CN106908406A - 一种沥青路面铣刨料老化沥青的逐次抽提分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种沥青路面铣刨料老化沥青的逐次抽提分析方法，该方法以废旧沥青路面铣刨料为抽提对象，通过将其逐次浸泡在有机溶剂中，每浸泡一次后采用旋转蒸发器将有机溶剂、老化沥青及矿粉进行分离，得到老化沥青并对其质量、组分及官能团进行测定，从而实现对铣刨料老化沥青沿裹附层厚度方向上老化程度的定性和定量分析。该方法操作简单、易于实施，精简了回流式抽提仪等传统方法复杂的操作过程，可用于研究沥青路面铣刨料老化沥青在裹附层厚度方向上分层老化的规律，为低粘度再生剂或新沥青的掺量对裹附在集料表面老化沥青的组分调节提供依据，有利于确定各成分在沥青路面的再生利用中的掺配比例，使再生路面达到最佳性能。
Description
技术领域
本发明涉及沥青再生技术领域，具体涉及一种沥青路面铣刨料老化沥青的逐次抽提分析方法。
背景技术
随着我国高速公路网的日趋完善，路面的养护与重建逐渐占据主导地位。沥青路面在养护、翻修的过程中会产生大量的铣刨料，其含有的石料和沥青等都是珍贵的不可再生资源，若弃之不用则是对资源的极大浪费。目前对于铣刨料最主要的利用方式是将其与再生剂、新集料及新沥青按一定的掺配比例混合用于再生沥青路面的铺筑。然而，由于沥青路面在服役过程中受紫外光、雨水、氧气浓度及车辆载荷等因素的共同作用，在沥青路面的垂直方向上，内部沥青混合料到路表距离各不相同，造成在沥青老化过程中，裹附在集料表面上的沥青在裹附层厚度方向上的老化程度各不相同，从而对设计再生剂掺配比例会造成一定影响。为研究铣刨料表面上老化沥青在裹附层厚度方向上的分层老化规律，为低粘度再生剂或新沥青的掺量对裹附在集料表面老化沥青的组分调节提供依据，确定其在再生沥青混合料设计中优良的掺配比例，有必要对铣刨料表面上的老化沥青在不同厚度上的老化程度分布规律就行研究。
当前，铣刨料表面老化沥青的主要回收方法有离心分离法、回流抽提法、阿布森法等，上述方法均为整体式分离，忽视了铣刨料表面沥青沿裹附层厚度方向上老化程度的差异，从而导致了在路面的再生利用中，对低粘度再生剂的掺入量及拌合时间的误判，最终影响废旧沥青混合料再生利用的效果。中国专利CN105092338A“一种再生沥青路面材料表面老化沥青分层剥离装置及方法”提出开发一种再生沥青路面材料表面老化沥青分层剥离装置，该装置通过调节溶剂的流出时间以控制再生沥青路面材料的溶解量，可实现对再生沥青路面材料上老化沥青的分层剥离，但其未能考虑在第一次放液时，裹附在路面材料表面的沥青是完全溶解还是部分溶解，且忽视了矿粉对所提取沥青质量的影响，造成实验结果存在偏差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种操作简单易行、经济实用的沥青路面铣刨料老化沥青的逐次抽提分析方法，该方法以三氯乙烯作为溶剂，对废旧沥青路面的铣刨料表面上的老化沥青进行逐层抽提，并对获得的老化沥青分别进行组分和官能团分析，研究各层沥青在裹附层厚度方向上的老化规律。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种沥青路面铣刨料老化沥青的逐次抽提分析方法，包括以下步骤：首先对收集来的沥青路面铣刨料进行预处理，接着将处理好的铣刨料置于网篮中依次浸入多个装有三氯乙烯的容器中浸泡抽提，每次浸泡完成后取出网篮，经干燥、称重后置于下一个容器中浸泡抽提，待浸泡完后回收各个容器中的老化沥青进行分析。
