廢植物油再生瀝青結(jié)合料性能研究

肖慶一，趙 鵬，孫博偉，張 怡，丁 嘯

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.天津市交通工程綠色材料技術(shù)工程中心，天津 300401；3.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；4.承德石油高等?？茖W(xué)校 化學(xué)工程系，河北 承德 067000；5.承德石油高等專科學(xué)校 計(jì)算機(jī)系，河北 承德 067000)

0 引 言

瀝青路面在改造升級(jí)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢舊瀝青混合料(reclaimed asphalt pavement，簡(jiǎn)稱RAP)，在RAP中摻入一定量再生劑可以提高再生瀝青混合料的性能[1-4]。傳統(tǒng)再生劑多為礦物油，高溫條件下其組分易散失，且作為石油產(chǎn)品其成本不低[5]。植物油富含不飽和脂肪酸和輕質(zhì)油組分，可以補(bǔ)充老化瀝青中失去的輕質(zhì)組分。相比于礦物油，植物油沸點(diǎn)高，施工過(guò)程中不易散失[6]。研究表明[7-11]，廢植物油(waste vegetable oil，簡(jiǎn)稱WVO)可以實(shí)現(xiàn)老化瀝青的再生，提高老化瀝青的抗疲勞性能和低溫性能，廢植物油對(duì)老化瀝青的性能改善效果較礦物油更明顯。我國(guó)每年產(chǎn)生大量的廢植物油[12]，充分認(rèn)識(shí)廢植物油對(duì)瀝青再生的作用影響，實(shí)現(xiàn)廢料的再生利用，對(duì)建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)具有重要意義。

研究選擇煎炸后的大豆油，按不同比例添加到老化瀝青中。通過(guò)研究常規(guī)物理性能、流變性能的變化規(guī)律和原子力顯微鏡技術(shù)，獲得廢植物油摻量對(duì)老化瀝青再生效果的影響，為廢植物油再生瀝青技術(shù)的推廣應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

選擇山東淄博A-90# 基質(zhì)瀝青，根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T0610瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)(RTFOT)和T0630壓力老化容器加速瀝青老化試驗(yàn)(PAV)制備老化瀝青?；|(zhì)瀝青和老化瀝青基本性能測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 90# 基質(zhì)及老化瀝青性能Table 1 Performance of 90# matrix and aged asphalt

食用植物油的主要成分為不飽和脂肪酸，試驗(yàn)采用煎炸后的廢大豆油，其物理指標(biāo)如表2。

表2 廢植物油物理性能Table 2 Performance of waste vegetable oil

1.2 試驗(yàn)方案

首先制備廢植物油再生瀝青。按質(zhì)量分?jǐn)?shù)(廢植物油占瀝青質(zhì)量比)為3%、5%、7%和10%向老化瀝青中加入廢植物油進(jìn)行高速剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為135 ℃，剪切機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，剪切時(shí)間為20 min。

對(duì)制備的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的廢植物油再生瀝青進(jìn)行基本物理性能試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)以及低溫彎曲流變?cè)囼?yàn)，分析廢植物油對(duì)老化瀝青再生效果。利用原子力顯微鏡觀測(cè)再生瀝青微觀形貌特征，分析廢植物油再生機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 基本物理性能指標(biāo)

2.1.1 三大指標(biāo)

軟化點(diǎn)是表征瀝青結(jié)合料高溫性能的重要指標(biāo)。通常情況下，軟化點(diǎn)越高，瀝青的高溫穩(wěn)定性越好，抗車轍能力越強(qiáng)。圖1為不同廢植物油摻量下再生瀝青的軟化點(diǎn)。由圖1可以看出，PAV后瀝青的軟化點(diǎn)相對(duì)基質(zhì)瀝青明顯升高，表明老化作用提高了瀝青的高溫穩(wěn)定性。隨著廢植物油摻量的增加，再生瀝青的軟化點(diǎn)逐漸降低，說(shuō)明廢植物油的加入降低了老化瀝青的高溫性能。當(dāng)廢植物油摻量為10%時(shí)，再生瀝青的軟化點(diǎn)仍較基質(zhì)瀝青高0.7 ℃。

圖1 再生瀝青軟化點(diǎn)Fig.1 Softening point of recycled asphalt

我國(guó)使用針入度劃分瀝青標(biāo)號(hào)，針入度值越小，瀝青越硬，稠度越大[8]。不同廢植物油摻量下再生瀝青的針入度如圖2。由圖2可知，PAV后瀝青的針入度較基質(zhì)瀝青明顯降低，因此老化作用會(huì)使瀝青更硬。隨著廢植物油摻量的增加，再生瀝青針入度逐漸提高，說(shuō)明廢植物油可以改善老化瀝青的稠度[13]，使老化瀝青軟化。廢植物油摻量為10%時(shí)，再生瀝青針入度值可恢復(fù)至基質(zhì)瀝青的98.6%。

