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高等级公路沥青路面再生剂的研制

江臣黄晓明

【江苏省高速公路建设指挥部　南京　210004】【东南大学交通学院　南京210096】

　

摘　要　本文介绍了再生剂的机理、开发思路以及所开发再生剂的性能，与传统再生剂相比较，所开发再生剂的基本性能和抗老化性能等方面的特点。
关键词　路面　沥青　再生剂　研制

　　沥青路面的再生利用，能够节约大量的沥青和砂石材料，节省工程投资，同时有利于处治废料、节省能源、保护环境，因而具有显著的经济效益和社会、环境效益。
国外从七十年代石油危机后开始再生剂研制工作，迄今为止，在国外特别是美国已有许多种再生剂应用于路面再生，形成一套比较完整的再生利用技术，并达到标准化的程度。目前国外再生剂正逐步进入我国市场。我国是从八十年代初开始沥青路面再生利用研究的，当时所研制的再生剂主公路，这项工作至今基本上还处于停滞状态。而今一些高等级公路已陆续进入了维修或改建期，开发适用于高等级沥青路面的再生剂这一工作已提到公路工作者的议题。
在东南大学交通学院和常州市化工研究所的合作下，研制出了针对高等级沥青路面的新型再生剂。
　　本次研究中所用旧料为宁连路高速化改造工程中的翻挖旧沥青混合料，路面已使用七年，所用沥青为克拉玛依ＡＨ－７０。旧料经破碎、用三氯乙烯抽提、高速离心去矿粉、回收等工序后，得到旧沥青，其基本物理性能与国标ＡＨ７０＃比较如下：
　　与普通ＡＨ７０＃沥青比较，旧沥青的针入度下降、软化点上升、延度减小。
１　再生剂的开发
１．１　基本思路
从化学组分的角度分析，我们要使老化沥青恢复原有性能，就要向其中加入一定的分子量小的组分，使组分重新协调。资料显示过去曾有人试图通过比较旧沥青组分和优质沥青的组分，来决定旧沥青中应添加的组分，进而找到与这种组分匹配的再生剂，但这种尝试并没有成功，其原因是：
１?由于沥青的化学结构极其复杂，即使化学组分相同的沥青，因油源基属及生产工艺不同，其性能也有很大变化。
２?要找到某种固定组分的再生剂，从工艺上来说有相当大的难度，对设备和工艺要求很高，成本亦高。所以必须寻找其它途径。
我国在八十年代初期所使用的再生剂很多就是一些石油工业生产出的轻质油如润滑油、柴油、机油、减五油等或者它们的混合物，一些省份用此再生剂铺筑了许多再生路面。
但是只用轻质油分来再改性旧料，实践证明效果并不是很好。首先，轻质油分在自然界风、热、光等的作用下极易挥发，其中芳香分易于发生氧化、缩合、共聚等反应，分子量会很快变大。所以加入的油分并不能长期稳定的存在于沥青中，对混合料性能的改善也只是一个短期行为。其次，对于反应式：油分?主要是芳香分?→胶质→沥青质来说，油分的过量加入，会加快这种不可逆反应的进程，也就是起了加速老化的作用。再者，油分与沥青质的溶度参数相差较大，加入油分后虽能起到降粘的作用，并不能保证形成稳定的高分子浓溶液。所以，用轻油再生的旧沥青混合料其自身的抗老化性能较差，用此混合料铺成的再生沥青路面，有效服务期较短，一般２年左右就又趋于老化。
为使加入的油分能稳定存在于再生混合料中，必须采取有效措施稳定油分。通过大量的试制，我们开发了一种Ａ型再生剂，它是一种增粘树脂与轻油相混溶的合成物，实验证明此种混溶物能有效克服上述缺点。
１?２　机理分析
如何防止再生剂中的轻油在施工过程中和使用期自然环境下稳定存在于沥青中而不发生挥发和老化，我们采取的主要方法是：让轻油与所合成的增粘树脂混溶，以形成一种稳定的高分子溶液。
１?沥青之所以能形成稳定的高分子浓溶液，是由于极性化合物与沥青质有较强的结合力，它围在沥青质的周围，使沥青质形成一个个分散的小颗粒而不发生凝聚，进而保持沥青质在芳香分和饱和分中处于悬浮状态。
近年来国外大量研究显示，沥青在从饱和分、芳香分→胶质→沥青质的迁移过程中几乎不产生极性化合物，而且迁移过程中极性化合物会渐渐变为非极性化合物，这样包围沥青质的极性化合物会越来越少，沥青质就会发生凝聚，表现为老化特征。我们合成的增粘树脂其分子本身含有许多不饱和键，有很强的极性，能有效的包裹沥青质，加入到沥青中后，使沥青中的极性化合物增多，这样可有效延缓沥青质发生凝聚的时间，也就推迟了老化发生的时间。
２?增粘树脂属于胶持的一部分，加入增粘树脂后，相对来说，沥青中胶质含量就大，对于组分迁移：油分?主要是芳香分?→胶质→沥青质，从化学反应平衡来说，也就减缓了油分向胶质的迁移。进而推迟老化的发生。
１．３　再生剂的合成
