木焦油基再生瀝青及其混合料低溫性能研究

劉克非，劉崇麟，吳超凡，蔣 康

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)南方綠色道路研究所，長沙 410004；2.湖南省建筑固廢資源化利用工程技術(shù)研究中心，長沙 410205； 3.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，長沙 410015)

0 引 言

近年來我國在瀝青路面大修及改擴(kuò)建的過程中產(chǎn)生了大量廢舊瀝青混合料(RAP)，相應(yīng)地，不同類型的再生瀝青在高等級(jí)公路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。已有研究表明[1]，再生劑可有效恢復(fù)老化瀝青的路用性能，但低溫抗裂性能因再生劑的種類和摻量不同具有顯著差異。

低溫抗裂性能是影響再生瀝青推廣應(yīng)用(尤其是寒冷地區(qū)和高摻量RAP工況下)的核心問題之一。陳華鑫等[2]綜合國內(nèi)外各類瀝青低溫性能評(píng)價(jià)方法，分析了各評(píng)價(jià)方法的適用性。馬濤等[3]基于材料復(fù)合理論分析了再生劑與老化瀝青間的材料復(fù)合效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)再生劑對(duì)老化瀝青低溫延度具有明顯的改善作用。Tan等[4]對(duì)彎曲蠕變勁度(BBR)試驗(yàn)方法進(jìn)行深究，發(fā)現(xiàn)采用單一指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青低溫性能存在片面性，強(qiáng)調(diào)采用綜合指標(biāo)或多種方式相結(jié)合衡量瀝青的低溫性能。馮新軍等[5]采用cryo-SEM技術(shù)評(píng)價(jià)了再生瀝青的低溫抗裂性，發(fā)現(xiàn)再生劑未改變?yōu)r青原有的物理化學(xué)性質(zhì)。董文龍等[6]研究表明SBS改性瀝青的低溫特性與脂肪鏈長度有關(guān)，脂肪長鏈指數(shù)越小，瀝青低溫特性越好。丁海波等[7-8]研究了廢基底油渣再生瀝青的低溫性能，發(fā)現(xiàn)蠟晶粒的低溫結(jié)晶及其相界造成的應(yīng)力集中是導(dǎo)致再生瀝青長期低溫性能降低的原因。Yu等[9]發(fā)現(xiàn)再生瀝青具有較好的低溫抗裂特性，但再生效果依賴于再生劑種類與化學(xué)組成，再生劑不一定能使老化瀝青恢復(fù)至基質(zhì)瀝青的微觀形貌。

木焦油作為木質(zhì)生物質(zhì)材料高溫裂解產(chǎn)物，主要以廢家具木屑和生產(chǎn)活動(dòng)中的廢木材為生產(chǎn)原料，具有來源廣泛、廢物利用、環(huán)保可再生的特點(diǎn)[10]。已有研究證明木焦油作為瀝青改性劑可有效改善瀝青的低溫性能和抗疲勞性能[11]。在作為老化瀝青再生劑使用時(shí)，木焦油可降低老化瀝青的黏度并提高其針入度，木焦油基再生瀝青的使用性能滿足規(guī)范要求[12]。然而，木焦油基再生瀝青及其混合料的低溫性能研究未見報(bào)道。