按照上述方案，沥青路面铣刨料的预处理包括破碎处理、预热处理和筛分处理，其中预热处理包括将破碎后的沥青路面铣刨料置于60℃环境中预热1.5-2h。
按照上述方案，浸泡处理次数为5次，每个容器中装有等体积的三氯乙烯，装入网篮中的沥青路面铣刨料与任意容器中三氯乙烯的比例为100g：250-300mL。
按照上述方案，网篮中的铣刨料在每个容器中的浸泡时间为10-15min，每次浸泡完成后将网篮及铣刨料取出，置于90±5℃环境中干燥1-1.5h并称重。
按照上述方案，所述分析包括对各个容器中回收的老化沥青分别进行红外光谱分析和凝胶渗透色谱分析，计算2960cm-1处甲基伸缩振动的峰面积与1700cm-1处羰基伸缩振动的峰面积之比，记为羰基指数；计算2960cm-1处甲基伸缩振动的峰面积与1600±10cm-1处的碳碳双键伸缩振动的峰面积之比，记为碳碳双键指数。通过比较羰基指数、碳碳双键指数以及LMS值(Large Molecule Scale)分别考察各层沥青的吸氧老化程度、芳香分含量以及大分子比例。
按照上述方案，所述沥青路面铣刨料来自同一路段、同一批次以及同一层位，所述三氯乙烯纯度为99.9％，所述网篮为半球形不锈钢材质，网篮底面积100-150cm2，容器底面积200-250cm2。
本发明所述沥青路面铣刨料老化沥青的逐次抽提分析方法，是在保证铣刨料中的矿粉被旋转蒸发器除去的前提下，以三氯乙烯为溶剂，通过将铣刨料逐次浸入三氯乙烯的方式，溶解裹附在集料表面的老化沥青，得到了铣刨料表面不同深度下的老化沥青。与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、有利于研究沥青路面铣刨料老化沥青在裹附层厚度方向上分层老化的规律，可为低粘度再生剂或新沥青的掺量对裹附在集料表面老化沥青的组分调节提供依据，有利于确定各成分在沥青路面的再生利用中的掺配比例，使再生路面性能达到最佳。
2、采用三氯乙烯作为溶解沥青的溶剂，通过计算每次浸泡后得到的沥青胶浆层的厚度，可从总体上将铣刨料表面上的老化沥青逐层分离，避免了以往对铣刨料全部抽提而影响其老化沥青分层老化规律的研究。
3、对裹附在铣刨料表面的老化沥青逐次抽提方法，操作简单、易于实施，精简了回流式抽提仪等传统方法复杂的操作过程。
附图说明
图1为本发明实施例1中沥青路面铣刨料浸泡前及各次浸泡后的照片，其中①-⑥分别为未浸泡、第一次浸泡、第二次浸泡、第三次浸泡、第四次浸泡、第五次浸泡后的铣刨料照片；
图2为本发明实施例1中回收得到的各层老化沥青的羰基指数；
图3为本发明实施例1中回收得到的各层老化沥青的碳碳双键指数；
图4为本发明实施例1中回收得到的各层老化沥青的LMS值；
图5为本发明实施例2中回收得到的各层老化沥青的羰基指数；
图6为本发明实施例2中回收得到的各层老化沥青的碳碳双键指数；
图7为本发明实施例2中回收得到的各层老化沥青的LMS值；
图8为本发明实施例3中回收得到的各层老化沥青的羰基指数；
图9为本发明实施例3中回收得到的各层老化沥青的碳碳双键指数；
图10为本发明实施例3中回收得到的各层老化沥青的LMS值。
具体实施方式
为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合附图及具体实施例进行进一步说明，但本发明的内容不仅仅限于下述实施例。
实施例1
实验材料选取自上海市G1501东环闻居路段大修工程的铣刨料。
