三氯乙烯和矿粉对回收沥青性能影响研究

沈 娴，柯云斌，董洪君，李岳淼，刘 浩

（1.台州学院 建筑工程学院，浙江 台州 318000；2.福州大学 土木工程学院，福建 福州 350000）

0 引言

沥青路面因具有行驶舒适、噪声低、易于维修等优点，在公路建设中所占的比重越来越高［1-2］。然而，随着沥青在服役过程中逐渐老化，性能显著下降，导致其不能满足服役要求［3-4］。沥青回收成为了处理废旧沥青，制造再生沥青的主要途径。目前国内对沥青回收方法的研究较少，所采用回收方法主要参照美国ASTM和日本道路协会铺装试验法的规定［5-7］。虽然部分学者提出了再生沥青回收处理技术的改进办法，但由于地域差异、回收沥青路面材料现状差异、试验条件受限等因素，改进办法并没有形成共识并得到推广［8-9］。我国所采用的回收沥青方法，主要还是参照规范《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）［10］进行。但是，这种回收方法仍然存在着一些问题，其中三氯乙烯作为沥青回收溶剂，按照规范方法难以彻底去除，而矿粉作为沥青混合料中的主要成分之一，在回收沥青中仍然大量存在，对回收沥青的性能产生了不利的影响［11-12］。因此，探明三氯乙烯和矿粉对沥青性能的影响规律，消除回收沥青中的三氯乙烯和矿粉残留，有利于获得高品质的回收沥青。

本文通过探究不同掺量的三氯乙烯和矿粉对沥青物理性能的影响，依据三氯乙烯蒸发特性和矿粉在离心抽提溶液中的沉淀特性，提出了减少回收沥青中的三氯乙烯和矿粉残留的回收工艺。

1 材料与方法

采用三氯乙烯和矿粉对基质沥青进行改性，探究沥青回收过程中三氯乙烯和矿粉残留对沥青性能的影响和作用机理，以此来设计去除三氯乙烯和矿粉的改进方法，具体流程如图1所示。

图1 改进方法的设计流程

1.1 试验材料

采用70号A级沥青，其基本参数如表1所示。

表1 基质沥青基础性能

1.2 改性沥青的制备

将不同掺量的三氯乙烯和矿粉置于沥青中搅拌均匀，采用高速剪切机在160℃的条件下以2000 r/min的转速剪切30 min，制备出含有不同三氯乙烯和矿粉掺量的沥青试样。随后，将制备好的改性沥青制模冷却，用以后续的性能测试。

1.3 物理性能测试

根据JTG E20-2011沥青试验检测标准，采用SD-0604型沥青针入度仪、SD-0605A型沥青延度仪和SD-0606T型沥青软化点仪，分别对不同三氯乙烯含量和不同矿粉含量的沥青样品进行物理性能测试。

1.4 沥青回收工艺提升技术

采用提高加热温度、延长加热时间的方式去除残留三氯乙烯，减小回收过程中的三氯乙烯溶剂残留对回收沥青性能的影响；采用高速离心机（如图2所示）除去回收沥青中残留矿粉，减小回收沥青中矿粉残留物对其性能的影响。如表2所示，在15 min离心分离时间下，离心转速越大，去除残留矿粉的效果越好。因此，本试验提高离心转速至6000 r/min，不仅可以降低离心分离时间，还可以获得更好的离心分离效果。

表2 离心分离转速对除去残留矿粉效果的影响

图2 台式高速离心机

2 结果与讨论

2.1 三氯乙烯残留对回收沥青物理性能的影响及其改善措施

不同含量三氯乙烯对沥青的软化点、针入度、延度的影响如图3所示。通过对比试验发现：三氯乙烯对沥青物理性能影响显著。特别是当掺加的三氯乙烯含量超过0.5%时，沥青软化点迅速降低，而针入度和延度迅速上升，沥青变软，沥青的高温性能显著下降。这是因为三氯乙烯为液态，加入到沥青中，起到了类似增塑剂的作用，能够增大沥青分子之间的间距，减小沥青分子之间的缠绕、摩擦、吸引等作用，导致沥青分子在高温区域更容易发生滑移、解缠现象，宏观现象即表现为更小的软化点和更大的低温延度。而沥青的稠度降低，针入度增大，则是因为三氯乙烯溶剂的存在对沥青起到了稀释作用。因此，三氯乙烯的存在会影响沥青的性能，尤其是高温性能。