為了更全面地評(píng)價(jià)再生瀝青的性能，促進(jìn)木焦油基再生瀝青的實(shí)際應(yīng)用。本文采用分布和應(yīng)用廣泛的毛竹裂解物——木焦油作為基礎(chǔ)原料，將不同比例的木焦油、生物質(zhì)纖維、增塑劑和固定比例的增容劑、穩(wěn)定劑混合制備復(fù)合再生劑。以基質(zhì)瀝青和商用RA-102再生瀝青為對(duì)照組，采用延度試驗(yàn)、BBR試驗(yàn)和半圓彎曲(SCB)試驗(yàn)評(píng)價(jià)木焦油基再生瀝青及其混合料的低溫抗裂性能，研究結(jié)果可為生物質(zhì)材料基再生劑的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用的基質(zhì)瀝青為高富70#基質(zhì)瀝青，廣東茂名正誠石油化工有限公司生產(chǎn)，其基本性能見表1。采用木焦油、生物質(zhì)纖維、增塑劑、穩(wěn)定劑和增容劑為基本組分制備木焦油基瀝青再生劑。其中，木焦油產(chǎn)自湖南攸縣某環(huán)保木炭廠，其原料為毛竹。生物質(zhì)纖維為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自制的毛竹和木材的莖桿或樹皮制成的改性絮狀纖維。木焦油和生物質(zhì)纖維的物理性能見表2。其他輔助劑均由長沙吉瑞化玻儀器設(shè)備有限公司提供，分析純。為進(jìn)行對(duì)比研究，選用江蘇蘇博特新材料有限公司提供的RA-102再生劑作為對(duì)照組，其基本性能見表3。

表1 70#基質(zhì)瀝青基本性能Table 1 Basic properties of 70# matrix asphalt

表2 木焦油和生物質(zhì)纖維的物理性能Table 2 Physical properties of wood tar and biomass fiber

表3 再生劑基本性能Table 3 Basic properties of rejuvenator

1.2 老化瀝青和再生瀝青制備

已有研究表明[13]，旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(TFOT)老化和壓力老化容器(PAV)老化可有效模擬路面自然老化。再生瀝青制備流程圖如圖1所示。瀝青混合料老化按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行。TFOT測試溫度163 ℃，老化時(shí)長5 h；短期老化后的瀝青混合料通過PAV進(jìn)一步長期老化，PAV測試溫度100 ℃，壓力2.1 MPa，老化時(shí)長20 h。將PAV老化瀝青按圖1所示流程處理，分別制得木焦油基再生瀝青和RA-102再生瀝青。

圖1 再生瀝青制備流程圖Fig.1 Preparation process of rejuvenated asphalt

1.3 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合料所用集料為石灰?guī)r，填料為石灰?guī)r礦粉。采用AC-13型密集配瀝青混合料，其級(jí)配見表4?；?%的設(shè)計(jì)空隙率，通過馬歇爾試驗(yàn)確定木焦油基再生瀝青混合料、基質(zhì)瀝青混合料、RA-102再生瀝青混合料的最佳油石比分別為6.0%、5.0%、5.6%。

表4 AC-13型瀝青混合料級(jí)配組成Table 4 Gradation composition of AC-13 asphalt mixture

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 延度試驗(yàn)

按照J(rèn)TG E20—2011中的T0605—2011瀝青延度試驗(yàn)方法測試瀝青延度，試驗(yàn)溫度15 ℃，拉伸速度1 cm/min。

1.4.2 BBR試驗(yàn)

按照J(rèn)TG E20—2011中T0627—2011瀝青彎曲蠕變勁度試驗(yàn)方法測試瀝青的60 s彎曲蠕變勁度模量S值和蠕變速率m值。試件尺寸(長×寬×高)為127.00 mm×6.35 mm×12.70 mm, 測試溫度分別為-6 ℃、-12 ℃和-18 ℃。

1.4.3 SCB試驗(yàn)

圖2 半圓彎曲試驗(yàn)試件Fig.2 Semicircle bending test sample

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 延度試驗(yàn)分析

各瀝青延度測試結(jié)果見表5。由表5可知，老化作用顯著削弱了瀝青的低溫抗裂性，PAV老化可使基質(zhì)瀝青的延度降低82%。兩種再生劑均可將老化瀝青延度提升至接近基質(zhì)瀝青水平，進(jìn)而提高其低溫抗裂性能。木焦油基再生劑對(duì)老化瀝青的低溫性能恢復(fù)效果略差于RA-102再生劑，但仍可滿足規(guī)范要求。

