高等級公路瀝青路面再生劑的研制
江臣黃曉明
【江蘇省高速公路建設指揮部 南京 210004】【東南大學交通學院 南京210096】
摘 要 本文介紹了再生劑的機理、開發(fā)思路以及所開發(fā)再生劑的性能，與傳統(tǒng)再生劑相比較，所開發(fā)再生劑的基本性能和抗老化性能等方面的特點。
關鍵詞 路面 瀝青 再生劑 研制
瀝青路面的再生利用，能夠節(jié)約大量的瀝青和砂石材料，節(jié)省工程投資，同時有利于處治廢料、節(jié)省能源、保護環(huán)境，因而具有顯著的經(jīng)濟效益和社會、環(huán)境效益。
國外從七十年代石油危機后開始再生劑研制工作，迄今為止，在國外特別是美國已有許多種再生劑應用于路面再生，形成一套比較完整的再生利用技術，并達到標準化的程度。目前國外再生劑正逐步進入我國市場。我國是從八十年代初開始瀝青路面再生利用研究的，當時所研制的再生劑主公路，這項工作至今基本上還處于停滯狀態(tài)。而今一些高等級公路已陸續(xù)進入了維修或改建期，開發(fā)適用于高等級瀝青路面的再生劑這一工作已提到公路工作者的議題。
在東南大學交通學院和常州市化工研究所的合作下，研制出了針對高等級瀝青路面的新型再生劑。
本次研究中所用舊料為寧連路高速化改造工程中的翻挖舊瀝青混合料，路面已使用七年，所用瀝青為克拉瑪依ＡＨ－７０。舊料經(jīng)破碎、用三氯乙烯抽提、高速離心去礦粉、回收等工序后，得到舊瀝青，其基本物理性能與國標ＡＨ７０＃比較如下：
與普通ＡＨ７０＃瀝青比較，舊瀝青的針入度下降、軟化點上升、延度減小。
１ 再生劑的開發(fā)
１．１ 基本思路
從化學組分的角度分析，我們要使老化瀝青恢復原有性能，就要向其中加入一定的分子量小的組分，使組分重新協(xié)調(diào)。資料顯示過去曾有人試圖通過比較舊瀝青組分和優(yōu)質(zhì)瀝青的組分，來決定舊瀝青中應添加的組分，進而找到與這種組分匹配的再生劑，但這種嘗試并沒有成功，其原因是：
１?由于瀝青的化學結構極其復雜，即使化學組分相同的瀝青，因油源基屬及生產(chǎn)工藝不同，其性能也有很大變化。
２?要找到某種固定組分的再生劑，從工藝上來說有相當大的難度，對設備和工藝要求很高，成本亦高。所以必須尋找其它途徑。
我國在八十年代初期所使用的再生劑很多就是一些石油工業(yè)生產(chǎn)出的輕質(zhì)油如潤滑油、柴油、機油、減五油等或者它們的混合物，一些省份用此再生劑鋪筑了許多再生路面。
但是只用輕質(zhì)油分來再改性舊料，實踐證明效果并不是很好。首先，輕質(zhì)油分在自然界風、熱、光等的作用下極易揮發(fā)，其中芳香分易于發(fā)生氧化、縮合、共聚等反應，分子量會很快變大。所以加入的油分并不能長期穩(wěn)定的存在于瀝青中，對混合料性能的改善也只是一個短期行為。其次，對于反應式：油分?主要是芳香分?→膠質(zhì)→瀝青質(zhì)來說，油分的過量加入，會加快這種不可逆反應的進程，也就是起了加速老化的作用。再者，油分與瀝青質(zhì)的溶度參數(shù)相差較大，加入油分后雖能起到降粘的作用，并不能保證形成穩(wěn)定的高分子濃溶液。所以，用輕油再生的舊瀝青混合料其自身的抗老化性能較差，用此混合料鋪成的再生瀝青路面，有效服務期較短，一般２年左右就又趨于老化。
