糠醛抽出油再生瀝青的流變和感溫性能研究

吳文亮，代生林，斯 李

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641)

0 引言

世界范圍內(nèi)的道路網(wǎng)鋪筑材料絕大部分為瀝青，瀝青路面的性能會在使用中不斷下降，直至需要維護(hù)或重建。隨著瀝青老化，瀝青微觀結(jié)構(gòu)的多相態(tài)破壞變得嚴(yán)重，導(dǎo)致宏觀性能的衰減[1]。瀝青的老化還表現(xiàn)為部分輕質(zhì)組分向重質(zhì)組分的轉(zhuǎn)化。瀝青的再生技術(shù)旨在恢復(fù)老化瀝青的流變性能，使其能用于瀝青混合料的再生，提高材料的可持續(xù)性和環(huán)境效益[2]。瀝青的再生需要使用再生劑，它通過增添老化瀝青中缺失的輕質(zhì)組分，使再生瀝青恢復(fù)或接近基質(zhì)瀝青的性能[3]。Koudelka等[4]比較了歐洲市面上的10種再生劑，均不能同時滿足老化瀝青的多個指標(biāo)。

糠醛抽出油是潤滑油生產(chǎn)過程中的一種副產(chǎn)品，含有較多的輕質(zhì)芳香烴[5]，可明顯調(diào)節(jié)老化瀝青中輕重組分的比例[6]。道路瀝青的研究中，糠醛抽出油可作為低標(biāo)號瀝青調(diào)配到高標(biāo)號瀝青的添加劑[7]，還可輔助生產(chǎn)SBS、SEBS、SIS等改性瀝青[8]，與聚磷酸混合能夠降低改性瀝青中SBS的含量[9]。當(dāng)糠醛抽出油與樹脂混合的質(zhì)量比為6∶1時，對老化瀝青的再生效果較好[10]?？啡┏槌鲇团cAH-90直餾瀝青混合調(diào)制的再生劑能恢復(fù)改性瀝青的性能[11]。將糠醛抽出油、橡膠填充油和醇基苯甲酯增塑劑混合制備再生劑，當(dāng)糠醛抽出油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，基質(zhì)瀝青可再生，當(dāng)糠醛抽出油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，SBS改性瀝青可再生[12]。這些研究表明糠醛抽出油具有較好的再生潛力。但實(shí)際的路面維護(hù)中，廢瀝青都處于不同程度的老化狀態(tài)，瀝青組分比例失調(diào)的程度不同，再生的難度也不同[13]。

鑒于此，本文選擇糠醛抽出油作為再生劑，制備了3種不同老化程度的瀝青，研究糠醛抽出油對老化瀝青流變與感溫性能的影響規(guī)律，探究不同指標(biāo)對其性能評價的適用性，并分析糠醛抽出油作為再生劑的再生效果與應(yīng)用潛力。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 材料

1.1.1 再生劑

糠醛抽出油為黑色黏稠液體，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 糠醛抽出油主要技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 瀝青

(1)基質(zhì)瀝青與老化瀝青。采用殼牌70 #瀝青作為基質(zhì)瀝青(O)，在實(shí)驗(yàn)室條件下使用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)和壓力老化容器(PAV)制備3種不同老化程度的瀝青以供使用，分別是：輕度(D)、中度(M)、重度(L)。制備方法：輕度老化瀝青使用RTFOT老化2.5 h，中度老化瀝青使用RTFOT老化5 h，重度老化瀝青使用RTFOT老化85 min+PAV老化20 h。

(2)再生瀝青。糠醛抽出油的摻量是根據(jù)針入度、軟化點(diǎn)、延度、旋轉(zhuǎn)黏度確定的，這些指標(biāo)值越接近基質(zhì)瀝青，瀝青的再生效果越好。首先在135 ℃下以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的摻加梯度比例將糠醛抽出油加入老化瀝青中，使用剪切機(jī)攪拌15 min，制備再生瀝青并檢驗(yàn)其性能。基質(zhì)瀝青、老化瀝青、再生瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表2所示，瀝青編號后的數(shù)字代表摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，如D2表示糠醛抽出油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的輕度老化瀝青)。

