李 進(jìn), 王金鳳, 徐 萌, 張小英, 張玉貞

(1.中國石油大學(xué)(華東)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東東營(yíng)257061; 2.中海油氣開發(fā)利用公司,北京100010)

再生劑對(duì)再生瀝青感溫性的影響

李 進(jìn)1, 王金鳳2, 徐 萌1, 張小英1, 張玉貞1

(1.中國石油大學(xué)(華東)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東東營(yíng)257061; 2.中海油氣開發(fā)利用公司,北京100010)

通過3種再生劑對(duì)老化瀝青進(jìn)行再生實(shí)驗(yàn),用針入度指數(shù)和粘溫指數(shù)對(duì)再生瀝青感溫性進(jìn)行評(píng)價(jià)并討論再生劑的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,再生瀝青在低溫和中高溫區(qū)的感溫性均好于原料瀝青,其中再生劑C再生的再生瀝青感溫性較好;3種再生劑對(duì)再生瀝青中溫區(qū)的感溫性影響無明顯規(guī)律,再生劑增加了老化瀝青的感溫性;再生劑A對(duì)再生瀝青的高溫區(qū)感溫性有所降低,而再生劑B和C則略有增加。結(jié)合再生劑組分分析數(shù)據(jù)得出飽和分能降低瀝青的高溫區(qū)感溫性,而芳香分則增加瀝青的高溫區(qū)感溫性。

再生劑; 感溫性; 再生瀝青; 針入度指數(shù); 粘溫指數(shù)

瀝青材料的感溫性是其重要的流變性之一,瀝青路面的一些重要性質(zhì)指標(biāo)與瀝青感溫性密切相關(guān),如高溫抗車轍、低溫抗開裂和耐久性等[1-3]。感溫性就是瀝青的粘度或稠度隨溫度變化而變化的程度,不同類型的瀝青對(duì)溫度的敏感性不同。目前,瀝青感溫性評(píng)價(jià)指標(biāo)普遍采用的有針入度指數(shù)(PenetrationIndex,PI)、針入度 -粘度數(shù)(Pen-VisNumber,PVN)、粘 溫 指 數(shù) (Viscosity Temperature Susceptibility,VTS)和等級(jí)指數(shù)等[4-7]。瀝青隨老化程度的加深,針入度指數(shù)增加,瀝青感溫性有所降低,但減弱了瀝青的耐低溫能力[8-9]。

路面廢舊瀝青混合料的回收利用,不僅可以節(jié)約資源、降低筑路成本,而且能有效地減少固體廢棄物排放,保護(hù)環(huán)境。老化瀝青感溫性的恢復(fù)可以通過加入再生劑實(shí)現(xiàn)。不同再生劑對(duì)再生瀝青的感溫性影響的研究報(bào)道較少,本文通過研究不同再生劑對(duì)再生瀝青的感溫性作用規(guī)律,以便為選擇合適的再生劑提供指導(dǎo)。

1 瀝青感溫性表征

荷蘭學(xué)者Pfeiffer JP等[4]于1936年提出瀝青針入度指數(shù)的概念。在針入度試驗(yàn)中,貫入時(shí)間和載荷一定時(shí),將不同溫度下測(cè)定的瀝青針入度的對(duì)數(shù)值作圖,則瀝青針入度對(duì)數(shù)值與溫度一般呈線性關(guān)系,關(guān)系式如下:

式中:P—實(shí)測(cè)針入度值,0.1 mm;

T—測(cè)定時(shí)的溫度,℃;

A—直線斜率;

K—直線截距。

直線的斜率 A可表征瀝青針入度的對(duì)數(shù)值隨溫度的變化,將其代入PI計(jì)算公式(2)。

PI值越低,瀝青材料感溫性質(zhì)越差。若 PI值低于-2時(shí)表示瀝青具有高度的感溫性。

大量試驗(yàn)結(jié)果表明,大部分瀝青可以假定在軟化點(diǎn)時(shí)的針入度為800(0.1 mm),大部分瀝青在弗拉斯(Fraass)脆點(diǎn)時(shí)的針入度約為1.2(0.1 mm),故分別采用25℃針入度與 TR&B和 TFraass時(shí)的針入度計(jì)算出針入度的對(duì)數(shù)值隨溫度的變化系數(shù)A[10]。計(jì)算公式分別見式(3)和(4)。

