2022-09-14
 
沥青混合料再生技术研究进展
2022年09月14日   阅读量:22965

摘要:再生沥青混合料由于能够实现资源的循环利用,具有节能减排的突出优势,成为目前公路领域的研究热点。由于回收沥青路面(RAP)具有较高的黏度和刚度,其在沥青路面中大量使用会导致路面结构出现疲劳破坏、低温开裂等早期病害,从而影响沥青路面的耐久性。为了克服这一问题,通常使用再生剂将老化沥青的性能恢复到与原始沥青相似的状态沥青网sinoasphalt.com。再生剂通过组分调合机理和高分子溶液相容性机理可以恢复老化沥青的流变特性,改善再生沥青混合料的路用性能,从而实现 RAP 料大规模使用,提高经济效益和生态效益。研究综述了沥青路面的再生机理,对再生剂的种类和研究进展进行了概况,对含有不同掺量 RAP料的再生沥青混合料的路用性能进行了总结,探究了再生剂对高 RAP 掺量的沥青混合料性能的影响规律,最后对再生沥青混合料的发展进行了展望。


关键词:沥青 回收沥青路面 老化沥青 再生剂 再生机理


沥青路面经过多年的使用,在热氧和紫外线辐射的共同作用下,不可避免地会出现老化问题,严重影响了沥青路面的使用性能及寿命。沥青发生老化后,如果路用性能满足不了行车荷载需求,就需要对沥青路面进行翻修。这不仅会造成资源浪费,而且还会造成环境污染。而对老化后的沥青进行再生重复利用,是解决这一问题的最有效途径,其中沥青混合料的再生技术是当今世界上应用最广泛的沥青路面再生方法。使用再生沥青混合料不但可以降低生产成本,而且能够节约日益减少的自然资源和保护生态环境。然而,在再生沥青混合料中大量使用 RAP 料是目前面临的一大挑战,因为 RAP 料中含有大量的老化沥青,与原始沥青混合料相比,再生沥青混合料具有更高的黏度和刚度,其工作性通常较差,难以在现场压实,并且容易出现开裂、松散和其它与耐久性相关的路面病害,从而降低路面的使用寿命。以往的研究表明,再生剂的加入可以使老化的沥青恢复到与原始沥青相似的状态,从而降低再生沥青混合料的刚度,使再生沥青混合料具有更好的路用性能 [1]。本文旨在对再生剂和 RAP 料在再生沥青混合料中的应用进行综述。首先介绍沥青路面的再生机理,然后介绍再生剂的研究进展,最后对含有高 RAP 掺量的再生沥青混合料的路用性能进行总结,并探究再生剂对高RAP 掺量的再生沥青混合料性能的影响规律。


1 沥青的再生机理

沥青主要来源于石油,是一种具有复杂化学结构的有机材料,具有溶解和沉淀等热力学可逆过程性质,这种性质决定了其老化行为和再生行为是非常复杂的。沥青的老化不仅与光和氧气有关,还包括组分上的迁移变化。随老化时间的延长,小分子量的化合物逐步向大分子量的化合物转化,即 :芳香分→胶质→沥青质的转化过程,各个组分变得不协调,胶体结构发生变化,从而导致沥青的性能变差。研究表明,沥青只有在其四组分之间存在适宜的定量关系时才具有良好的路用性能 [2]。从化学角度看,再生是沥青老化的逆过程,再生剂可以用来调整沥青的化学组成以实现沥青组分的协调和平衡,使老化后的沥青恢复到原始使用状态。以往的研究表明,沥青再生机理主要包括组分调合理论和高分子溶液相容性理论[3]。其中,组分调合理论是将老化沥青的组成与原始沥青进行对比,在老化沥青中加入损失的组分以协调沥青中各组分的含量,使沥青体系处于相对稳定的状态 ;高分子溶液相容性理论是将沥青区别为以大分子沥青质为溶质和以软沥青质为溶剂两个部分,通过调节减小老化沥青中软沥青质和沥青质溶解度参数的差值,从而形成稳定性强的高分子溶液体系。