表2 瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 流變性能測試

采用Kinexus動態(tài)剪切流變儀(DSR)測試再生瀝青的流變性能。

(1)頻率掃描。頻率掃描的試驗(yàn)溫度分別為4、24、44、64 ℃，采用0.5%應(yīng)變控制，掃描頻率為0.01～30 Hz。室內(nèi)試驗(yàn)難以測定瀝青在瞬時荷載與長期蠕變下的力學(xué)響應(yīng)，Williams-Lanbel-Ferry(WLF)時溫等效原理[14]認(rèn)為，黏彈行為在升溫與延時下等效，則低溫下的力學(xué)響應(yīng)可轉(zhuǎn)換為短時/高頻下，高溫下則轉(zhuǎn)換為長時/低頻下。通過WLF時溫等效原理，設(shè)定參考溫度為25 ℃，并利用Sigmoidal模型[15]將頻率掃描結(jié)果繪制成復(fù)數(shù)剪切模量-加載頻率主曲線，如圖1所示。

圖1 復(fù)數(shù)剪切模量-加載頻率主曲線

(2)溫度掃描和多重應(yīng)力蠕變(MSCR)試驗(yàn)。為了更準(zhǔn)確地預(yù)測糠醛抽出油再生瀝青的高溫性能，選擇溫度掃描試驗(yàn)的車轍因子G*/sinδ和MSCR試驗(yàn)的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr進(jìn)行評價，并分析2種指標(biāo)的關(guān)系。

測試瀝青的高溫性能常采用溫度掃描，以正弦振蕩的模式對瀝青進(jìn)行固定應(yīng)變的加載，得到復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角以及車轍因子。掃描溫度為46～76 ℃，升溫間隔為6 ℃，角頻率為10 rad/s。

MSCR試驗(yàn)設(shè)置樣品試驗(yàn)溫度為60 ℃，加載頻率為10 rad/s。分別在0.1 kPa和3.2 kPa的應(yīng)力水平下，進(jìn)行加載1 s后卸載恢復(fù)9 s的加載過程，循環(huán)10次。

(3)疲勞因子指標(biāo)和線性掃描振幅(LAS)試驗(yàn)：疲勞因子G*sinδ為評估瀝青在常溫下抗疲勞破壞能力的指標(biāo)，其作為線性黏彈性模量類指標(biāo)不能表征瀝青混合料的疲勞損傷特性，但可用于基質(zhì)瀝青的抗疲勞性能評價[16]。

線性掃描振幅試驗(yàn)則采用動態(tài)的頻率、應(yīng)變，能更好地模擬路面的實(shí)際荷載，試驗(yàn)得到的疲勞壽命Nf可以較好地反映瀝青混合料的抗疲勞性能[17]。試驗(yàn)過程包括頻率掃描和振幅掃描：先進(jìn)行頻率掃描，在25 ℃下，采用0.1%應(yīng)變控制，掃描頻率為0.2～30 Hz；再進(jìn)行振幅掃描，在25 ℃的溫度和10 Hz的頻率下，應(yīng)變從0.1%線性增加到30%，循環(huán)3 100次得到瀝青的疲勞壽命。

1.2.2 彎曲蠕變(BBR)試驗(yàn)

采用TE-BBR-F型彎曲梁流變儀進(jìn)行BBR試驗(yàn)以探究各瀝青的低溫抗裂性能，評價指標(biāo)為蠕變勁度S和蠕變速率m。選取的溫度為-18、-12、-6 ℃，加載時間為60 s，試驗(yàn)溫度為低溫等級加10 ℃，則該試驗(yàn)溫度可分別代表-28、-22、-16 ℃的低溫等級。

2 分析與討論

2.1 寬頻域下動力學(xué)性能

復(fù)數(shù)剪切模量-加載頻率主曲線如圖1所示，復(fù)數(shù)剪切模量與加載頻率均取對數(shù)。由圖1可知，復(fù)數(shù)剪切模量從高頻(低溫)至低頻(高溫)呈減小趨勢，符合升溫時瀝青從彈性體變?yōu)榱黧w的規(guī)律，且低頻時越大的模量表征越好的高溫性能，高頻時越大的模量表征越差的低溫性能。瀝青的老化表現(xiàn)為復(fù)數(shù)剪切模量的增大，老化瀝青與基質(zhì)瀝青的模量差值在低頻時比高頻時大，表明瀝青老化能較明顯地提升高溫性能，略降低低溫性能，且老化程度越高，高溫性能越強(qiáng)，低溫性能越差。

摻加糠醛抽出油后，同頻率下模量隨摻量的增大而減小。這是因?yàn)榭啡┏槌鲇脱a(bǔ)充了瀝青老化損失的輕質(zhì)組分，會降低老化瀝青的高溫性能，但增大了低溫下的流動性，減小了低溫脆性破壞的可能。由圖1可知，D4、M5、M7、L8再生瀝青性能較為接近基質(zhì)瀝青水平。