式中:P25—在25℃和100 g載荷下貫入時(shí)間為5 s的瀝青針入度值,0.1 mm;

TR&B—環(huán)球法測(cè)定的軟化點(diǎn),℃。

式中:TFraass—弗拉斯(Fraass)脆點(diǎn),℃。

用公式(3)和(4)計(jì)算出針入度溫度系數(shù) A,將A代入公式(2)計(jì)算出相應(yīng)的PI值并分別評(píng)價(jià)瀝青的高溫區(qū)和低溫區(qū)感溫性,并對(duì)瀝青的PI值提出最小值的要求[11-12]。

由于瀝青軟化點(diǎn)一般在50℃左右,用25℃和TR&B兩個(gè)溫度點(diǎn)的針入度表征瀝青60℃以上的高溫區(qū)感溫性是不太合理的。對(duì)于大部分瀝青而言,在60℃時(shí)已經(jīng)為牛頓流體,粘度值不隨剪切速率的變化而變化[13],所以使用Brookfield旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)試瀝青在高溫區(qū)的粘度,并采用ASTM 2493推薦使用的Walther與Saal的簡(jiǎn)化式回歸得到粘溫曲線斜率,用以表征瀝青在高溫區(qū)的感溫性。計(jì)算公式見(5)。

式中:η—粘度,Pa·s;

T—溫度,K。

粘溫曲線斜率表示粘度雙對(duì)數(shù)隨溫度對(duì)數(shù)變化的斜率,用VTS表示。粘溫指數(shù)越小表示瀝青材料感溫性越小;反之,粘溫指數(shù)越大,溫度敏感性越大。本文用PI表征瀝青低溫區(qū)(<0℃)、中溫區(qū)(0～30℃)和中高溫區(qū)(30～60℃)感溫性;用VTS表征瀝青高溫區(qū)(>60℃)感溫性。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

原料瀝青選用X、Y和Z,3種瀝青和再生劑分A、B和C的性質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1。

表1 3種瀝青和再生劑的性質(zhì)數(shù)據(jù)Table 1 Properties of three asphalts and three rejuvenators

表1中瀝青X和Y為同一原油生產(chǎn),只是針入度等級(jí)不同;瀝青X和Z為不同原油生產(chǎn),但針入度等級(jí)相同。再生劑A的比重、粘度和閃點(diǎn)較低,飽和分含量較高。再生劑C和B的芳香分含量都較高,而再生劑C不含瀝青質(zhì),再生劑B的瀝青質(zhì)高于其它兩種再生劑。

2.2 再生瀝青樣品制備

老化瀝青分別加入再生劑A、B、C和作為軟化劑的瀝青 Y進(jìn)行再生。再生瀝青中老化瀝青、再生劑和瀝青 Y的添加量是以原料瀝青60℃粘度值(±40 Pa·s)為目標(biāo)粘度,根據(jù)美國材料協(xié)會(huì)ASTM D4887推薦的公式計(jì)算和實(shí)測(cè)粘度對(duì)配比關(guān)系進(jìn)行調(diào)整[14],計(jì)算公式見公式(6)和(7)。

式中:xas—老化瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù);

xra—再生劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù);

ηm—再生瀝青的粘度值,mPa·s;

ηas—老化瀝青的粘度值,mPa·s;

ηra—再生劑的粘度值,mPa·s。

2.3 實(shí)驗(yàn)儀器

P877旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(美國Normalab Analis公司),滿足 ASTM D2872規(guī)范。Model 9300 PAV System壓力老化儀(美國Alloy Fabricators公司)。

3 結(jié)果與討論

3.1 針入度指數(shù)分析

用公式(1)對(duì)瀝青針入度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并用公式(2)計(jì)算 PI值。原料瀝青和老化瀝青在15、25、30℃時(shí)的針入度和PI值數(shù)據(jù)見表2。再生瀝青在這3個(gè)溫度下的針入度和PI值數(shù)據(jù)見表3。