所述铣刨料是沥青路面在使用过程中受到紫外光、温度、水、氧及汽车荷载多因素影响后产生裂缝、坑槽、龟裂等病害处的废料。
一种沥青路面铣刨料老化沥青的逐次抽提分析方法，它包括如下步骤：
1)取样：铣刨部分需要维修的高速公路路面，得到铣刨料，将其机械破碎处理；
2)预热铣刨料：为排除铣刨料中的水分对实验结果的影响，将经过机械破碎处理后的铣刨料置于60℃的烘箱中预热1.5h；
3)筛分处理：根据本次选取的铣刨料所在路面层位的混合料类型为AC-16，故采用16mm筛孔尺寸的筛子对铣刨料进行过筛，取筛下部分作为研究对象，并继续采用孔径小于16mm的筛子对其进行筛分试验；
4)准备1个底面积为100cm2的网篮及5个高为10cm、底面积为200cm2的圆柱形玻璃容器，分别将圆柱形容器编号为1、2、3、4、5，每个圆柱形容器中盛放500mL等体积的分析纯三氯乙烯溶液；
5)称取铣刨料200g，将其均匀摊铺在网篮中，将装有铣刨料的网篮逐次浸泡在1、2、3、4、5圆柱形容器中，每次浸泡时间为15min；
6)每次浸泡完成后将网篮和表面附着三氯乙烯的铣刨料送入90℃的烘箱中烘干，1h后取出称重，之后将网篮置于下一个容器中，重复上述操作，最后得到5份三氯乙烯-沥青溶液。
7)采用旋转蒸发器分别对1、2、3、4、5圆柱形容器中的三氯乙烯-沥青溶液中的沥青进行回收，最终得到五份裹附在集料表面上的老化沥青，分别编号为L1～L5；
8)采用傅立叶变换衰减全反射红外光谱仪(FTIR-ATR)和凝胶渗透色谱仪分别对L1～L5层抽提回收沥青进行傅立叶红外光谱实验和凝胶渗透色谱实验。
各次称重结果及计算得到的沥青胶浆膜厚度如表1所示。参考《公路沥青路面施工技术规范》中计算集料比表面积的方法(公式1)得到集料比表面积，假设整个沥青及细集料完全均匀的裹附在集料表面，由此计算得出每次浸泡下来的沥青胶浆膜厚度。
A＝(2+0.02a+0.04b+0.08c+0.14d+0.3e+0.6f+1.6g)/48.7 (1)
式中：A——集料总的比表面积
其中a、b、c、d、e、f、g分别代表4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm、0.075mm筛孔的通过百分率，％。
表1实施例1分层抽提结果
从表1可以看出，从第1次浸泡到第4次浸泡溶解而得到的沥青胶浆层厚度逐渐增大，而第5次浸泡溶解得到的沥青胶浆层厚度较第4次略有减少。根据表1中沥青胶浆的质量及其厚度的变化规律，结合图1中每次浸泡前后铣刨料的外观形貌可知，有机溶剂的渗透作用使得老化沥青的溶解速率在逐次递增，到第5次浸泡时集料表面的老化沥青几乎完全溶解，故第5次浸泡得到的沥青胶浆质量与层厚度变小，故该方法可以实现铣刨料表面沥青的逐层分离。
定义2960cm-1处甲基伸缩振动的峰面积与1700cm-1处羰基伸缩振动的峰面积之比为羰基指数，定义2960cm-1处甲基伸缩振动的峰面积与(1600±10)cm-1处的碳碳双键伸缩振动的峰面积之比为碳碳双键指数。分别计算各层沥青的羰基指数和碳碳双键指数，结果如图2-3所示。由凝胶渗透色谱分析得出的LMS结果如图4所示。
从图2中可以看出，从第一层到第五层的羰基指数大致表现出逐渐减小的趋势，最外层和第二层的羰基指数相近，第二层到第四层接近线性下降，第五层的羰基指数接近零。由此可以说明该铣刨料所处的路面老化较浅，沥青老化层厚度大致为73.3μm，裹附在集料表面沥青由外而内吸氧老化程度是逐渐减弱，最内层沥青几乎没有发生吸氧老化，可以推测沥青混合料的吸氧老化是由外而内逐渐扩散的，而沥青吸氧老化到一定程度也会趋于稳定。