2.2 高溫抗變形性能

2.2.1 車轍因子

車轍因子G*/sinδ可用于評價瀝青的高溫性能，其值越大，高溫下的抗剪切變形能力越強(qiáng)，高溫性能越好。瀝青的車轍因子隨溫度的變化曲線如圖2所示。

由圖2可知，車轍因子隨溫度的增加而減小，這是因?yàn)楦邷厥篂r青變軟，降低了抗變形能力。瀝青老化程度越高，車轍因子越大，高溫性能越好，這也驗(yàn)證了頻率掃描的試驗(yàn)結(jié)果。摻加糠醛抽出油后，車轍因子呈減小趨勢，摻量越大車轍因子減小越明顯。在46～76 ℃下，再生瀝青在D4、M7、L8摻量下的車轍因子與基質(zhì)瀝青基本相同。

圖2 車轍因子隨溫度的變化曲線

2.2.2 多重應(yīng)力蠕變(MSCR)試驗(yàn)

MSCR試驗(yàn)采用應(yīng)變恢復(fù)率R、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康膽?yīng)力敏感性參數(shù)Jnrdiff評價瀝青的高溫性能。R表示瀝青蠕變過程中彈性變形量的占比，Jnr表示不可恢復(fù)的變形量。R越大、Jnr越小時，表示瀝青在高溫下的變形容易恢復(fù)，高溫性能好。樣品在0.1 kPa和3.2 kPa下的MSCR試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 MSCR試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，基質(zhì)瀝青的Jnr在2種應(yīng)力條件下均最大，R均最小。這是因?yàn)榛|(zhì)瀝青在蠕變過程中變形多為不可恢復(fù)的黏性變形，不具有較好的抗永久變形能力。各瀝青的Jnr在3.2 kPa時比0.1 kPa時的大，R則相反。這是因?yàn)閼?yīng)力水平較高時的變形不易恢復(fù)，彈性變形量也較小。

摻加糠醛抽出油后，再生瀝青的Jnr隨摻量的增加而增大，但始終小于基質(zhì)瀝青；R隨摻量的增加而減小，但始終大于基質(zhì)瀝青。這是因?yàn)榭啡┏槌鲇驮黾恿藶r青中黏性小分子的比例，會減小瀝青的彈性變形量，摻量越大高溫性能降低越多，但總體上再生瀝青抗永久變形能力比基質(zhì)瀝青好。

車轍因子評價結(jié)果已表明，糠醛抽出油摻量為D4、M7、L8時，車轍因子基本恢復(fù)到基質(zhì)瀝青水平。對比同摻量下的Jnr評價結(jié)果，發(fā)現(xiàn)0.1 kPa時，D4、M7、L8再生瀝青的Jnr分別為基質(zhì)瀝青的53.5%、66.5%、35.1%，R分別為基質(zhì)瀝青的4.8、4.7、5.5倍；3.2 kPa時，Jnr分別為基質(zhì)瀝青的55.1%、67.9%、35.0%，R分別為基質(zhì)瀝青的5、7、15倍。表明此摻量下再生瀝青的高溫性能比基質(zhì)瀝青有較大提升。從以上2種評價方法的試驗(yàn)原理和結(jié)果來看，MSCR試驗(yàn)更符合路面實(shí)際荷載狀況，所以更適合用來評價再生瀝青的高溫性能。

2.3 中溫抗疲勞性能

2.3.1 疲勞因子

瀝青在常溫下的抗疲勞性能可用疲勞因子G*sinδ評價，G*sinδ越大，瀝青受荷載作用造成的性能損失越快，抗疲勞性能越弱。疲勞因子隨溫度的變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，疲勞因子隨溫度的降低呈線性增大，說明降溫會使瀝青的抗疲勞性能大幅下降。相同溫度下，糠醛抽出油的摻量越大，疲勞因子越小，說明糠醛抽出油能夠改善瀝青的抗疲勞性能，改善效果隨摻量增加而增強(qiáng)。在D4、M5、L6時，再生瀝青的抗疲勞性能已優(yōu)于基質(zhì)瀝青，再加大摻量對抗疲勞性能的改善仍可提高，但效果相對減弱。

圖3 疲勞因子隨溫度的變化曲線

2.3.2 線性掃描振幅(LAS)試驗(yàn)

瀝青受剪切應(yīng)力，應(yīng)變從0.1%線性增加到30%的過程中應(yīng)力也在增大，當(dāng)達(dá)到一定的應(yīng)變時，應(yīng)力出現(xiàn)峰值，即表示瀝青發(fā)生疲勞破壞。LAS應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。