圖2 再生瀝青針入度Fig.2 Penetration of recycled asphalt

延度可以評(píng)估瀝青的拉伸變形能力和延性，延度越大，瀝青的低溫抗裂性能越好。圖3為不同廢植物油摻量下的再生瀝青延度。由圖3可見(jiàn)，PAV后瀝青的延度大幅降低，說(shuō)明老化降低了瀝青的延性，使瀝青低溫抗裂性能下降。隨著廢植物油摻量的增加，再生瀝青的延度逐漸增大，此結(jié)果表明，廢植物油能夠提高老化瀝青的延性，改善老化瀝青的低溫抗裂性。

圖3 再生瀝青延度Fig.3 Ductility of recycled asphalt

2.1.2 黏 度

布洛克菲爾德黏度計(jì)測(cè)量的瀝青表觀黏度，表征瀝青在外力作用下的抗剪切變形能力，可以反映出瀝青的黏性，對(duì)于施工的條件選擇以及施工的安全性具有重要的意義。不同廢植物油摻量下再生瀝青的布式黏度如圖4。結(jié)合基質(zhì)瀝青黏度，可以得出，相對(duì)基質(zhì)瀝青，老化瀝青黏度升高了75.8%。隨著廢植物油摻量的增加，瀝青黏度下降，表明廢植物油使老化瀝青的黏性成分增多，彈性成分減小[14]，老化瀝青黏性成分得到恢復(fù)。廢植物油摻量為10%時(shí)，再生瀝青黏度仍較基質(zhì)瀝青高0.02 Pa·s。

圖4 再生瀝青布式黏度Fig.4 Brookfield viscosity of recycled asphalt

2.2 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

2.2.1 復(fù)數(shù)模量與相位角

復(fù)數(shù)剪切模量G*越大，瀝青結(jié)合料勁度模量更大，抗高溫變形能力就越強(qiáng)。相位角δ表示瀝青結(jié)合料中黏彈性成分的變化關(guān)系。相位角越大，瀝青結(jié)合料黏性成分越多，更易產(chǎn)生永久變形；相位角越小，瀝青結(jié)合料的彈性成分越多，彈性恢復(fù)能力越好。由圖5可知，老化瀝青各溫度下G*值最高，δ值最小，表明老化使瀝青結(jié)合料勁度增大，彈性成分增多，抗變形能力提高。隨著廢植物油摻量的增加，G*值逐漸減小，δ值逐漸增大，說(shuō)明廢植物油能夠降低瀝青結(jié)合料的勁度，恢復(fù)老化瀝青的黏彈性成分組成。廢植物油摻量10%時(shí)，再生瀝青δ值仍未恢復(fù)至基質(zhì)瀝青水平。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，廢植物油再生瀝青G*值已經(jīng)降至基質(zhì)瀝青原水平以下，此時(shí)再生瀝青高溫抗變形能力低于基質(zhì)瀝青。

圖5 瀝青結(jié)合料復(fù)數(shù)剪切模量G*與相位角δFig.5 G* & δ of asphalt binder

2.2.2 車轍因子

美國(guó)SHRP規(guī)范以G*/sinδ表示車轍因子，評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料的高溫性能。車轍因子越大，瀝青結(jié)合料彈性體特性越明顯，高溫抗變形能力越強(qiáng)。由圖6可看出，基質(zhì)瀝青老化后，車轍因子明顯增大，說(shuō)明老化作用使瀝青彈性性質(zhì)表現(xiàn)更明顯，高溫抗變形能力提高。隨著廢植物油摻量的增加，車轍因子逐漸減小。廢植物油富含輕質(zhì)油分和不飽和脂肪酸，這些組分的加入，在一定程度上改變了老化瀝青的黏彈性成分組成，使瀝青中黏性成分增多，彈性成分減少，高溫抗車轍能力下降，這表明廢植物油的加入對(duì)瀝青高溫穩(wěn)定性不利。因此從瀝青路面抗車轍能力方面考慮，應(yīng)當(dāng)控制廢植物油的摻量。由圖6可知，廢植物油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，再生瀝青車轍因子基本恢復(fù)至基質(zhì)瀝青水平。

圖6 瀝青結(jié)合料車轍因子Fig.6 Rutting factor of asphalt binder

2.3 低溫彎曲流變?cè)囼?yàn)