為使加入的油分能穩(wěn)定存在于再生混合料中，必須采取有效措施穩(wěn)定油分。通過大量的試制，我們開發(fā)了一種Ａ型再生劑，它是一種增粘樹脂與輕油相混溶的合成物，實驗證明此種混溶物能有效克服上述缺點。
１?２ 機理分析
如何防止再生劑中的輕油在施工過程中和使用期自然環(huán)境下穩(wěn)定存在于瀝青中而不發(fā)生揮發(fā)和老化，我們采取的主要方法是：讓輕油與所合成的增粘樹脂混溶，以形成一種穩(wěn)定的高分子溶液。
１?瀝青之所以能形成穩(wěn)定的高分子濃溶液，是由于極性化合物與瀝青質(zhì)有較強的結合力，它圍在瀝青質(zhì)的周圍，使瀝青質(zhì)形成一個個分散的小顆粒而不發(fā)生凝聚，進而保持瀝青質(zhì)在芳香分和飽和分中處于懸浮狀態(tài)。
近年來國外大量研究顯示，瀝青在從飽和分、芳香分→膠質(zhì)→瀝青質(zhì)的遷移過程中幾乎不產(chǎn)生極性化合物，而且遷移過程中極性化合物會漸漸變?yōu)榉菢O性化合物，這樣包圍瀝青質(zhì)的極性化合物會越來越少，瀝青質(zhì)就會發(fā)生凝聚，表現(xiàn)為老化特征。我們合成的增粘樹脂其分子本身含有許多不飽和鍵，有很強的極性，能有效的包裹瀝青質(zhì)，加入到瀝青中后，使瀝青中的極性化合物增多，這樣可有效延緩瀝青質(zhì)發(fā)生凝聚的時間，也就推遲了老化發(fā)生的時間。
２?增粘樹脂屬于膠持的一部分，加入增粘樹脂后，相對來說，瀝青中膠質(zhì)含量就大，對于組分遷移：油分?主要是芳香分?→膠質(zhì)→瀝青質(zhì)，從化學反應平衡來說，也就減緩了油分向膠質(zhì)的遷移。進而推遲老化的發(fā)生。
１．３ 再生劑的合成
再生劑的合成工藝關鍵是增粘樹脂的合成，我們選用的主要原料是１－４丁二烯與丙烯酸脂系列物?主要是丙烯酸甲脂、丙烯酸乙脂等?，在１６０～１７０℃的條件下按一定的比例進行共聚。進而再與輕質(zhì)油份在１００℃左右進行混溶。所選用的輕質(zhì)油分是由幾種粘度低、不易揮發(fā)的輕質(zhì)油混合而成。
２ 再生劑基本性能
２?１ 目前市場上很難找到我國八十年代初生產(chǎn)的再生劑，為與我們研制的再生劑進行比較，通過查閱大量資料，我們也合成了一種輕油型再生劑，即將０號輕柴油和３０號機械油按６０∶４０比例混合，此配比是我國八十年代初曾被廣泛使用的一種再生劑配比，具有一定的代表性。將Ａ型再生劑與此輕油型再生劑分別進行相關性能試驗，結果如表２：
從６０℃的粘度比較，輕油型再生劑比Ａ型再生劑要小得多，這是因為Ａ型再生劑中加入了粘度較大的增粘樹脂。國外許多資料顯示，將再生劑放入薄膜烘箱，在１６３℃、５小時的情況下，再生劑中的輕質(zhì)油分揮發(fā)，同時也發(fā)生了一定程度的組分遷移，向老化方向發(fā)展。對不同的老化程度，試驗后的再生劑出現(xiàn)不同程度的粘度增大、重量減少，所以以試驗前后的粘度比和重量損失率來評價再生劑的抗老化性能。
從表２的試驗結果可看出，Ａ型再生劑的試驗前后粘度比和重量損失率都比輕油型小，所以我們可以說Ａ型再生劑的抗老化性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的輕油型再生劑。
２?２ 再生后的瀝青基本性能
再生劑的功能就是要恢復已老化瀝青的各種性能，將再生劑與老化的瀝青按不同的比例相混合。