由圖4可知，應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在10%應(yīng)變附近。隨糠醛抽出油摻量的增加，再生瀝青的應(yīng)力峰值右移且峰值減小，說明摻加糠醛抽出油使瀝青變軟，能承受的應(yīng)力峰值降低了，但能承受的應(yīng)變水平增強(qiáng)，這可減緩應(yīng)力增加時對瀝青的疲勞損害。在D4、D6、M7、L8、L10時，再生瀝青應(yīng)力峰值、疲勞破壞時的應(yīng)變均接近基質(zhì)瀝青水平。

圖4 LAS應(yīng)力-應(yīng)變曲線

LAS試驗(yàn)還可獲得瀝青疲勞壽命Nf，Nf越大，瀝青的抗疲勞壽命越長。各瀝青在應(yīng)變水平為2.5%、5%時的疲勞壽命Nf如圖5所示。

圖5 瀝青疲勞壽命

由圖5可知，2種應(yīng)變水平下，隨著糠醛抽出油摻量的增加，Nf提高，這印證了疲勞因子的評價結(jié)果，即糠醛抽出油可以使瀝青的抗疲勞性能改善。2.5%的應(yīng)變水平下，D6、M5、L8摻量的再生瀝青Nf與基質(zhì)瀝青相當(dāng)，再加大摻量，Nf提高，抗疲勞性能更優(yōu)；5%的應(yīng)變水平下，除M5、L6摻量的再生瀝青Nf低于基質(zhì)瀝青，其余再生瀝青的Nf均高于基質(zhì)瀝青，表明糠醛抽出油提升老化瀝青抗疲勞性能的能力在高應(yīng)變水平下的效果更好。以2種應(yīng)變水平下的Nf均較接近基質(zhì)瀝青水平為標(biāo)準(zhǔn)，適宜的摻量為D4、D6、M7、L8。

2.4 低溫抗開裂性能

彎曲蠕變(BBR)試驗(yàn)獲得的指標(biāo)為蠕變勁度S和蠕變速率m。S表示瀝青在低溫時抵抗荷載的能力，S越小瀝青越軟，低溫下不易開裂。m表示瀝青在荷載作用下S的變化快慢，m越大時S變化越慢，瀝青在低溫荷載作用下內(nèi)部拉應(yīng)力越小，低溫下也不易開裂。瀝青的BBR試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，再生瀝青蠕變勁度均小于基質(zhì)瀝青，蠕變速率均大于基質(zhì)瀝青；隨著溫度升高，各瀝青蠕變勁度均減小，蠕變速率均增大，表明摻加糠醛抽出油能改善瀝青在低溫時的柔韌性和應(yīng)力松弛能力，提高低溫抗開裂性能，改善效果隨摻量增加而提高。SUPERPAVE[18]中認(rèn)為S<300 MPa且m>0.3時可防止瀝青的低溫開裂現(xiàn)象。由圖6可知，基質(zhì)瀝青的蠕變勁度和蠕變速率在-12 ℃時可達(dá)標(biāo)，其低溫等級為-22 ℃。摻加糠醛抽出油后，在摻量為D6、M9、L8、L10時可將再生瀝青的低溫等級提升至-28 ℃，其余摻量下低溫等級仍保持-22 ℃。

圖6 BBR試驗(yàn)結(jié)果

2.5 感溫性能評價

瀝青的感溫性能即溫度改變時，對黏滯性等性能產(chǎn)生影響的強(qiáng)弱，感溫性能影響著瀝青材料拌和、碾壓和使用時的性能。不同使用條件下的溫度不同，對感溫性能的需求也不同。瀝青再生中還存在黏度恢復(fù)較感溫性能恢復(fù)滯后的情況[19],因此有必要對感溫性能進(jìn)行研究。本文選取車轍因子指數(shù)GTS和低溫蠕變指數(shù)STS評價再生瀝青的感溫性能，GTS試驗(yàn)溫度為46～76 ℃，STS試驗(yàn)溫度為-18～-6 ℃。

2.5.1 車轍因子指數(shù)

車轍因子反映瀝青高溫抗變形的能力較好，與溫度的線性關(guān)系也較好，GTS越大，感溫性能越好。將車轍因子取對數(shù)后與溫度進(jìn)行線性擬合，其斜率可以反映車轍因子隨溫度的變化情況，計算式[20]為

lg(G*/sinδ)=GTS·T+K。

(1)