由表2可知,老化瀝青在15、25、30℃時(shí)的針入度與原料瀝青相比大幅降低,且溫度越高針入度變化數(shù)值越大。從針入度指數(shù)的計(jì)算結(jié)果看出,老化瀝青與對(duì)應(yīng)的原料瀝青相比,針入度指數(shù)都是增大的。因此,老化瀝青在中溫時(shí)的感溫性優(yōu)于原料瀝青。

從表3看出,將25℃時(shí)再生瀝青與老化瀝青針入度進(jìn)行對(duì)比,可以看出再生瀝青的針入度得到不同程度的恢復(fù)。3種再生劑對(duì)再生瀝青的針入度指數(shù)的影響無明顯規(guī)律。再生瀝青的針入度指數(shù)與原料瀝青相比基本恢復(fù),除Z(B)外均略高于原料瀝青,所以大多數(shù)的再生瀝青在中溫區(qū)的感溫性要好于原料瀝青。

表2 原料瀝青和老化瀝青的針入度和PI值Table 2 Penetration and PI values of asphalt materials and aged asphalts

表3 再生瀝青的針入度和PI值Table 3 Penetration and PI values of recycled asphalts

瀝青低溫區(qū)和中高溫區(qū)感溫性也用針入度指數(shù)來表征。通過公式(4)和(2)計(jì)算出瀝青低溫區(qū) PI值。瀝青中高溫區(qū)PI值通過公式(2)和(3)計(jì)算,樣品25℃針入度、弗拉斯脆點(diǎn)、軟化點(diǎn)和低溫與中高溫區(qū)PI值見表4。

由表4可見,老化瀝青中高溫和低溫區(qū)PI值均高于原料瀝青,所以老化瀝青的感溫性能好于原料瀝青。老化瀝青的弗拉斯脆點(diǎn)均比原料瀝青的高,其中老化瀝青Z′上升幅度最大,其升幅為6.2℃。因此,老化瀝青在低溫時(shí)的抗裂性和耐久性變差。老化瀝青軟化點(diǎn)都高于原料瀝青,所以其高溫穩(wěn)定性好于原料瀝青。再生瀝青與原料瀝青相比,弗拉斯脆點(diǎn)和軟化點(diǎn)都有不同程度的恢復(fù);再生瀝青在中高溫和低溫區(qū)PI值均有不同程度的恢復(fù),低溫區(qū)PI值除再生瀝青 Y(A)和Z(A)外,其余再生瀝青PI值均大于-1.0;中高溫區(qū)PI值除再生瀝青Z(A)和X(B)外,其余再生瀝青PI值大于-1.0。在中高溫和低溫區(qū),用再生劑C再生的瀝青 PI值均大于-1.0,所以用再生劑C再生的再生瀝青感溫性較好。

表4 樣品低溫與中高溫區(qū)PI值Table 4 Samples’PI of lowand middle-high temperature zones

3.2 粘溫性質(zhì)分析

在90、100、110、120℃4個(gè)溫度下對(duì)瀝青、老化瀝青和再生瀝青進(jìn)行粘度測(cè)定。粘度數(shù)據(jù)按公式(5)進(jìn)行計(jì)算,瀝青和老化瀝青粘溫曲線見圖1,再生瀝青的粘溫曲線分別見圖2-4。

Fig.1 Viscosity and temperature graph of three asphalts and aged asphalts圖1 3種瀝青與老化瀝青的粘溫關(guān)系

由圖1可知,瀝青X、Y和Z的粘溫曲線斜率值分別為3.526 4、3.534 1和3.535 9,相應(yīng)的老化瀝青粘溫曲線斜率值為3.544 3、3.569 2和3.527 3。老化瀝青較小,所以老化瀝青在高溫區(qū)感溫性基本與原料瀝青相當(dāng)。

Fig.2 Viscosity and temperature graph of recycled asphalts with rejuvenator A圖2 再生劑A再生的再生瀝青的粘溫關(guān)系

Fig.3 Viscosity and temperature graph of recycled asphalts with rejuvenator B圖3 再生劑B再生的再生瀝青的粘溫關(guān)系

Fig.4 Viscosity and temperature graph of recycled asphalts with rejuvenator C圖4 再生劑C再生的再生瀝青的粘溫關(guān)系

從圖2-4可以看出,由再生劑A再生的瀝青粘溫曲線斜率值均小于原料瀝青,而由再生劑B和C再生的瀝青粘溫曲線斜率值略大于原料瀝青。因此,再生劑A對(duì)再生瀝青的高溫區(qū)感溫性有所降低,而再生劑B和C對(duì)再生瀝青高溫區(qū)感溫性略有增加。根據(jù)表1中3種再生劑的組分分析數(shù)據(jù)得出:飽和分能降低瀝青高溫區(qū)感溫性,而芳香分則是增加的。

[1]沈金安.瀝青材料流變學(xué)(一)[J].石油瀝青,1988,2(4):27-38.

