转盘上，并控制烘箱内温度为8 5 ，间隔4 d 取出试样进行性能测试及组分分析，结果如图2 - 3 、图 2 - 4 所示。 6 2 6 0 p5 8 薹5 6 罄5 4 5 2 5 0 3 0 2 8 裹2 6 垂2 4 2 2 2 0 一一软化点 l一针入度 一 j 一一一，| 一 。 、 r 0481 2 老化时间d 1 6 0481 21 6 老化时间d ( a ) 针入度与软化点( b ) 延度与粘度 图2 3 沥青性能随光老化时间的变化 0481 2 老化时间d ，人 一，一一 ，k 一 ， - ， 。 ， fl 卜胶质卜- 一 l 一一沥青质i 一 1 6 0481 21 6 老化时间d 2 4 2 2 1 2 1 0 鼍 帕 刍 型 桀 p 器 量 删 缸 峰 瓶 烬 ( a ) 饱和分与芳香分( b ) 胶质与沥青质 图2 4 沥青组分随光老化时间的变化 沥青在紫外线作用下也会发生明显的老化，且老化规律与热氧老化规律类似。在宏观性能上表现为 沥青针入度、延度下降，粘度、软化点升高。在微观组分上，沥青饱和分含量大幅下降，沥青质含量增 加，而饱和分、胶质含量变化幅度较小。由于饱和分的化学键多为饱和键，较稳定；而含有较多不饱和 键的芳香分则对紫外线较为敏感，含量大幅下降。胶质的含量稳定，表明胶质向沥青质转化的速度与芳 香分向胶质转化的速度相近。总体老化规律来看，在前8 d 沥青老化速度较快，此时沥青表面形成一层较 为致密的膜层，阻碍了老化的深入，后期老化速度较缓。 对于沥青光老化的机理，金鸣林【2 3 】提出沥青的老化是一个缓慢的自氧化过程，属于游离基链式反应。 第9 页 们0 1 1 1 1 暑毯彀p曲【 量【0毯本 踟加册们加加0 0 9 8 7 6 5 3 2 2 2 2 2 毋咖缸峰蛰 求收敬 4 2 o 8 6 4 2 o 3 3 3 口2 2 2 2 东南大学硕士学位论文 在温度或光的作用下沥青分子中活性基团c h 、c c 、c c 键裂解产生自由基自由基r ，该自由基与氧反 应进一步转化为氢过氧化物中间体( r o o - h ) ，其反应过程可描述为：i 卜，r ；r - + 0 2 - - - , r o o - 。氢过氧 化物中间体不稳定，易分解转化为含碳基官能团