植物油再生瀝青及其混合料路用性能試驗研究

孟建瑋， 魏 琳， 曹志國， 唐福賢， 孟獻春

(1.河南省濟陽高速公路建設(shè)有限公司， 河南 濟源 454100； 2.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 鄭州 451000；3.武漢市漢陽市政建設(shè)集團有限公司， 武漢 430050； 4.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

當前我國高等級公路已進入大中修時期，對瀝青混凝土路面維修，采用路面再生技術(shù)是當前最環(huán)保、最經(jīng)濟的工程措施。美國自1915年開始研究瀝青路面再生技術(shù)，已擁有相當豐富的技術(shù)積累；日本自1976年開始研究瀝青路面再生技術(shù)，目前其RAP利用率已高達80%以上[1]；我國2003年在京津塘高速、京石高速上開展應(yīng)用瀝青再生技術(shù)，標志著我國公路養(yǎng)護正式進入可持續(xù)發(fā)展時代，但我國瀝青再生技術(shù)研究起步較晚，與發(fā)達國家還有很大差距。

道路石油瀝青是一種復(fù)雜的有機混合物，是原油通過減壓蒸餾的產(chǎn)物，不同產(chǎn)地的瀝青各組分含量也有差異。瀝青是由芳香分、飽和分、膠質(zhì)以及瀝青質(zhì)有機組合而成的溶膠結(jié)構(gòu)，當瀝青長期暴露在空氣中，經(jīng)熱氧老化、紫外老化的共同作用，瀝青中的輕質(zhì)組分會緩慢揮發(fā)或聚合為重組分，此時由于分散介質(zhì)的減少，瀝青的流變能力減弱并逐漸硬化，從溶膠結(jié)構(gòu)經(jīng)溶凝膠結(jié)構(gòu)向凝膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，從而完成老化過程[2]。再生，即老化的逆過程，目前主流的再生理論有組分調(diào)和理論、相容性理論和橡膠增塑理論。SHEN等[3]的研究結(jié)果表明，再生劑可顯著改善老化瀝青混合料的低溫性能。GONG[4]開發(fā)了一種以生物油為基礎(chǔ)油分的再生劑，通過對生物油改性瀝青的流變特性、微觀結(jié)構(gòu)等進行研究，發(fā)現(xiàn)其可以軟化老化瀝青，提高低溫抗裂性能。JIA等[5]研究發(fā)現(xiàn)，當加入適量廢機油時，可顯著改善瀝青的流變性能和紅外光譜特性，提高低溫性能。本研究在組分調(diào)和理論基礎(chǔ)上開展研究，通過調(diào)和瀝青各組分之間的比例關(guān)系，使老化瀝青恢復(fù)其原有組分，并以菜籽油作為再生劑，探討不同摻量再生劑對再生瀝青及其混合料路用性能的影響[6]。

1 再生劑制備

根據(jù)組分調(diào)和理論觀點，再生劑應(yīng)具有較高的輕質(zhì)組分、獲取簡單及成本經(jīng)濟等優(yōu)點。特選取菜籽油作為再生劑的基礎(chǔ)油，菜籽油中的飽和分和芳香分之和占總質(zhì)量的58.8%，且不含瀝青質(zhì)，其組分見表1。菜籽油常溫下為液體，凝固點為-10 ℃，沸點為335 ℃，通過DSC測試其高溫穩(wěn)定性，結(jié)果如圖1所示，在200 ℃高溫條件下，基本不會發(fā)生熱損耗，滿足再生瀝青混合料施工過程中的嚴苛條件，是一種耐高溫的優(yōu)良基礎(chǔ)油分。

由于單一的輕質(zhì)油僅僅具備組分調(diào)節(jié)功能，老化瀝青中的瀝青質(zhì)分子量很大，聚集成團，不易分散，所以需要添加一種能夠有效溶解瀝青質(zhì)的高效溶解劑，將聚集在一起的瀝青質(zhì)分散成更小的瀝青質(zhì)，這樣才能使瀝青質(zhì)在分散介質(zhì)中“游動”，將團聚的大塊瀝青質(zhì)溶解，使其分布均勻，有效提高瀝青的流動性，宏觀上表現(xiàn)為瀝青的變形能力增強，延展性提高[7]。為此，選擇鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)作為溶解劑，DMP是一種無色透明微黃色油狀液體，稍有芳香味，易溶于有機溶劑，與瀝青的相溶性極好，沸點為283.7 ℃，滿足再生瀝青混合料的生產(chǎn)溫度要求。

