一種植物油基再生劑對(duì)老化瀝青性能的影響

暢潤田, 王威, 樊長昕, 裴強(qiáng)

(山西省交通科技研發(fā)有限公司 新型道路材料國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030006)

隨著中國公路建設(shè)的飛速發(fā)展，每年需要翻修的瀝青路面隨之迅速增長。如果大量經(jīng)翻挖、銑刨的瀝青混合料被廢棄，會(huì)污染環(huán)境、浪費(fèi)資源，而且開采新石料會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，因而廢舊瀝青混合料的資源化應(yīng)用意義重大。廢舊瀝青混合料再生利用技術(shù)可以100%利用舊瀝青混合料，節(jié)約能源和資源，大幅降低瀝青路面服役周期成本，其中再生劑是施工中較為關(guān)鍵的材料。目前，市面上大多數(shù)再生劑以輕質(zhì)油為主要成分，與抗老化劑、軟瀝青、增塑劑等材料復(fù)配而得。再生劑能夠補(bǔ)充老化瀝青的輕質(zhì)組分，保證瀝青各組分比例更合理，用于廢舊路面翻修施工時(shí)，可與老化瀝青相互融合，恢復(fù)老化瀝青路用性能，提升老化瀝青與集料的裹覆效果[1-3]。到目前為止，市面上再生劑品類較為單一，大多通過在芳烴油中添加少量助劑攪拌而得。

廢棄的植物油經(jīng)歷高溫后含有大量有毒有害物質(zhì)，極大損傷人體，若經(jīng)下水管沖流而下，嚴(yán)重污染水源，且浪費(fèi)資源。該文以過濾提純處理后的廢棄植物油為主要原料，自主研發(fā)得一種瀝青再生劑，實(shí)驗(yàn)室對(duì)比測(cè)評(píng)自研再生劑與市購兩種不同再生劑的性能指標(biāo)，包括旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化前后再生劑的質(zhì)量和粘度變化、對(duì)老化瀝青三大指標(biāo)的恢復(fù)效果等。最后結(jié)合動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)(DSR)中車轍因子G*/sinδ以及相角δ隨溫度和加載頻率的變化規(guī)律，進(jìn)而確定出再生劑ZZ-1在工程應(yīng)用中的最佳摻量范圍。另外，自主研發(fā)再生劑真正實(shí)現(xiàn)變廢棄植物油為道路用原料，環(huán)保效益非常顯著，同時(shí)可大幅降低合成成本，且其制備過程簡便快捷，無需高溫加熱工序，加之其主要原料為植物油，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益非常顯著。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

廢棄植物油Z，芳烴油-36，穩(wěn)定劑D，抗老化劑P，增塑劑W，中海AH-70#基質(zhì)瀝青，再生劑P1，再生劑P2。

1.2 再生劑制備

再生劑ZZ-1組成及比例：芳烴油-36∶廢棄植物油Z∶增塑劑W∶抗老化劑P∶穩(wěn)定劑D=42∶47∶6∶3∶2。

加工工藝：50 ℃芳烴油-36加入廢棄植物油Z中，攪拌均勻后加入增塑劑、抗老化劑、穩(wěn)定劑。

1.3 再生瀝青制備

制備工藝：依照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》制備老化瀝青；將老化瀝青加熱到130 ℃，倒入相應(yīng)質(zhì)量的再生劑，攪拌均勻，得再生瀝青。

1.4 性能測(cè)試

再生劑性能指標(biāo)、基質(zhì)瀝青、再生瀝青常規(guī)指標(biāo)：依照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)試；傅里葉紅外圖譜測(cè)試時(shí)，在預(yù)先壓制的KBr片上涂抹一層相應(yīng)再生劑，在紅外燈下烘烤30 min，測(cè)試前KBr取本底值。

再生瀝青流變性能：復(fù)數(shù)模量、車轍因子、相位角隨頻率與溫度的變化關(guān)系曲線。采用美國DSR(DHR-1)儀器，采用直徑為25 mm的平板，板間距離為1 100 μm。試樣安放好在待測(cè)溫度下保持20～30 min后進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 再生劑結(jié)構(gòu)分析