從表３可看出，再生劑用量為５％～１１％時，老化瀝青的針入度、軟化點均得到明顯的改善。延度之所以變化不大，可能與所用的老化國產(chǎn)克拉瑪依瀝青的含蠟量偏高有關。
可見再生劑的加入能明顯改善老化瀝青的性能，改善程度與再生劑的摻量有關。
２?３ 再生后的瀝青抗老化性能
分別將Ａ型再生劑和輕油型再生劑按不同比例加入老化瀝青?粘度為４５８ｐａ．ｓ?中，進行薄膜烘箱試驗，試驗結果如表４：
由于輕油型再生劑的粘度比Ａ型再生劑的小許多，所以摻加到老化瀝青中時，使老化瀝青的粘度降低到相同水平，輕油型再生劑的摻加量要比Ａ型再生劑的小。我們試驗時按普通的摻量范圍向老化瀝青中加再生劑。對比薄膜試驗前后的粘度比、針入度比、延度、重量損失率，結果很明顯，摻入了Ａ型再生劑的再生瀝青比摻入輕油型再生劑的再生瀝青抗老化性能要好。
另外，我們將此試驗數(shù)據(jù)與國家規(guī)范相對比，對ＡＨ－７０＃瀝青的抗老化性能規(guī)范中規(guī)定：薄膜烘箱試驗后，質(zhì)量損失０?８％，針入度比５５％，延度?２５℃?５０ｃｍ。對比之下，Ａ型再生劑加入到老化瀝青中后經(jīng)過薄膜烘箱試驗，針入度比和質(zhì)量損失能達到要求，而試驗后的延度比規(guī)范值小，這是因為老化瀝青摻入再生劑后的延度不夠理想?６７～８８ｃｍ?。
從上面的試驗數(shù)據(jù)我們還可看出，用Ａ型再生劑再生的舊瀝青的抗老化性能還是比普通瀝青要差。這是因為再生瀝青中再生劑與舊瀝青的相容性畢竟沒有同基質(zhì)的新瀝青的相容性好。從再生后的老化瀝青的抗老化性能來看，本次開發(fā)的再生劑要優(yōu)于傳統(tǒng)再生劑，但與普通瀝青的抗老化性能尚有差距。
２?４ 再生后的瀝青與新瀝青混合后的基本性能
將加入３％再生劑后的舊瀝青與新ＡＨ７０＃殼牌按不同的比例相混溶，測定基本性能結果如表５：
可以看出，與新瀝青混溶后瀝青性能基本能達到ＡＨ７０＃的指標要求，同時薄膜烘箱試驗后的性能亦能達到要求。
３ 結論
通過本次瀝青路面再生劑的研制開發(fā)，可得出以下結論：
３?１ 我國八十年代的再生劑主要是針對渣油路面再生的，本次開發(fā)的再生劑是針對高等級瀝青路面再生的，填補了這一空白。在保證其它性能的基礎上，通過向油分中混溶增粘樹脂來提高再生劑的抗老化性能，基本解決了我國傳統(tǒng)再生劑的抗老化性能這一弱點，為我國今后再生劑開發(fā)提供了一種新的思路。
３?２ 再生劑開發(fā)中試驗所用的舊瀝青均為同一種瀝青，有其局限性。事實上，再生劑對不同組成的舊瀝青的再生改性作用是不同的，本文所述的再生劑開發(fā)主要是提供一種再生劑開發(fā)的思路，如果具體到大規(guī)模的舊瀝青路面的再生利用，則應根據(jù)舊瀝青的性能有針對性地研制生產(chǎn)實用的再生劑。
３?３ 現(xiàn)在國外許多再生劑的生產(chǎn)是從石油工業(yè)中直接提取樹脂和油分，這種再生劑具有很好的穩(wěn)定性，對我國的再生劑開發(fā)來說是一個很好的途徑。
３?４ 很多國家有再生劑和再生瀝青混合料的質(zhì)量標準，在未來的幾年內(nèi)，隨著我國對再生瀝青路面的重視，應盡快出臺相應的標準。
參考文獻
?1?沈鐘?王果庭?膠體與表面化學?化學工業(yè)出版社1997.9
?2?Ｊ?Ｍ?Ｓｍｉｔｈ著?田福助譯?化工熱力學?世界圖書出版社1990.3
?3?化學工業(yè)部合成材料老化研究所?高分子材料老化與防老化?化學工業(yè)出版社?