低溫彎曲流變(BBR)試驗(yàn)測(cè)得的瀝青結(jié)合料的蠕變勁度模量S值和蠕變速率m值分別表征瀝青結(jié)合料低溫下抵抗開(kāi)裂的能力和應(yīng)力松弛能力。低溫條件下，瀝青結(jié)合料為彈性體，S值越大，表示瀝青越趨于脆性，路面越易發(fā)生開(kāi)裂破壞；m值越大，表示瀝青勁度變化越快，應(yīng)力松弛性能越好，抵抗路面開(kāi)裂的能力越好。根據(jù)美國(guó)Superpave規(guī)范(AASHTO M320)，瀝青結(jié)合料在參考溫度下的蠕變勁度應(yīng)不大于300 MPa，S值應(yīng)不小于0.3。

圖7為不同溫度下老化瀝青及廢植物油再生瀝青低溫彎曲流變?cè)囼?yàn)結(jié)果。由圖7可知，老化瀝青在-18 ℃時(shí)的蠕變勁度模量及蠕變速率已經(jīng)不能滿足規(guī)范要求，說(shuō)明老化導(dǎo)致瀝青變硬，脆性增加。隨著廢植物油摻量的增加，再生瀝青蠕變勁度模量相對(duì)老化瀝青逐漸降低，蠕變速率逐漸提高，表明廢植物油的加入降低了老化瀝青的蠕變勁度，增強(qiáng)了瀝青結(jié)合料的韌性，同時(shí)瀝青結(jié)合料應(yīng)力松弛性能增強(qiáng)，抵抗路面開(kāi)裂能力提高。廢植物油摻量為3%和5%時(shí)，瀝青在-18 ℃時(shí)蠕變勁度模量及蠕變速率仍未恢復(fù)至規(guī)范水平。因此，從提高瀝青低溫抗裂性能考慮，廢植物油摻量不宜過(guò)低。

圖7 瀝青結(jié)合料低溫彎曲流變?cè)囼?yàn)結(jié)果Fig.7 BBR test results of asphalt binder

2.4 原子力顯微鏡試驗(yàn)

原子力顯微鏡(AFM)常用來(lái)觀測(cè)瀝青納米級(jí)的相態(tài)形貌特征，是研究瀝青微觀結(jié)構(gòu)的有效工具。將瀝青結(jié)合料試樣置于130 ℃烘箱中，同時(shí)取電控加熱爐，將加熱平臺(tái)保持140 ℃左右，在加熱平臺(tái)上放置玻璃載玻片預(yù)熱5 min。瀝青加熱至液態(tài)后，用玻璃棒蘸取少量瀝青樣品滴至載玻片中央，使瀝青在加熱平臺(tái)作用下自然流淌，形成表面平整的瀝青薄膜，厚度約為1 mm。隨后將試樣自然冷卻至室溫，置入干燥器中保存24 h后采用輕敲模式進(jìn)行原子力顯微鏡試驗(yàn)。掃描面積為8 μm×8 μm，圖像清晰度為512×512。

2.4.1 瀝青微觀結(jié)構(gòu)分析

圖8為基質(zhì)瀝青、老化瀝青及各質(zhì)量分?jǐn)?shù)廢植物油再生瀝青的原子力顯微鏡二維微觀形貌。由圖8可以看出，各瀝青試樣微觀形態(tài)均存在明暗相間的典型“蜂形”結(jié)構(gòu)。瀝青表面的“蜂形”結(jié)構(gòu)是瀝青組分之間相互作用的反映[15]，老化對(duì)于瀝青微觀結(jié)構(gòu)的影響可以通過(guò)“蜂形”結(jié)構(gòu)的變化體現(xiàn)出來(lái)。“蜂形”結(jié)構(gòu)數(shù)量、瀝青試樣表面最大高度及中值高度等三位形貌數(shù)據(jù)如表3。從由表3可知，老化瀝青相對(duì)基質(zhì)瀝青，“蜂形”結(jié)構(gòu)數(shù)量大幅減少，隨著廢植物油摻量的增加，“蜂形”結(jié)構(gòu)數(shù)量逐漸恢復(fù)?；|(zhì)瀝青老化后，瀝青表面最大高度和中值高度均明顯降低；隨著廢植物油摻量的增加，再生瀝青表面最大高度和中值高度逐漸提高。相對(duì)基質(zhì)瀝青及WVO再生瀝青，PAV老化瀝青微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化，瀝青表面平坦，“蜂形”結(jié)構(gòu)數(shù)量減少。因此，瀝青的老化及廢植物油的再生改變了瀝青的組成成分，進(jìn)而改變了其微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)。