[2]陳曉瑛,尹利華,延西利.瀝青材料感溫性與其混合料高溫穩(wěn)定性關(guān)系研究[J].公路交通科技,2008,25(1):38-42.

[3]王立志,魏建明,張玉貞.道路瀝青溫度敏感性指標(biāo)的分析與討論[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2008,8(21):5793-5798.

[4]Pfeiffer JP,Van Doormaal P M.The rheological properties of asphaltic bitumen[J].Journal of the institute of petroleum,1936,22:414-440.

[5]McLeod N W.A 4-year survey of low temperature transverse pavement cracking on the three Ontario roads[J].Association of asphalt paving technologists,1972,41:424-493.

[6]Puzinauskas V P.Properties of asphalt cements[J].Association of asphalt paving technologists,1979,48:646-710.

[7]沈金安.瀝青與瀝青混合料的路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001:1-20.

[8]朱靜,周安娜.瀝青老化過程中溫度敏感性的研究[J].燃料與化工,2002,33(1):30-32.

[9]董瑞琨,孫立軍.考慮老化的瀝青結(jié)合料低溫感溫性指標(biāo)[J].中國公路學(xué)報(bào),2006,19(4):34-39.

[10]叢玉鳳,廖克儉,翟玉春.遼曙道路瀝青感溫性的評(píng)價(jià)[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,24(4):15-18.

[11]譚憶秋,姜麗偉,褚浩然,等.三個(gè)溫度針入度評(píng)價(jià)瀝青材料感溫性的敏感性分析[J].東北公路,2001,24(4):42-43.

[12]沈金安,李福普.評(píng)價(jià)瀝青質(zhì)量的核心指標(biāo)—瀝青感溫性[J].石油瀝青,1997,11(2):12-22.

[13]劉淑瓊,范耀華,張玉貞.我國幾種道路瀝青流變特性的初步研究[J].石油煉制與化工,1986(10):63-68.

[14]李進(jìn),徐萌,張小英,等.老化瀝青與再生劑混合相行為[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(4):19-23.

(Ed.:SGL,Z)

Influence of Rejuvenators on Recycled Asphalts in Temperature Susceptibility

LI Jin1,WANG Jin-feng2,XU Meng1,ZHANG Xiao-ying1,ZHANG Yu-zhen1
(1.State Key Laboratory ofHeavy Oil Processing,China University ofPetroleum(East China),Dongying Shandong257061,P.R.China;2.Heavy Oil Utilization Research Center China Of f shore Oil&Gas Development&Utilization Co.,Beijing100010,P.R.China)

6November2009;received7December2009;accepted22December2009

Three kinds of simulation aged asphalt were recycled by three different rejuvenators.Penetration index and viscosity temperature susceptibility were used to evaluate temperature susceptibility of recycled asphalts.All of the three rejuvenators recover the aged asphalts in temperature susceptibility at low and mid-high temperature.The effect of rejuvenator C is better than others.No obvious laws are found at middle temperature,the rejuvenators increase the aged asphalts temperature susceptibilities.Rejuvenator A decreases the temperature susceptibility at high temperature,however B and C increase a little.With the components analysis of rejuvenators it can be concluded that saturates decrease the temperature susceptibility of high temperature,while the aromatics can increase it at high temperature.

Rejuvenator;Temperature susceptibility;Recycled asphalt;Penetration index;Viscosity-temperature index

.Tel.:+86-546-8395271;fax:+86-546-8395269;e-mail:lijin123420888@sina.com

TE626

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.01.009

2009-11-06

李進(jìn)(1974-),男,四川眉山市,在讀博士。

中國海洋石油總公司資助項(xiàng)目(2008ZY-JSFW -SYDX-040)。

1006-396X(2010)01-0034-05