自制再生劑ZZ-1及兩個(gè)對(duì)比樣的傅里葉紅外圖譜如圖1～3所示。其中ZZ-1與P2特征峰位置較為一致，均包括以下植物油特征峰：3 009、2 925、2 854 cm-1處飽和烷烴基C-H的伸縮振動(dòng)，1 746 cm-1處C=O，1 464、1 377 cm-1亞甲基彎曲振動(dòng)峰，1 238、1 163、1 099 cm-1處甘油三酯C-O的伸縮振動(dòng)峰，726 cm-1碳鏈骨架振動(dòng)峰，表明對(duì)比樣P2與自制再生劑均屬于以植物油基為主的產(chǎn)品。而對(duì)比樣P1中含有代表油品類物質(zhì)官能團(tuán)烷烴基C-H的伸縮振動(dòng)、碳鏈骨架振動(dòng)峰，除此以外748、881 cm-1處存在較為明顯的標(biāo)志芳環(huán)C=C伸縮振動(dòng)的吸收峰，綜合運(yùn)動(dòng)黏度指標(biāo)，分析認(rèn)為P1為純石油基類再生劑。

圖1 自制再生劑的傅里葉紅外圖譜

圖2 對(duì)比樣P1的傅里葉紅外圖譜

圖3 對(duì)比樣P2的傅里葉紅外圖譜

2.2 再生劑性能比較

再生劑作為一種老化瀝青添加材料，合適的黏度和滲透性能能夠保證其與舊瀝青更好地融合，實(shí)現(xiàn)集料均勻裹覆、集料之間黏合良好，另外，再生劑閃點(diǎn)高低也是評(píng)價(jià)材料儲(chǔ)存和使用安全性的重要指標(biāo)[4]。表1為3種再生劑樣品的基本參數(shù)。3種再生劑的閃點(diǎn)值均滿足技術(shù)要求，再生劑ZZ-1閃點(diǎn)略高于其余兩種再生劑，說明其安全性能最高[5]。黏度指標(biāo)不僅可以展示再生劑產(chǎn)品自身的流動(dòng)和滲透浸潤性能，也能夠表征產(chǎn)品中輕質(zhì)組分含量，黏度太大或者太小均會(huì)對(duì)再生效果產(chǎn)生不利影響[6]。60 ℃運(yùn)動(dòng)黏度數(shù)值顯示：3種再生劑均屬于RA-1型(黏度范圍為50～175 mm2/s)，作為植物油基再生劑，ZZ-1的黏度64 mm2/s，低于P2，即自研再生劑在施工中更易實(shí)現(xiàn)噴灑均一的效果。旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)前后質(zhì)量損失和黏度比能夠準(zhǔn)確地衡量再生劑抗老化性能，二者值越大，表明再生劑高溫分解和組分揮發(fā)越嚴(yán)重，抗老化性能越差[4,7]，3種再生劑中，再生劑P1的高溫抗老化最差，而自主研發(fā)再生劑ZZ-1老化前后質(zhì)量損失率極低，且其老化前后的黏度比最小，說明在高溫條件下該再生劑性能較為穩(wěn)定，相應(yīng)抗老化性能最好。

表1 不同再生劑性能比較

2.3 再生劑再生效果比較

以基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)為基準(zhǔn)，綜合分析3種再生劑對(duì)老化瀝青的再生效果，其中摻量均為6%。瀝青老化過程中，伴隨著輕組分揮發(fā)和油分向膠質(zhì)瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)變，體系中組分的變化，導(dǎo)致針入度和軟化點(diǎn)升高，延度急劇降低[8]。不同再生劑對(duì)老化瀝青的再生效果比較見表2。