圖8 不同瀝青原子力顯微鏡形貌Fig.8 AFM topographic images of different asphalt

表3 瀝青試樣原子力顯微鏡三維形貌數(shù)據(jù)Table 3 AFM 3D topographic data of asphalt samples

(1)

(2)

式中：N為提取高度數(shù)據(jù)點(diǎn)的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)(512×512)；Zi為像素點(diǎn)試樣表面高度；i為像素點(diǎn)編號(hào)。

圖9為基質(zhì)瀝青、老化瀝青及不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的WVO再生瀝青表面粗糙度計(jì)算結(jié)果。

圖9 瀝青結(jié)合料表面粗糙度Fig.9 Surface roughness of asphalt binder

由圖9可知：無(wú)論是Ra還是Rq，均為基質(zhì)瀝青最大，老化瀝青最小。隨著廢植物油摻量的增加，瀝青表面粗糙度逐漸增大，瀝青表面微觀結(jié)構(gòu)差異變大，這與瀝青表面高度變化的研究結(jié)果一致，證實(shí)了瀝青的老化及廢植物油的再生確實(shí)改變了瀝青的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)。

2.4.2 瀝青微觀結(jié)構(gòu)與流變性能相關(guān)性分析

由2.4.1節(jié)可知，瀝青在老化及再生過(guò)程中微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，瀝青的老化及再生必然影響其宏觀性能。根據(jù)2.3節(jié)瀝青流變性能試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，老化導(dǎo)致瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量增大，相位角減小，車轍因子增大。研究表明[17]，瀝青宏觀流變性能的改變與微觀結(jié)構(gòu)特征的演變存在相關(guān)性。

選擇算數(shù)均方根粗糙度Ra表征瀝青表面微觀結(jié)構(gòu)特征。選擇典型流變性能指標(biāo)(52 ℃相位角δ、58 ℃復(fù)數(shù)剪切模量G*、-6 ℃勁度模量S值、-12 ℃蠕變速率m值)表征瀝青宏觀高低溫流變性能，建立不同瀝青材料微觀結(jié)構(gòu)特征與宏觀流變性能之間的關(guān)系，如圖10。由圖10可以看出，瀝青結(jié)合料宏觀流變性能與微觀結(jié)構(gòu)特性存在相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)R2分別為0.973 3、0.976 8、0.989 8、0.943 9。此結(jié)果表明：瀝青流變性能與微觀結(jié)構(gòu)特性密切相關(guān)；瀝青的高低溫性能受微觀結(jié)構(gòu)特性影響較大；相關(guān)關(guān)系可用冪函數(shù)模型表達(dá)，相關(guān)性系數(shù)接近1，擬合度較高。

圖10 瀝青表面粗糙度與流變性能相關(guān)性Fig.10 Correlation between surface roughness of asphalt and rheological properties

3 結(jié) 論

1)廢植物油能夠有效改善老化瀝青的物理性能。隨著廢植物油摻量的增加，老化瀝青的延度及針入度逐漸升高，軟化點(diǎn)及布式黏度逐漸降低，但均不能將老化瀝青恢復(fù)至基質(zhì)瀝青水平。

2)廢植物油富含輕質(zhì)油分和不飽和脂肪酸，能夠調(diào)節(jié)老化瀝青的黏彈性成分組成。隨著廢植物油摻量的增加，老化瀝青相位角增大，復(fù)數(shù)剪切模量和車轍因子降低，瀝青結(jié)合料高溫抗車轍性降低。從瀝青高溫抗車轍性能考慮，廢植物油摻量不宜過(guò)高。

3)廢植物油能夠改善瀝青結(jié)合料的韌性，增強(qiáng)瀝青結(jié)合料應(yīng)力松弛性能，從而提高低溫抗開(kāi)裂能力。綜合考慮再生瀝青高低溫性能，廢植物油合理?yè)搅繎?yīng)在7%～10%范圍內(nèi)。

4)老化作用及廢植物油的再生作用改變了瀝青的成分組成，使瀝青表面微觀結(jié)構(gòu)特征發(fā)生顯著變化。老化使瀝青表面“蜂形”結(jié)構(gòu)減少，表面高度差異減小，粗糙度降低，表面構(gòu)造趨于平坦。隨著廢植物油摻量的增加，瀝青表面結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)育，粗糙度升高，“蜂形”結(jié)構(gòu)逐漸恢復(fù)。

5)瀝青微觀結(jié)構(gòu)特性的演變與宏觀高低溫流變性能存在相關(guān)性，冪函數(shù)模型能夠很好地表達(dá)瀝青流變性能與瀝青表面粗糙度的關(guān)系。