表5 各瀝青混合料延度測試結(jié)果Table 5 Ductility test result of each asphalt mixture

實(shí)際上，延度是瀝青延展性的表征。老化作用使瀝青延度值顯著降低，說明其脆性顯著增強(qiáng)。再生劑的加入可使老化瀝青的延度明顯提升的主要原因在于再生劑中的輕質(zhì)油分可充分軟化老化瀝青質(zhì)，進(jìn)而提高瀝青的延展性和塑性。生物質(zhì)纖維可吸附游離的油分和自由瀝青而形成“結(jié)構(gòu)瀝青”，在提高瀝青層厚度的同時(shí),與瀝青中的酸性樹脂成分產(chǎn)生吸附[15]。然而，長短不一的纖維在瀝青中相互搭接，在受拉狀態(tài)下會(huì)對(duì)瀝青產(chǎn)生約束，導(dǎo)致再生瀝青易斷裂。因此，木焦油基再生瀝青的低溫抗裂性能弱于基質(zhì)瀝青和RA-102再生瀝青。

2.2 BBR試驗(yàn)分析

2.2.1 蠕變勁度與蠕變斜率

各瀝青混合料蠕變勁度與蠕變斜率測試結(jié)果見圖3。由圖3可知，瀝青混合料的蠕變勁度隨溫度的降低顯著升高，蠕變斜率的變化趨勢則完全相反。再生劑的加入可有效恢復(fù)老化瀝青的蠕變勁度及蠕變速率。當(dāng)測試溫度為-12 ℃時(shí)，木焦油基再生瀝青的S值分別比70#基質(zhì)瀝青和RA-102再生瀝青高6.67%和4.67%，m值則分別比二者低0.006和0.003，表明木焦油基再生瀝青的低溫抗裂性能略差于RA-102再生瀝青。

圖3 各瀝青混合料蠕變勁度與蠕變斜率測試結(jié)果Fig.3 Test results of creep stiffness and creep slope of each asphalt mixture

從本質(zhì)上來看，較低的蠕變勁度意味著溫度降低時(shí)，瀝青路面內(nèi)的溫度應(yīng)力較小，路面產(chǎn)生開裂的風(fēng)險(xiǎn)較低，較高的蠕變速率則代表瀝青路面擁有較好的松弛能力[16]。與基質(zhì)瀝青相比，木焦油基再生瀝青的蠕變勁度更小、蠕變斜率更大。因此，當(dāng)溫度降低、路面產(chǎn)生相同的收縮應(yīng)變時(shí)，再生瀝青內(nèi)的溫度應(yīng)力較基質(zhì)瀝青大，應(yīng)力松弛能力較低，故再生瀝青可以改善老化瀝青的低溫抗裂性能，但不能完全恢復(fù)至基質(zhì)瀝青水平。

2.2.2 連續(xù)低溫分級(jí)溫度

圖4 各瀝青混合料連續(xù)低溫分級(jí)溫度計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation results of continuous low-temperature grading temperature of each asphalt mixture

以S=300 MPa、m=0.300為低溫分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算各瀝青混合料的連續(xù)低溫分級(jí)溫度[17]，結(jié)果見圖4。由圖可知，由蠕變速率計(jì)算得到的連續(xù)分級(jí)溫度低于由蠕變勁度計(jì)算所得。當(dāng)采用蠕變勁度作為計(jì)算指標(biāo)時(shí)，木焦油基再生瀝青的低溫分級(jí)溫度分別比70#基質(zhì)瀝青和RA-102再生瀝青高1.03 ℃和0.63 ℃；當(dāng)采用蠕變斜率作為計(jì)算指標(biāo)時(shí)，木焦油基再生瀝青的低溫分級(jí)溫度分別比70#基質(zhì)瀝青和RA-102再生瀝青高0.77 ℃和0.45 ℃。因此，木焦油基再生瀝青的低溫分級(jí)基本與基質(zhì)瀝青和RA-102再生瀝青處于同一等級(jí)。