４?呂偉民?嚴家汲?瀝青路面再生技術?人民交通出版社．1989
江臣黃曉明
【江蘇省高速公路建設指揮部 南京 210004】【東南大學交通學院 南京210096】
摘 要 本文介紹了再生劑的機理、開發(fā)思路以及所開發(fā)再生劑的性能，與傳統(tǒng)再生劑相比較，所開發(fā)再生劑的基本性能和抗老化性能等方面的特點。
關鍵詞 路面 瀝青 再生劑 研制
瀝青路面的再生利用，能夠節(jié)約大量的瀝青和砂石材料，節(jié)省工程投資，同時有利于處治廢料、節(jié)省能源、保護環(huán)境，因而具有顯著的經(jīng)濟效益和社會、環(huán)境效益。
國外從七十年代石油危機后開始再生劑研制工作，迄今為止，在國外特別是美國已有許多種再生劑應用于路面再生，形成一套比較完整的再生利用技術，并達到標準化的程度。目前國外再生劑正逐步進入我國市場。我國是從八十年代初開始瀝青路面再生利用研究的，當時所研制的再生劑主公路，這項工作至今基本上還處于停滯狀態(tài)。而今一些高等級公路已陸續(xù)進入了維修或改建期，開發(fā)適用于高等級瀝青路面的再生劑這一工作已提到公路工作者的議題。
在東南大學交通學院和常州市化工研究所的合作下，研制出了針對高等級瀝青路面的新型再生劑。
本次研究中所用舊料為寧連路高速化改造工程中的翻挖舊瀝青混合料，路面已使用七年，所用瀝青為克拉瑪依ＡＨ－７０。舊料經(jīng)破碎、用三氯乙烯抽提、高速離心去礦粉、回收等工序后，得到舊瀝青，其基本物理性能與國標ＡＨ７０＃比較如下：
與普通ＡＨ７０＃瀝青比較，舊瀝青的針入度下降、軟化點上升、延度減小。
１ 再生劑的開發(fā)
１．１ 基本思路
從化學組分的角度分析，我們要使老化瀝青恢復原有性能，就要向其中加入一定的分子量小的組分，使組分重新協(xié)調(diào)。資料顯示過去曾有人試圖通過比較舊瀝青組分和優(yōu)質(zhì)瀝青的組分，來決定舊瀝青中應添加的組分，進而找到與這種組分匹配的再生劑，但這種嘗試并沒有成功，其原因是：
１?由于瀝青的化學結構極其復雜，即使化學組分相同的瀝青，因油源基屬及生產(chǎn)工藝不同，其性能也有很大變化。
２?要找到某種固定組分的再生劑，從工藝上來說有相當大的難度，對設備和工藝要求很高，成本亦高。所以必須尋找其它途徑。
我國在八十年代初期所使用的再生劑很多就是一些石油工業(yè)生產(chǎn)出的輕質(zhì)油如潤滑油、柴油、機油、減五油等或者它們的混合物，一些省份用此再生劑鋪筑了許多再生路面。
但是只用輕質(zhì)油分來再改性舊料，實踐證明效果并不是很好。首先，輕質(zhì)油分在自然界風、熱、光等的作用下極易揮發(fā)，其中芳香分易于發(fā)生氧化、縮合、共聚等反應，分子量會很快變大。所以加入的油分并不能長期穩(wěn)定的存在于瀝青中，對混合料性能的改善也只是一個短期行為。其次，對于反應式：油分?主要是芳香分?→膠質(zhì)→瀝青質(zhì)來說，油分的過量加入，會加快這種不可逆反應的進程，也就是起了加速老化的作用。再者，油分與瀝青質(zhì)的溶度參數(shù)相差較大，加入油分后雖能起到降粘的作用，并不能保證形成穩(wěn)定的高分子濃溶液。所以，用輕油再生的舊瀝青混合料其自身的抗老化性能較差，用此混合料鋪成的再生瀝青路面，有效服務期較短，一般２年左右就又趨于老化。