表1 菜籽油的化學(xué)組分 wt%

圖1 菜籽油的高溫穩(wěn)定性測試

為延長再生瀝青在不同環(huán)境下的使用壽命，須先解決再生瀝青的抗二次老化問題，如果不能抑制再生瀝青的老化，再生瀝青的輕質(zhì)組分會再次揮發(fā)，陷入老化-再生-老化的循環(huán)之中。為此，選取二烷基二硫代磷酸鋅(ZDDP)作為抗老化劑，ZDDP在熱氧條件下發(fā)生氧化作用生成氧化鋅膜，從而隔絕氧氣防止繼續(xù)氧化。

將菜籽油、DMP、ZDDP按照特定比例分別加入到反應(yīng)釜中，在130 ℃條件下，高速攪拌約1 h，待其自然冷卻后保存。

2 再生瀝青制備及性能分析

2.1 再生瀝青制備

1) 將工程現(xiàn)場銑刨的RAP風干，采用四分法分成4份；2) 隨機抽取一份放入離心抽提機中，用三氯乙烯作為溶劑，將溶劑加熱后開啟抽提機；3) 瀝青在高溫和離心作用下溶于三氯乙烯中，礦粉留在濾紙上，舊集料分別留在相應(yīng)篩上；4) 將三氯乙烯溶液進行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，溶劑越來越少，瀝青逐漸析出；5) 將溶劑蒸干后稱量其質(zhì)量，得到該批RAP的舊瀝青含量為3.64%。

為驗證抗老化劑ZDDP對再生瀝青的抗老化效果，將上述抽提得到的老化瀝青分別與不同摻量的再生劑混合，進行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗[8]，并測定其質(zhì)量損失率，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，隨著再生劑摻量的增加，再生瀝青質(zhì)量損失率逐漸降低，但再生劑摻量6%以后質(zhì)量損失率的變化趨穩(wěn)，而在0%到6%范圍內(nèi)，ZDDP含量的增加使其抗氧化性能增強，6%以后有用的ZDDP含量已達到飽和，其氧化產(chǎn)物氧化鋅膜已完全包裹住瀝青表面，致使其質(zhì)量損失不再繼續(xù)降低。

圖2 再生劑摻量與再生瀝青質(zhì)量損失率關(guān)系

2.2 再生瀝青性能分析

取抽提出來的老化瀝青與不同摻量的再生劑混溶，對再生瀝青進行四組分分析，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，隨著再生劑摻量的增加，飽和分、芳香分、膠質(zhì)含量均有所增加，瀝青質(zhì)的含量明顯下降，在0%到6%過程中變化較明顯，再生劑摻量超過6%后變化幅度趨于平緩。

通過不同摻量再生劑再生后，老化瀝青的三大指標變化如圖4所示。由圖4可知，隨再生劑摻量的增加，再生瀝青的延度和針入度不斷增大，軟化點逐漸降低。即再生劑中的輕質(zhì)組分融入到老化瀝青中，溶解并分散了老化瀝青中的瀝青質(zhì)，使瀝青軟化，表現(xiàn)為延度和針入度增大，軟化點降低。

采用瀝青動態(tài)剪切流變儀，以車轍因子(G*/sinδ)為指標，分析再生瀝青的高溫性能，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，隨著溫度升高，瀝青的車轍因子明顯下降，但再生瀝青車轍因子下降的斜率明顯低于老化瀝青，說明再生劑的加入改善了老化瀝青的高溫敏感性[9]；且隨著再生劑摻量的增加，車轍因子越來越小，表明再生劑對瀝青的軟化效果顯著，當再生劑摻量為8%時，再生瀝青的車轍因子基本與新瀝青相同。