从图3中的柱形图可以看出，最外层沥青的碳碳双键几乎为零；第二层到第四层有逐渐变大的趋势，但变化不大；最内层的碳碳双键接近中间层的四到五倍。这说明铣刨料中的芳香族化合物是由外而内逐渐挥发的。图3中的折线图说明了C＝C伸缩振动波数的变化规律，可以看出C＝C伸缩振动波数与碳碳双键指数的变化规律基本一致，同样是基本保持由外而内逐渐增大，而最外层和最内层会有较大的变化。对于沥青中芳香族化合物C＝C伸缩振动波数会发生变化，可能缘于C＝O双键与C＝C双键之间的共轭作用，当C＝O键减少而同时C＝C增多，则耦合作用逐渐变弱，从而使C＝C的波数逐渐增大。
从图4中可以看出，铣刨料中的各层沥青由外而内的LMS值有逐渐变小的趋势，最外层和最内层沥青的LMS值有较大变化，而中间各层变化不明显，一直保持在25％左右。结合图3对比可以看出，铣刨料中各层沥青的LMS值与C＝C双键的含量呈互补关系，即C＝C双键越少则LMS值越大，由此可以推断，铣刨料中沥青大分子含量的增加，主要是由于沥青中芳香分等轻质组分的挥发引起的。
实施例2
实验材料选取自安敦高速大修工程的铣刨料。
所述铣刨料是沥青路面在使用过程中受到紫外光、温度、水、氧及汽车荷载多因素影响后产生裂缝、坑槽、龟裂等病害处的废料。
一种沥青路面铣刨料老化沥青的逐次抽提分析方法，它包括如下步骤：
1)取样：铣刨部分需要维修的高速公路路面，得到铣刨料，将其机械破碎处理；
2)预热铣刨料：为排除铣刨料中的水分对实验结果的影响，将经过机械破碎处理后的铣刨料置于60℃的烘箱中预热1.5h；
3)筛分处理：根据本次选取的铣刨料所在路面层位的混合料类型为AC-13，故采用13mm筛孔尺寸的筛子对铣刨料进行过筛，取筛下部分作为研究对象，并继续采用孔径小于13mm的筛子对其进行筛分试验；
4)准备1个底面积为100cm2的网篮及5个高为10cm、底面积为200cm2的圆柱形玻璃容器，分别将圆柱形容器编号为1、2、3、4、5，每个圆柱形容器中盛放550mL等体积的分析纯三氯乙烯溶液；
5)称取铣刨料200g，将其均匀摊铺在网篮中，将装有铣刨料的网篮逐次浸泡在1、2、3、4、5圆柱形容器中，每次浸泡时间为15min；
6)每次浸泡完成后将网篮和表面附着三氯乙烯的铣刨料送入90℃的烘箱中烘干，1h后取出称重，之后将网篮置于下一个容器中，重复上述操作，最后得到5份三氯乙烯-沥青溶液。
7)采用旋转蒸发器分别对1、2、3、4、5圆柱形容器中的三氯乙烯沥青溶液中的沥青进行回收，最终得到五份裹附在集料表面上的老化沥青，分别编号为L1～L5；
8)采用傅立叶变换衰减全反射红外光谱仪(FTIR-ATR)和凝胶渗透色谱仪分别对L1～L5层抽提回收沥青进行傅立叶红外光谱实验和凝胶渗透色谱实验。
由于每次浸泡得到的沥青溶液中还含有少量的细集料，计算每次浸泡后铣刨料的重量时扣除其中的细集料，得到每次溶解的沥青质量。按照如实施例1的方法计算沥青胶浆膜厚度，结果如表2所示。
表2实施例2分层抽提结果
从表2和图1可以看出，从第1次浸泡到第4次浸泡溶解而得到的沥青胶浆的质量与层厚度逐渐增大，而第5次浸泡溶解得到的沥青胶浆的质量与层厚度较第4次略有减小。这是由于有机溶剂的渗透作用，导致沥青的溶解速率从第1次到第4次浸泡过程中逐次递增，但第5次浸泡时由于有部分集料表面的沥青已经完全溶解，故第5次浸泡得到的沥青胶浆质量与层厚度变小。
分别计算实施例2中各层沥青的羰基指数和碳碳双键指数，结果如图5-6所示。由凝胶渗透色谱分析得出的LMS结果如图7所示。