表2 不同再生劑對(duì)老化瀝青的再生效果比較

由表2可知：3種再生劑加入老化瀝青中，針入度和延度上升，軟化點(diǎn)下降，即3種再生劑對(duì)老化瀝青均可發(fā)揮再生作用。另外，相同摻量條件下，再生劑ZZ-1可以保證再生瀝青的針入度上升到84(0.1 mm)，遠(yuǎn)高于基質(zhì)瀝青，說明該再生劑可以有效激發(fā)老化瀝青的活性，較好地溶解老化瀝青，且充分補(bǔ)充老化瀝青的輕質(zhì)組分，加入再生劑P1得到相應(yīng)再生瀝青針入度能夠恢復(fù)到基質(zhì)瀝青的水平，而再生劑P2相應(yīng)的再生瀝青針入度為61(0.1 mm)，說明該摻量條件下，再生劑P2無法足量補(bǔ)充老化瀝青的輕質(zhì)組分。另外，再生劑ZZ-1和P1相應(yīng)再生瀝青10 ℃延度較基質(zhì)瀝青有明顯的提升，尤其是再生劑ZZ-1，10 ℃延度可達(dá)83 cm以上，表明該再生劑保證再生效果的同時(shí)能夠極大地提升瀝青的延展性能，再生劑P2制備的再生瀝青指標(biāo)與基質(zhì)瀝青基本一致，說明同樣的摻量條件下，再生劑ZZ-1對(duì)老化瀝青的再生效果最好，再生劑P2的再生效果相對(duì)較差。成本方面，自研再生劑ZZ-1合成成本約為4 000元/t，遠(yuǎn)低于市場(chǎng)購置再生劑售價(jià)(8 000元/t以上)。因而，自研再生劑能夠兼顧確保施工安全性、提升路面性能和降低施工成本等。

2.4 再生劑摻量對(duì)再生效果的影響規(guī)律

自主研發(fā)再生劑ZZ-1在摻量6%時(shí)即可保證再生瀝青針入度和延度指標(biāo)高于基質(zhì)瀝青，因此針對(duì)短期老化瀝青，試驗(yàn)測(cè)試了再生劑的摻量對(duì)再生效果的影響規(guī)律，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4、5所示，其中再生劑摻量分別為3%、4%、5%、6%、7%。由圖4、5可知，隨著再生劑摻量的增加，老化瀝青的針入度隨再生劑摻量增加呈明顯上升趨勢(shì)，軟化點(diǎn)隨之大幅下降，說明再生劑的加入可以有效降低老化瀝青的硬度，且數(shù)據(jù)顯示、再生劑摻量達(dá)到5%時(shí)，再生瀝青的針入度已經(jīng)達(dá)到70(0.1 mm)，而此時(shí)軟化點(diǎn)為48.5 ℃，較基質(zhì)瀝青高0.5 ℃。因而，對(duì)于短期老化瀝青，再生劑ZZ-1摻量為5%左右，即可保證較好的再生效果。

圖4 老化瀝青軟化點(diǎn)和針入度隨再生劑摻量增加的變化規(guī)律

再生劑ZZ-1可以顯著提升老化瀝青的延展性能，且隨著再生劑摻量的增加再生瀝青延度提高幅值更加明顯，說明該再生劑可以較好地恢復(fù)老化瀝青的性能，同時(shí)顯著提升老化瀝青的韌性和延展性能。當(dāng)再生劑摻量達(dá)到5%時(shí)，10 ℃延度59 cm，明顯高于基質(zhì)瀝青35 cm，15 ℃延度為91 cm，略低于基質(zhì)瀝青，但仍有較大的恢復(fù)效果。

圖5 老化瀝青延度(10 ℃和15 ℃)隨再生劑摻量增加的變化規(guī)律

綜合分析，對(duì)于短期老化瀝青而言，再生劑ZZ-1摻量為5%～6%即可保證較好的再生效果，因而在實(shí)際應(yīng)用中，可依據(jù)測(cè)試結(jié)果、施工成本以及工程實(shí)際情況等多方面因素適當(dāng)調(diào)節(jié)再生劑摻量。