式中：G*/sinδ為車轍因子，kPa；T為溫度，℃；GTS為車轍因子指數(shù)；K為常數(shù)。

采用式(1)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表4(第2、3列)所示。由表4可知，隨著糠醛抽出油摻量增大，GTS增大，再生瀝青在46～76 ℃時的感溫性能增強(qiáng)，但僅M9、L10再生瀝青的感溫性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青，其余再生瀝青的感溫性能較基質(zhì)瀝青有1%～6%的削弱。

2.5.2 低溫蠕變指數(shù)

(1)蠕變勁度指數(shù)STSS。在-18～-6 ℃的低溫下，將蠕變勁度S取對數(shù)后與溫度進(jìn)行線性擬合，其斜率定義為蠕變勁度指數(shù)STSS。當(dāng)STSS越大時，感溫性能越好。計算式為

lgS=STSS·T+M。

(2)

式中：S為蠕變勁度，MPa；T為溫度，℃；STSS為蠕變勁度指數(shù)；M為常數(shù)。

采用式(2)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表4所示(第4、5列)。由表4可知，糠醛抽出油摻量增大，中度老化瀝青的STSS減小，感溫性能下降；輕度和重度老化瀝青的STSS則基本無變化，感溫性能不受影響。各再生瀝青的STSS都比基質(zhì)瀝青小，在-18～-6 ℃的低溫下，感溫性能弱于基質(zhì)瀝青。

(2)蠕變速率指數(shù)STSm。在-18～-6 ℃的低溫下，將蠕變速率m與溫度進(jìn)行線性擬合，其斜率定義為蠕變速率指數(shù)STSm。STSm越小時，感溫性能越好。計算式為

m=STSm·T+N。

(3)

式中：m為蠕變速率；T為溫度，℃；STSm為蠕變速率指數(shù)；N為常數(shù)。

采用式(3)進(jìn)行擬合，結(jié)果如表4所示(第6、7列)。由表4可知，糠醛抽出油摻量增大，重度老化再生瀝青的STSm減小，感溫性能增強(qiáng)；輕度和中度老化再生瀝青的STSm增大，感溫性能下降。以STSm評價，僅D6、M9時的感溫性能弱于基質(zhì)瀝青。對比STSS和STSm對瀝青感溫性能的評價，發(fā)現(xiàn)兩者表征的感溫性能變化規(guī)律不同，但STSm與溫度的相關(guān)系數(shù)比STSm大，本文以STSm的評價結(jié)果為準(zhǔn)。

表4 感溫性能線性擬合指標(biāo)

2.6 確定糠醛抽出油最佳摻量

通過試驗(yàn)測定了再生瀝青的各項(xiàng)性能，以再生瀝青各項(xiàng)性能均基本恢復(fù)到基質(zhì)瀝青水平時的摻量作為最佳摻量。綜合來看，在D4、M7、L8的摻量下效果最佳，此時再生瀝青的施工和易性、抗疲勞性、疲勞壽命、抗開裂性均與基質(zhì)瀝青的表現(xiàn)基本相當(dāng)；高溫性能和-18～-6 ℃時的感溫性能較基質(zhì)瀝青更優(yōu)；46～76 ℃時的感溫性能稍弱，但削弱均不足3%。可見糠醛抽出油在合適摻量下對于不同老化程度的瀝青，能夠恢復(fù)大部分性能至基質(zhì)瀝青水平，因此具有良好的再生潛力。

3 結(jié)論

(1)通過分析各瀝青在寬頻域下的主曲線，發(fā)現(xiàn)老化會使得瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量增大，高溫抗變形性能增強(qiáng)。摻加糠醛抽出油后，模量隨摻量的增加而減小，會削弱高溫抗變形性能。車轍因子恢復(fù)至基質(zhì)瀝青水平時的摻量下，MSCR試驗(yàn)表明再生瀝青的高溫抗變形性能比基質(zhì)瀝青好。

(2)糠醛抽出油對老化瀝青抗疲勞性能和抗開裂性能的改善效果均隨摻量的增加而提升。

(4)隨糠醛抽出油摻量增加，再生瀝青的感溫性能在46～76 ℃時增強(qiáng)；在-18～-6 ℃時，重度老化再生瀝青增強(qiáng)，輕度和中度老化再生瀝青下降。

(5)以各項(xiàng)指標(biāo)基本恢復(fù)到基質(zhì)瀝青水平確定的最佳摻量為輕度老化4%，中度老化7%，重度老化8%，此摻量下大部分性能與基質(zhì)瀝青相當(dāng)。