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沥青再生剂是一种主要由饱和分和芳香分组成的含有大量轻质组分的物质,在沥青混合料的再生过程中,再生剂所起到的作用主要是与旧沥青间各组分发生重新分配,并吸附、溶解沥青质和胶质,调合沥青组成及其流动性,从而改善老化沥青的使用性能。


再生剂的作用机理主要取决于三个关键因素 :(1)原始沥青、再生沥青和再生剂在沥青混合料中的分散 ;(2)再生剂在再生沥青中的扩散 ;(3)原始沥青、再生沥青和再生剂三者之间的相容性。分散是由物理过程引起的混合,通过机械搅拌作用,再生剂在沥青混合料中的原始沥青和再生沥青之间分散均匀。一般而言,分散程度是拌和时间的函数,拌和时间越长,分散效果越好。扩散是一种物质从较高浓度移动到较低浓度的过程,当再生剂与再生沥青混合料直接接触时,由于扩散机制,老化的沥青容易迅速吸收再生剂中易扩散的烃类物质。


Carpenter 和 Wolosick[4] 经过研究发现,再生剂一般通过以下步骤扩散到老化的沥青中 :首先再生剂包围在再生沥青混合料中老化沥青的周围,其次再生剂从老化沥青的外层向内层扩散,使再生沥青混合料的内层黏度降低、外层黏度增加,最后经过一定时间后趋于均衡。整个扩散过程发生在拌和、施工和施工后的一段时间内。Ma 等 [5] 为了验证这种扩散机制,使用三氯乙烯对再生沥青混合料进行抽提,并对得到的内外层沥青进行 DSR 试验,结果显示再生沥青外层的车辙因子远小于内层的车辙因子,表明再生剂的扩散没有达到平衡。为了估计何时达到平衡,Wang 等 [6] 利用图像分析了再生沥青混合料中的沥青覆盖区域和未覆盖区域,结果表明 :8 h 足以实现再生剂的最佳扩散。Oliver 和 Nam Tran 等 [7,8] 分别研究了温度和再生剂的添加顺序对再生剂扩散速度的影响,结果表明 :随着拌和和压实温度的提高,再生剂的扩散速度逐渐加快 ;与向老化沥青中加入再生剂相比,将再生剂直接与 RAP 料进行混合预计会有更好的扩散效果。


2 再生剂的类型

目前研究最多的再生剂可分为石油类和植物油类两大类,废植物油、地沟油、废机油等都可以当作再生剂来使用。郑军等 [9] 观察到使用废食用油作为再生剂可以有效降低沥青中含氧官能团的含量,但是废食用油酯化后形成了亲水结构,导致再生沥青比原始沥青的水敏感性更高。张遥等 [10] 发现通过柑橘提取出来的色素、香精果胶、生物类黄酮等有机物中的饱和组分和芳香组分符合沥青再生剂的成分要求,对沥青混合料的再生有很大帮助。Yu 等 [11] 通过研究芳香提取物的再生作用,发现应用芳烃的再生沥青比添加相同比例的植物油的再生沥青的流变性能恢复率要低。


3 再生剂对沥青和混合料性能的影响

由于再生沥青和原始沥青在一定温度下的部分混合产生了非常复杂的沥青体系,因此大多数情况下 RAP 料的掺入对沥青混合料的性能有不利影响。许多研究表明,含有 RAP 料的沥青混合料刚度较高,抗裂性能变差,更容易产生疲劳和开裂。Zhu 等 [12] 评价了不同 RAP 料掺量的沥青混合料的路用性能,结果表明 :随着 RAP 料掺量的增加,沥青混合料的低温性能和抗疲劳性能逐渐降低。与普遍认为的相反,Pradyumna 等 [13] 发 现 使 用 20% 掺 量 的 RAP 料可以改善沥青混合料的疲劳性能,与对照组沥青混合料相比,再生沥青混合料的疲劳寿命平均提高了 67.2%。