2.5 再生瀝青流變性能

為了更加精準(zhǔn)地評(píng)價(jià)路面受荷載和溫度的影響情況，美國SHRP計(jì)劃引入車轍因子(G*/sinδ)，用來表征瀝青路面的抗永久變形能力，其值越大，相應(yīng)瀝青路面的抗車轍能力越強(qiáng)[3]。圖6、7分別為基質(zhì)瀝青、老化瀝青以及再生劑摻量5%和6%條件下再生瀝青的車轍因子隨溫度和頻率的變化關(guān)系曲線，其中，溫度和加載頻率范圍分別為30～90 ℃和0.1～100 rad/s。所有瀝青樣品在高溫和低頻區(qū)G*/sinδ達(dá)到最小，這與實(shí)際瀝青路面的應(yīng)用性能一致，即溫度越高，加載頻率越大，瀝青的抗變形能力越差。老化后，由于瀝青中輕組分減少，體系變硬，因而相同溫度和頻率下，老化瀝青的G*/sinδ較基質(zhì)瀝青更高[3,9]。再生劑的加入能夠明顯降低老化瀝青的G*/sinδ，說明再生劑可以基本恢復(fù)基質(zhì)瀝青的性能，另外，當(dāng)再生劑摻量為5%～6%時(shí)，再生瀝青G*/sinδ均可以保持在基質(zhì)瀝青相應(yīng)曲線上下較小幅值內(nèi)波動(dòng)。

圖6 不同瀝青車轍因子隨溫度的變化曲線

圖7 60 ℃條件下，不同瀝青車轍因子隨頻率的變化曲線

圖8為瀝青相位角δ隨溫度的變化關(guān)系曲線。δ越大，材料結(jié)構(gòu)中鏈段運(yùn)動(dòng)越困難，形變滯后于外力變化，相應(yīng)瀝青路面彈性恢復(fù)能力差[10]。老化瀝青中，起黏性作用的輕組分減少，體系剛性增強(qiáng)，瀝青材料對(duì)外力的緩沖程度較小，因而δ相應(yīng)較小。再生瀝青中輕組分得到補(bǔ)充，受壓縮能力顯著增強(qiáng)，體系中存在較大的變形緩沖空間，因而其δ值較老化瀝青大[11]。由圖8可知，再生劑摻量為5%和6%時(shí)，相應(yīng)的相位角曲線并無明顯差異，幾乎與基質(zhì)瀝青重合，另外，在高溫區(qū)，曲線更容易產(chǎn)生變異點(diǎn)，這是由于再生瀝青黏性組分增多，體系的流動(dòng)性更強(qiáng)的緣故。

圖8 不同瀝青相位角隨溫度的變化曲線

圖9為60 ℃條件下，不同瀝青的相位角隨加載頻率的變化關(guān)系曲線。由圖9可知，基質(zhì)瀝青和老化瀝青在測(cè)試頻率范圍內(nèi)先呈增大趨勢(shì)，達(dá)到極值后δ減小，因?yàn)橐欢ǚ秶鷥?nèi)，行車速度越大，對(duì)路面造成的破壞程度越嚴(yán)重，當(dāng)荷載頻率持續(xù)增大，路面材料體系內(nèi)部的弛豫時(shí)間短暫，形變恢復(fù)越快，因而相位角又呈減小趨勢(shì)。對(duì)于再生瀝青而言，輕組分的增加，致使其軟化點(diǎn)大幅降低，當(dāng)溫度超過60 ℃，瀝青幾乎處于黏流狀態(tài)，因而相應(yīng)相角值較大，尤其是當(dāng)再生劑摻量為6%時(shí)，加載頻率范圍內(nèi)相位角值接近90°，即此時(shí)再生劑中輕組分能夠?qū)匣癁r青起到較好的融合和浸潤效果，使體系呈均一黏彈狀態(tài)。

圖9 60 ℃條件下，不同瀝青相位角隨頻率的變化曲線

3 結(jié)論

(1) 將回收的廢棄植物油經(jīng)過過濾提純，與芳烴油以及少量添加劑復(fù)配制得一種瀝青路面用熱再生劑ZZ-1。與市購兩種再生劑相比，自研再生劑同時(shí)具有較高的熱穩(wěn)定性和施工安全性。

(2) 自研再生劑能夠顯著提升老化瀝青的延展性，綜合瀝青流變行為曲線可得，當(dāng)其摻量為5%～6%時(shí)，即可保證較好的老化瀝青再生效果。

(3) 成本方面，再生劑ZZ-1合成成本遠(yuǎn)低于市購再生劑售價(jià)，可大幅降低路面翻修成本。另外，再生劑ZZ-1的推廣應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄植物油的資源化應(yīng)用，資源環(huán)境效益顯著。