从图5中可以看出，从第一层到第五层的羰基指数大致表现出逐渐减小的趋势，第二层和第三层的羰基指数相近。由此可以说明铣刨料所处的路面老化较深，沥青老化层厚度大致为136.2μm，裹附在集料表面上的沥青，由外而内吸氧老化程度是逐渐减弱，最内层沥青吸氧老化程度很小，可以推测沥青混合料的吸氧老化是由外而内逐渐扩散的。
从图6中可以看出，最外层沥青的碳碳双键几乎为零；第二层到第四层接近线性增长；最内层的碳碳双键接近中间层的五到六倍。这说明铣刨料中的芳香族化合物是由外而内逐渐挥发的。图6中C＝C伸缩振动波数与碳碳双键指数的变化规律基本一致，同样是基本保持由外而内逐渐增大，而最外层和最内层会有较大的变化。当C＝O键减少而同时C＝C增多，则耦合作用逐渐变弱，从而使C＝C的波数逐渐增大。
从图7中可以看出，铣刨料中的各层沥青由外而内的LMS值有逐渐变小的趋势，最外层和最内层沥青的LMS值有较大变化，而中间各层变化不明显，一直保持在25％左右。结合图6对比可以看出，铣刨料中各层沥青的LMS值与C＝C双键的含量呈互补关系，即C＝C双键越少则LMS值越大，由此可以推断，铣刨料中沥青大分子含量的增加，主要是由于沥青中芳香分等轻质组分的挥发引起的。
实施例3
实验材料选取自白兰高速大修工程的铣刨料。
所述铣刨料是沥青路面在使用过程中受到紫外光、温度、水、氧及汽车荷载多因素影响后产生裂缝、坑槽、龟裂等病害处的废料。
一种沥青路面铣刨料老化沥青的逐次抽提方法，它包括如下步骤：
1)取样：铣刨部分需要维修的高速公路路面，得到铣刨料，将其机械破碎处理；
2)预热铣刨料：为排除铣刨料中的水分对实验结果的影响，将经过机械破碎处理后的铣刨料置于60℃的烘箱中预热1.5h；
3)筛分处理：根据本次选取的铣刨料所在路面层位的混合料类型为AC-16，故采用16mm筛孔尺寸的筛子对铣刨料进行过筛，取筛下部分作为研究对象，并继续采用孔径小于16mm的筛子对其进行筛分试验；
4)准备1个底面积为100cm2的网篮及5个高为10cm、底面积为200cm2的圆柱形玻璃容器，分别将圆柱形容器编号为1、2、3、4、5，每个圆柱形容器中盛放600mL等体积的分析纯三氯乙烯溶液；
5)称取铣刨料200g，将其均匀摊铺在网篮中，将装有铣刨料的网篮逐次浸泡在1、2、3、4、5圆柱形容器中，每次浸泡时间为60s；
6)每次浸泡完成后将网篮和表面附着三氯乙烯的铣刨料送入90℃的烘箱中烘干，1h后取出称重，之后将网篮置于下一个容器中，重复上述操作，最后得到5份三氯乙烯-沥青溶液。
7)采用旋转蒸发器分别对1、2、3、4、5圆柱形容器中的三氯乙烯沥青溶液中的沥青进行回收，最终得到五份裹附在集料表面上的老化沥青，分别编号为L1～L5；
8)采用傅立叶变换衰减全反射红外光谱仪(FTIR-ATR)和凝胶渗透色谱仪分别对L1～L5层抽提回收沥青进行傅立叶红外光谱实验和凝胶渗透色谱实验。
由于每次浸泡得到的沥青溶液中还含有少量的细集料，计算每次浸泡后铣刨料的重量时扣除其中的细集料，得到每次溶解的沥青质量。按照如实施例1的方法计算沥青胶浆膜厚度，结果如表3所示。
表3实施例3分层抽提结果
从表3和图1可以看出，从第1次浸泡到第4次浸泡溶解而得到的沥青胶浆质量与层厚度逐渐增大，而第5次浸泡溶解得到的沥青胶浆质量与层厚度较第4次少21μm，这是由于有机溶剂的渗透作用，导致了沥青的溶解速率从第1次浸泡到第4次浸泡逐次递增，但第5次浸泡时由于有部分集料表面的沥青已经完全溶解，故第5次浸泡得到的沥青胶浆层厚度变小，铣刨料表面的沥青被逐层分离。