為使加入的油分能穩(wěn)定存在于再生混合料中，必須采取有效措施穩(wěn)定油分。通過大量的試制，我們開發(fā)了一種Ａ型再生劑，它是一種增粘樹脂與輕油相混溶的合成物，實驗證明此種混溶物能有效克服上述缺點。
１?２ 機理分析
如何防止再生劑中的輕油在施工過程中和使用期自然環(huán)境下穩(wěn)定存在于瀝青中而不發(fā)生揮發(fā)和老化，我們采取的主要方法是：讓輕油與所合成的增粘樹脂混溶，以形成一種穩(wěn)定的高分子溶液。
１?瀝青之所以能形成穩(wěn)定的高分子濃溶液，是由于極性化合物與瀝青質(zhì)有較強的結合力，它圍在瀝青質(zhì)的周圍，使瀝青質(zhì)形成一個個分散的小顆粒而不發(fā)生凝聚，進而保持瀝青質(zhì)在芳香分和飽和分中處于懸浮狀態(tài)。
近年來國外大量研究顯示，瀝青在從飽和分、芳香分→膠質(zhì)→瀝青質(zhì)的遷移過程中幾乎不產(chǎn)生極性化合物，而且遷移過程中極性化合物會漸漸變?yōu)榉菢O性化合物，這樣包圍瀝青質(zhì)的極性化合物會越來越少，瀝青質(zhì)就會發(fā)生凝聚，表現(xiàn)為老化特征。我們合成的增粘樹脂其分子本身含有許多不飽和鍵，有很強的極性，能有效的包裹瀝青質(zhì)，加入到瀝青中后，使瀝青中的極性化合物增多，這樣可有效延緩瀝青質(zhì)發(fā)生凝聚的時間，也就推遲了老化發(fā)生的時間。
２?增粘樹脂屬于膠持的一部分，加入增粘樹脂后，相對來說，瀝青中膠質(zhì)含量就大，對于組分遷移：油分?主要是芳香分?→膠質(zhì)→瀝青質(zhì)，從化學反應平衡來說，也就減緩了油分向膠質(zhì)的遷移。進而推遲老化的發(fā)生。
１．３ 再生劑的合成
再生劑的合成工藝關鍵是增粘樹脂的合成，我們選用的主要原料是１－４丁二烯與丙烯酸脂系列物?主要是丙烯酸甲脂、丙烯酸乙脂等?，在１６０～１７０℃的條件下按一定的比例進行共聚。進而再與輕質(zhì)油份在１００℃左右進行混溶。所選用的輕質(zhì)油分是由幾種粘度低、不易揮發(fā)的輕質(zhì)油混合而成。
２ 再生劑基本性能
２?１ 目前市場上很難找到我國八十年代初生產(chǎn)的再生劑，為與我們研制的再生劑進行比較，通過查閱大量資料，我們也合成了一種輕油型再生劑，即將０號輕柴油和３０號機械油按６０∶４０比例混合，此配比是我國八十年代初曾被廣泛使用的一種再生劑配比，具有一定的代表性。將Ａ型再生劑與此輕油型再生劑分別進行相關性能試驗，結果如表２：
從６０℃的粘度比較，輕油型再生劑比Ａ型再生劑要小得多，這是因為Ａ型再生劑中加入了粘度較大的增粘樹脂。國外許多資料顯示，將再生劑放入薄膜烘箱，在１６３℃、５小時的情況下，再生劑中的輕質(zhì)油分揮發(fā)，同時也發(fā)生了一定程度的組分遷移，向老化方向發(fā)展。對不同的老化程度，試驗后的再生劑出現(xiàn)不同程度的粘度增大、重量減少，所以以試驗前后的粘度比和重量損失率來評價再生劑的抗老化性能。
從表２的試驗結果可看出，Ａ型再生劑的試驗前后粘度比和重量損失率都比輕油型小，所以我們可以說Ａ型再生劑的抗老化性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的輕油型再生劑。
２?２ 再生后的瀝青基本性能
再生劑的功能就是要恢復已老化瀝青的各種性能，將再生劑與老化的瀝青按不同的比例相混合。
從表３可看出，再生劑用量為５％～１１％時，老化瀝青的針入度、軟化點均得到明顯的改善。延度之所以變化不大，可能與所用的老化國產(chǎn)克拉瑪依瀝青的含蠟量偏高有關。