但是,也有研究认为 RAP 料的掺入使再生沥青混合料具有更好的抗剥离性和路面塑性变形抵抗力。由于 RAP 料中的矿料已经涂上了一层沥青,使得水很难在 RAP 料中渗透,因此再生沥青混合料比传统的沥青混合料更耐剥离。Mogawer 等 [14] 研究发现,40%RAP 料掺量的沥青混合料比原始沥青混合料具有更好的水稳定性。H Arshad 等 [15] 逐渐将 RAP 料掺量从 0% 提高到 100%,结果表明 :马歇尔稳定度随 RAP料含量线性增加,RAP 料掺量为 100% 的再生沥青混合料的马歇尔稳定度值比未加 RAP 料的对照组提高了一倍。Kumari 等 [16] 研究发现,粗RAP 料和细 RAP 料按照一定比例进行混合也可以线性提高马歇尔稳定度。这表明选择合适的RAP 料掺量是非常重要的,在保证再生沥青混合料性能的前提下,可以节约成本和保护环境。

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然而,为了实现 RAP 料的大规模应用,又不影响沥青混合料的性能,需要在 RAP 料中添加再生剂来实现。由于再生剂可以改善沥青的流动性,使沥青形成更为稳定的胶体结构,因此加入再生剂后再生沥青和沥青混合料的路用性能相比之前有一定的提高。Mogawer 等 [17] 评价了三种不同的再生剂对高 RAP 料掺量的沥青混合料性能的影响,结果表明 :再生沥青混合料的疲劳性能相比于原始沥青混合料有所改善,并且使用再生剂会导致沥青混合料的空隙率降低,这是再生剂在沥青中的扩散作用所引起的。此外,使用再生剂可以提高沥青混合料的低温抗裂性能,且对高温性能和水稳定性影响不大。Kuang 等 [18] 研究了高芳香烃含量的轻质油(普通再生剂)与含极性化合物的复配油(复合再生剂)对老化沥青的性能和微观结构的影响,结果表明 :通过沥青与两种再生剂之间的组分调合作用,再生剂可以有效地恢复老化沥青的胶体结构,从而达到对严重老化沥青再生的目的。但是,虽然普通再生剂能够恢复老化沥青的流变性能,效果却远低于复合再生剂。Mogawer 等 [19] 研究了三种再生剂在 50%RAP 料掺量的沥青混合料中的使用效果,研究结果表明 :各种类型的再生剂对沥青混合料的疲劳性能均有明显的改善,再生沥青混合料除了具有较好的疲劳性能外,还具有较低的强度、刚度和较高的蠕变速率。


4 结论与展望

沥青路面的老化会引起沥青混合料路用性能的降低,沥青混合料再生技术已经逐步成为解决这一问题的有效方法。本文综述了沥青的再生机理、再生剂的作用机理以及 RAP 料对沥青混合料路用性能的影响,为进一步开展再生技术奠定了良好的基础。基于对本文的回顾可以得出以下结论 :


a)沥青的再生是老化的逆过程,再生机理主要由组分调合理论和相溶性理论组成,从根本上都是对沥青四组分之间定量关系的研究,以重新实现四组分的协调和平衡。


b)沥青的再生,取决于再生剂在沥青混合料中的分散和扩散过程,以及再生剂与沥青的相容性。再生剂应适当地扩散到原始沥青和老化沥青中,并且均匀地分散在整个沥青混合料中。除此之外,沥青混合料的拌和和压实温度以及再生剂的添加顺序都对扩散和分散速度有一定的影响。


c)与普通沥青混合料相比,含有 RAP 料的再生沥青混合料的疲劳性能和低温抗裂性能较差,并且随着 RAP 料掺量的增加,沥青混合料的低温性能和抗疲劳性能逐渐降低。而近年来各种再生剂被陆续研发,大部分再生剂可以有效改善老化沥青的流变性能,并提高沥青混合料的低温性能和疲劳性能,因此再生剂是实现RAP 料大规模使用的有效途径。


参考文献:略

来源:《石油沥青》  2020年第4期

作者:任瑞波 范文淼 冯美军 徐强 赵品晖

山东建筑大学交通工程学院 齐鲁交通材料技术开发有限公司


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