分别计算实施例3中各层沥青的羰基指数和碳碳双键指数，结果如图8-9所示。由凝胶渗透色谱分析得出的LMS结果如图10所示。
从图8中可以看出，从第一层到第五层的羰基指数大致表现出逐渐减小的趋势，最外层和第三层的羰基指数相近，第三层到最内层接近线性下降。由此可以说明该铣刨料所处的路面老化很深，沥青老化层厚度大致为182.8μm，裹附在集料表面上的沥青由外而内吸氧老化程度是逐渐减弱，最内层沥青吸氧老化程度较小，可以推测沥青混合料的吸氧老化是由外而内逐渐扩散的。
从图9中可以看出，最外层沥青的碳碳双键几乎为零；第二层到第四层接近线性增长；最内层的碳碳双键接近中间层的五到六倍。这说明铣刨料中的芳香族化合物是由外而内逐渐挥发的。此外，图9表明C＝C伸缩振动波数与碳碳双键指数的变化规律基本一致，同样是基本保持由外而内逐渐增大，而最外层和最内层会有较大的变化。当C＝O键减少而同时C＝C增多，则耦合作用逐渐变弱，从而使C＝C的波数逐渐增大。
从图10中可以看出，铣刨料中的各层沥青由外而内的LMS值有逐渐变小的趋势，最外层和最内层沥青的LMS值有较大变化。与图9对比可以看出，铣刨料中各层沥青的LMS值与C＝C双键的含量呈互补关系，即C＝C双键越少则LMS值越大，由此可以推断，铣刨料中沥青大分子含量的增加，主要是由于沥青中芳香分等轻质组分的挥发引起的。
Claims (6)
1.一种沥青路面铣刨料老化沥青的逐次抽提分析方法，其特征在于，包括以下步骤：首先对收集来的沥青路面铣刨料进行预处理，接着将处理好的铣刨料置于网篮中依次浸入多个装有三氯乙烯的容器中浸泡，每次浸泡完成后取出网篮，经干燥、称重后置于下一个容器中浸泡，待浸泡完后回收各个容器中的老化沥青并对其进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种沥青路面铣刨料老化沥青的逐次抽提分析方法，其特征在于：沥青路面铣刨料的预处理包括破碎处理、预热处理和筛分处理，其中预热处理包括将破碎后的沥青路面铣刨料置于60℃环境中预热1.5-2h。
3.根据权利要求1所述的一种沥青路面铣刨料老化沥青的逐次抽提分析方法，其特征在于：浸泡处理次数为5次，每个容器中装有等体积的三氯乙烯，装入网篮中的沥青路面铣刨料与任意容器中三氯乙烯的比例为100g：250-300mL。
4.根据权利要求1所述的一种沥青路面铣刨料老化沥青的逐次抽提分析方法，其特征在于：网篮中的铣刨料在每个容器中的浸泡时间为10-15min，每次浸泡完成后将网篮及铣刨料取出，置于90±5℃环境中干燥1-1.5h并称重。
5.根据权利要求1所述的一种沥青路面铣刨料老化沥青的逐次抽提分析方法，其特征在于：所述分析包括对各个容器中回收的老化沥青分别进行红外光谱分析和凝胶渗透色谱分析，计算2960cm-1处甲基伸缩振动的峰面积与1700cm-1处羰基伸缩振动的峰面积之比，记为羰基指数；计算2960cm-1处甲基伸缩振动的峰面积与1600±10cm-1处的碳碳双键伸缩振动的峰面积之比，记为碳碳双键指数；通过比较羰基指数、碳碳双键指数以及LMS值分别评价各层沥青的吸氧老化程度、芳香分含量以及大分子比例。
6.根据权利要求1所述的一种沥青路面铣刨料老化沥青的逐次抽提分析方法，其特征在于：所述沥青路面铣刨料来自同一路段、同一批次以及同一层位，所述三氯乙烯纯度为99.9％，所述网篮为半球形不锈钢材质，网篮底面积100-150cm2，容器底面积200-250cm2。
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