　　再生剂的合成工艺关键是增粘树脂的合成，我们选用的主要原料是１－４丁二烯与丙烯酸脂系列物?主要是丙烯酸甲脂、丙烯酸乙脂等?，在１６０～１７０℃的条件下按一定的比例进行共聚。进而再与轻质油份在１００℃左右进行混溶。所选用的轻质油分是由几种粘度低、不易挥发的轻质油混合而成。
２　再生剂基本性能
２?１　目前市场上很难找到我国八十年代初生产的再生剂，为与我们研制的再生剂进行比较，通过查阅大量资料，我们也合成了一种轻油型再生剂，即将０号轻柴油和３０号机械油按６０∶４０比例混合，此配比是我国八十年代初曾被广泛使用的一种再生剂配比，具有一定的代表性。将Ａ型再生剂与此轻油型再生剂分别进行相关性能试验，结果如表２：
从６０℃的粘度比较，轻油型再生剂比Ａ型再生剂要小得多，这是因为Ａ型再生剂中加入了粘度较大的增粘树脂。国外许多资料显示，将再生剂放入薄膜烘箱，在１６３℃、５小时的情况下，再生剂中的轻质油分挥发，同时也发生了一定程度的组分迁移，向老化方向发展。对不同的老化程度，试验后的再生剂出现不同程度的粘度增大、重量减少，所以以试验前后的粘度比和重量损失率来评价再生剂的抗老化性能。
从表２的试验结果可看出，Ａ型再生剂的试验前后粘度比和重量损失率都比轻油型小，所以我们可以说Ａ型再生剂的抗老化性能要优于传统的轻油型再生剂。
２?２　再生后的沥青基本性能
再生剂的功能就是要恢复已老化沥青的各种性能，将再生剂与老化的沥青按不同的比例相混合。
　　从表３可看出，再生剂用量为５％～１１％时，老化沥青的针入度、软化点均得到明显的改善。延度之所以变化不大，可能与所用的老化国产克拉玛依沥青的含蜡量偏高有关。
可见再生剂的加入能明显改善老化沥青的性能，改善程度与再生剂的掺量有关。
２?３　再生后的沥青抗老化性能
分别将Ａ型再生剂和轻油型再生剂按不同比例加入老化沥青?粘度为４５８ｐａ．ｓ?中，进行薄膜烘箱试验，试验结果如表４：
　　由于轻油型再生剂的粘度比Ａ型再生剂的小许多，所以掺加到老化沥青中时，使老化沥青的粘度降低到相同水平，轻油型再生剂的掺加量要比Ａ型再生剂的小。我们试验时按普通的掺量范围向老化沥青中加再生剂。对比薄膜试验前后的粘度比、针入度比、延度、重量损失率，结果很明显，掺入了Ａ型再生剂的再生沥青比掺入轻油型再生剂的再生沥青抗老化性能要好。
另外，我们将此试验数据与国家规范相对比，对ＡＨ－７０＃沥青的抗老化性能规范中规定：薄膜烘箱试验后，质量损失０?８％，针入度比５５％，延度?２５℃?５０ｃｍ。对比之下，Ａ型再生剂加入到老化沥青中后经过薄膜烘箱试验，针入度比和质量损失能达到要求，而试验后的延度比规范值小，这是因为老化沥青掺入再生剂后的延度不够理想?６７～８８ｃｍ?。
从上面的试验数据我们还可看出，用Ａ型再生剂再生的旧沥青的抗老化性能还是比普通沥青要差。这是因为再生沥青中再生剂与旧沥青的相容性毕竟没有同基质的新沥青的相容性好。从再生后的老化沥青的抗老化性能来看，本次开发的再生剂要优于传统再生剂，但与普通沥青的抗老化性能尚有差距。
２?４　再生后的沥青与新沥青混合后的基本性能
将加入３％再生剂后的旧沥青与新ＡＨ７０＃壳牌按不同的比例相混溶，测定基本性能结果如表５：
可以看出，与新沥青混溶后沥青性能基本能达到ＡＨ７０＃的指标要求，同时薄膜烘箱试验后的性能亦能达到要求。
３　结论
通过本次沥青路面再生剂的研制开发，可得出以下结论：
３?１　我国八十年代的再生剂主要是针对渣油路面再生的，本次开发的再生剂是针对高等级沥青路面再生的，填补了这一空白。在保证其它性能的基础上，通过向油分中混溶增粘树脂来提高再生剂的抗老化性能，基本解决了我国传统再生剂的抗老化性能这一弱点，为我国今后再生剂开发提供了一种新的思路。
３?２　再生剂开发中试验所用的旧沥青均为同一种沥青，有其局限性。事实上，再生剂对不同组成的旧沥青的再生改性作用是不同的，本文所述的再生剂开发主要是提供一种再生剂开发的思路，如果具体到大规模的旧沥青路面的再生利用，则应根据旧沥青的性能有针对性地研制生产实用的再生剂。
３?３　现在国外许多再生剂的生产是从石油工业中直接提取树脂和油分，这种再生剂具有很好的稳定性，对我国的再生剂开发来说是一个很好的途径。
３?４　很多国家有再生剂和再生沥青混合料的质量标准，在未来的几年内，随着我国对再生沥青路面的重视，应尽快出台相应的标准。
参考文献
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?2?Ｊ?Ｍ?Ｓｍｉｔｈ著?田福助译?化工热力学?世界图书出版社1990.3
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４?吕伟民?严家汲?沥青路面再生技术?人民交通出版社．1989