图3 三氯乙烯残留量对沥青性能的影响

为了降低三氯乙烯残留对沥青性能的影响，可通过提高温度以蒸发沥青样品中的三氯乙烯。图4为掺有三氯乙烯的沥青分别在135℃和165℃温度下加热不同时间后，三氯乙烯的挥发损失情况。从图中可以看出，随着加热温度的升高和加热时间的延长，三氯乙烯的挥发率也逐渐增加。试验结果表明：提高加热温度和延长加热时间可以有效消除三氯乙烯的残留对沥青性能的影响。

图4 不同加热温度下三氯乙烯挥发损失率随时间的变化规律

表3反映了在165℃的条件下延长加热时间后回收沥青材料的性能指标情况。从表中可以看出，在原规定的5 min的后续加热时间内，所获得的回收沥青性能与原料沥青性能相差较大，但随着加热时间的延长，回收沥青的性能逐渐趋近于原沥青。当后续加热时间延长至30 min时，回收沥青的性能与原沥青基本一致。可是继续延长加热时间后，沥青发生老化，表现出硬化的特性，这使得回收沥青的性能再次偏离原沥青性能。因此，在该加热温度下（即165℃），后续加热时间应控制在30 min。

表3 不同后续加热时间下回收沥青的性能

2.2 矿粉残留对回收沥青性能的影响及其改进措施

回收沥青中残留的矿粉对其性能会造成一定程度的影响。从图5中可以看出，随着矿粉含量的增加，沥青的软化点升高，针入度和延度下降。这是因为矿粉是由无机矿物粒子构成的，加入到沥青中，会增加沥青的刚性成分，使得沥青变硬，流动性变差。此外，延度的降低是因为在沥青延度测试过程中，无机粒子组成的矿粉影响了沥青分子在拉伸方向上的定向舒展、排列，并在无机粒子处产生应力集中，导致沥青在该位置更容易发生拉伸断裂。如果矿粉发生团聚、沉降，沥青延度下降则会更为明显。从图中还可以看出，沥青延度对矿粉含量的敏感性要远高于软化点和针入度。这说明，回收沥青中残留矿粉的主要危害是显著降低了沥青的变形能力，增大了沥青的开裂风险。根据图5的规律可以得出，当矿粉的残留量在1%以内时，沥青延度所受影响较小，其变形能力恶化也较为轻微。

图5 不同矿粉掺量的沥青性能

残留矿粉的沉降程度与沉降时间成正比，因此在固定的离心转速下，离心分离时间越长，沉降的程度越高。图6中柱形图表示掺有矿粉的基质沥青（由10 g沥青与10 g矿粉混合而成）溶液在转速为6000 r/min的离心分离机中分离不同时间后，上层4/5高度和下层1/5高度的溶液中残留矿粉的质量，线形图表示了上层4/5高度的溶液中含有残留矿粉的质量分数。从图中可以看出，在6000 r/min的离心转数下，随着离心时间的增加，溶液中的矿粉粒子逐渐分离下沉，上层矿粉含量逐渐减少。根据上层残留矿粉的质量分数变化曲线可以看出，当离心分离时间超过12 min时，矿粉残留量低于1%。从矿粉残留对回收沥青性能影响的结果可知，当矿粉残留量低于1%时，其对沥青性能的影响较小。因此，采用高速离心分离机以6000 r/min的转速下分离12 min以上时，可明显弱化残留矿粉的影响；当分离时间达到18 min时，残留矿粉产生的影响几乎被完全消除。

图6 不同高速离心分离时间后残留矿粉含量

如图7所示，对含有残留矿粉的沥青进行高速离心后，沥青的延度明显增大，且随着高速离心时间的延长，这种现象也变得更为明显。当高速离心处理的时间达到12 min后，样品的延度已经非常接近基质沥青；当处理时间达到18 min后，样品的延度几乎和基质沥青完全相同。这一结果和上述的结论是一致的。

图7 不同高速离心时间条件下回收沥青的延度

3 结语

本文对三氯乙烯溶剂残留和矿粉残留对沥青性能的影响进行了研究，通过对试验结果的分析，提出了消除沥青回收过程中三氯乙烯和矿粉残留的方法，主要结论如下：

（1）三氯乙烯溶剂残留对回收沥青性能的影响十分显著。在三氯乙烯作用下，沥青软化点下降，针入度和延度上升，沥青变软且稠度降低，高温性能显著下降。

（2）通过提高加热温度和延长加热时间以减少回收沥青中三氯乙烯的残留。随着加热温度的升高和加热时间的延长，沥青中的三氯乙烯挥发损失率明显增加，三氯乙烯对沥青高温性能的损害显著降低。

（3）通过高速离心法有效减少了回收沥青中的残留矿粉，使其对回收沥青性能的影响得到改进。