2.3 SCB試驗(yàn)分析

不同瀝青混合料SCB測試結(jié)果見表6。由表6可知，基質(zhì)瀝青混合料的低溫抗彎拉應(yīng)力和彎拉應(yīng)變明顯優(yōu)于再生瀝青。木焦油基再生瀝青混合料的σB值比70#基質(zhì)瀝青低6.24%，比RA-102再生瀝青高12.93%；其εB值比70#基質(zhì)瀝青低5.85%，比RA-102再生瀝青高14.11%。說明木焦油基再生瀝青混合料的低溫抗裂性明顯優(yōu)于RA-102再生瀝青混合料，但略差于基質(zhì)瀝青混合料。此外，各瀝青混合料的斷裂能密度與其抗彎拉應(yīng)力和彎拉應(yīng)變具有相同的規(guī)律，即各瀝青混合料低溫抗裂性能的排序?yàn)榛|(zhì)瀝青混合料>木焦油基再生瀝青混合料>RA-102再生瀝青混合料。

表6 各瀝青混合料SCB測試結(jié)果Table 6 SCB test results of each asphalt mixture

究其原因，基質(zhì)瀝青混合料本身具有良好的流動(dòng)性，在相同荷載作用下變形量更大，因而具有較大的彎拉應(yīng)變和斷裂能密度。木焦油基再生瀝青混合料良好的低溫抗裂性來源于木焦油與生物質(zhì)纖維的協(xié)同作用，二者可與新瀝青充分浸潤，在有效緩解瀝青與集料間黏結(jié)失效的同時(shí)提高了混合料的勁度，使再生瀝青混合料低溫下的韌性和抵御開裂能力明顯提高[18]。此外，RA-102再生瀝青偏稠偏硬，低溫下的韌性和流動(dòng)性較差，因而其彎拉應(yīng)變和斷裂能密度均較小。

綜上可知，木焦油基再生瀝青的低溫抗裂性能略差于基質(zhì)瀝青和RA-102再生瀝青，而其混合料的低溫抗裂性能弱于基質(zhì)瀝青混合料，優(yōu)于RA-102再生瀝青混合料。這與木焦油基再生劑中含有生物質(zhì)纖維有關(guān)。圖5為不同瀝青混合料SCB破壞界面，微觀試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維表面吸附有大量的結(jié)構(gòu)瀝青，其較強(qiáng)的裹覆力可有效改善瀝青與混合料間的界面連接狀態(tài)，從而在低溫下延緩裂縫的開展。此外，生物質(zhì)纖維呈細(xì)長的絲狀，猶如鋼筋混凝土內(nèi)的鋼筋一樣，將整個(gè)混合料通過纖維網(wǎng)串通起來，在低溫下可起到一定的拉伸作用以維持整個(gè)結(jié)構(gòu)的完整[19]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青混合料的阻裂作用。

圖5 不同瀝青混合料SCB破壞界面Fig.5 SCB failure interface of different asphalt mixture

3 結(jié) 論

(1)再生劑可將老化瀝青延度提升至接近基質(zhì)瀝青水平，進(jìn)而提高其低溫抗裂性能。木焦油基再生劑對(duì)老化瀝青的低溫性能恢復(fù)效果略差于RA-102再生劑，但仍可滿足規(guī)范要求。

(2)與基質(zhì)瀝青相比，木焦油基再生瀝青的蠕變勁度更小、蠕變斜率更大。當(dāng)溫度降低、路面產(chǎn)生相同的收縮應(yīng)變時(shí)，再生瀝青內(nèi)的溫度應(yīng)力較基質(zhì)瀝青大，應(yīng)力松弛能力較低。木焦油基再生瀝青的低溫分級(jí)基本與基質(zhì)瀝青和RA-102再生瀝青處于同一等級(jí)。

(3)木焦油基再生瀝青混合料的低溫抗裂性明顯優(yōu)于RA-102再生瀝青混合料，但略差于基質(zhì)瀝青混合料。木焦油與生物質(zhì)纖維的協(xié)同作用可與新瀝青充分浸潤，在有效緩解瀝青與集料間黏結(jié)失效的同時(shí)提高了混合料的勁度，使再生瀝青混合料低溫下的韌性和抵御開裂能力明顯提高。