可見再生劑的加入能明顯改善老化瀝青的性能，改善程度與再生劑的摻量有關。
２?３ 再生后的瀝青抗老化性能
分別將Ａ型再生劑和輕油型再生劑按不同比例加入老化瀝青?粘度為４５８ｐａ．ｓ?中，進行薄膜烘箱試驗，試驗結果如表４：
由于輕油型再生劑的粘度比Ａ型再生劑的小許多，所以摻加到老化瀝青中時，使老化瀝青的粘度降低到相同水平，輕油型再生劑的摻加量要比Ａ型再生劑的小。我們試驗時按普通的摻量范圍向老化瀝青中加再生劑。對比薄膜試驗前后的粘度比、針入度比、延度、重量損失率，結果很明顯，摻入了Ａ型再生劑的再生瀝青比摻入輕油型再生劑的再生瀝青抗老化性能要好。
另外，我們將此試驗數(shù)據(jù)與國家規(guī)范相對比，對ＡＨ－７０＃瀝青的抗老化性能規(guī)范中規(guī)定：薄膜烘箱試驗后，質(zhì)量損失０?８％，針入度比５５％，延度?２５℃?５０ｃｍ。對比之下，Ａ型再生劑加入到老化瀝青中后經(jīng)過薄膜烘箱試驗，針入度比和質(zhì)量損失能達到要求，而試驗后的延度比規(guī)范值小，這是因為老化瀝青摻入再生劑后的延度不夠理想?６７～８８ｃｍ?。
從上面的試驗數(shù)據(jù)我們還可看出，用Ａ型再生劑再生的舊瀝青的抗老化性能還是比普通瀝青要差。這是因為再生瀝青中再生劑與舊瀝青的相容性畢竟沒有同基質(zhì)的新瀝青的相容性好。從再生后的老化瀝青的抗老化性能來看，本次開發(fā)的再生劑要優(yōu)于傳統(tǒng)再生劑，但與普通瀝青的抗老化性能尚有差距。
２?４ 再生后的瀝青與新瀝青混合后的基本性能
將加入３％再生劑后的舊瀝青與新ＡＨ７０＃殼牌按不同的比例相混溶，測定基本性能結果如表５：
可以看出，與新瀝青混溶后瀝青性能基本能達到ＡＨ７０＃的指標要求，同時薄膜烘箱試驗后的性能亦能達到要求。
３ 結論
通過本次瀝青路面再生劑的研制開發(fā)，可得出以下結論：
３?１ 我國八十年代的再生劑主要是針對渣油路面再生的，本次開發(fā)的再生劑是針對高等級瀝青路面再生的，填補了這一空白。在保證其它性能的基礎上，通過向油分中混溶增粘樹脂來提高再生劑的抗老化性能，基本解決了我國傳統(tǒng)再生劑的抗老化性能這一弱點，為我國今后再生劑開發(fā)提供了一種新的思路。
３?２ 再生劑開發(fā)中試驗所用的舊瀝青均為同一種瀝青，有其局限性。事實上，再生劑對不同組成的舊瀝青的再生改性作用是不同的，本文所述的再生劑開發(fā)主要是提供一種再生劑開發(fā)的思路，如果具體到大規(guī)模的舊瀝青路面的再生利用，則應根據(jù)舊瀝青的性能有針對性地研制生產(chǎn)實用的再生劑。
３?３ 現(xiàn)在國外許多再生劑的生產(chǎn)是從石油工業(yè)中直接提取樹脂和油分，這種再生劑具有很好的穩(wěn)定性，對我國的再生劑開發(fā)來說是一個很好的途徑。
３?４ 很多國家有再生劑和再生瀝青混合料的質(zhì)量標準，在未來的幾年內(nèi)，隨著我國對再生瀝青路面的重視，應盡快出臺相應的標準。
參考文獻
?1?沈鐘?王果庭?膠體與表面化學?化學工業(yè)出版社1997.9
?2?Ｊ?Ｍ?Ｓｍｉｔｈ著?田福助譯?化工熱力學?世界圖書出版社1990.3
?3?化學工業(yè)部合成材料老化研究所?高分子材料老化與防老化?化學工業(yè)出版社?
４?呂偉民?嚴家汲?瀝青路面再生技術?人民交通出版社．1989