圖3 再生劑摻量與四組分含量關(guān)系

圖4 再生劑對老化瀝青三大指標影響

圖5 再生瀝青車轍因子

由于植物油中的輕質(zhì)油分滲入到老化瀝青中，激發(fā)了老化瀝青的表面活性，促使新老瀝青界面開放，由于新舊瀝青各組分之間存在的濃度差會提供一種融合動能，促使高濃度組分向低濃度組分流動，并達到一種平衡濃度，從而完成新老瀝青融合再生[10]。但因瀝青為復(fù)雜的有機物，各種官能團和化學(xué)鍵形成的引力組合對這種融合動力會造成一定的損耗，致使新瀝青與舊瀝青各組分不能完全一致[11]。外界溫度高時，瀝青動力黏度會降低，此時阻礙作用變小，有利于新老瀝青組分再平衡；當外界溫度降低時，瀝青的黏度增大，新舊瀝青之間的粘滯力呈指數(shù)增長，此時新瀝青會停止擴散[12-13]。新舊瀝青之間形成一道明顯的界線，在外力作用下該界線容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，發(fā)生斷裂，直接導(dǎo)致再生混合料剝落，對再生混合料的水穩(wěn)定性和耐久性產(chǎn)生不利影響[12]。

3 再生瀝青混合料性能評價

工程實踐表明，摻加RAP的再生瀝青混合料的高溫性能均優(yōu)于新拌瀝青混合料，完全滿足規(guī)范要求。已有研究和應(yīng)用指出，低溫應(yīng)變和水穩(wěn)定性是制約RAP摻量的主要因素。為此，本文主要考慮再生劑摻量和RAP摻量對再生瀝青混合料水穩(wěn)定性與低溫性能的影響[13]。低溫性能采用-10 ℃條件下的小梁彎曲試驗驗證，水穩(wěn)定性能采用凍融劈裂試驗驗證，分別取最大彎拉應(yīng)變δ和凍融劈裂抗拉強度比TSR作為響應(yīng)指標，試驗采用雙因素四水平正交試驗，并采用Design-Expert設(shè)計共計16組試驗，根據(jù)設(shè)計結(jié)果分別進行再生瀝青混合料的低溫小梁彎曲試驗和凍融劈裂試驗，結(jié)果見表2。

根據(jù)正交試驗得到的最大彎拉應(yīng)變δ和TSR試驗結(jié)果，以再生劑摻量A和RAP摻量B作為變量，通過二次擬合生成得出其相關(guān)擬合方程：

δ=-17.94A2-0.21B2-2AB+386.3A+17.21B+1 262.92

TSR=-0.23A2-0.000 395B2+6.39AB+3.75A-0.31B+83.76

以擬合方程作為預(yù)測模型，最大彎拉應(yīng)變和TSR響應(yīng)模型預(yù)測值與試驗值的對比如圖6、圖7所示。圖6、圖7中，K=1的直線上任意一點表示預(yù)測值與試驗值完全吻合，由于數(shù)學(xué)模型的擬合不可能做到完全擬合，因此最為理想的擬合結(jié)果為試驗值均勻地分布在K線的兩側(cè)且緊鄰K線，點到K線的數(shù)值距離或水平距離的大小即代表模型的偏離程度。當點出現(xiàn)在K線上側(cè)說明預(yù)測值大于試驗值，反之則說明預(yù)測值小于試驗值，對比分析K線附近點的分布規(guī)律，有利于把握模型的可靠程度。

表2 正交試驗設(shè)計

圖6 最大彎拉應(yīng)變預(yù)測值與實際值對比

圖7 TSR預(yù)測值與實際值對比

以最大彎拉應(yīng)變?yōu)轫憫?yīng)指標的響應(yīng)如圖8所示。由圖8可知，在無再生劑作用下，無論RAP摻量為多少，均達不到規(guī)范要求的2 000 με，且隨著RAP摻量的增加，最大彎拉應(yīng)變略微下降；在低RAP摻量條件下，最大彎拉應(yīng)變隨著再生劑的增加而增大，說明再生劑在一定范圍內(nèi)對老化瀝青的低溫延性改善較好，但當RAP摻量超過40%，再生劑的摻量在8%左右會出現(xiàn)峰值，此時再提高再生劑的摻量也無法更好地提高再生瀝青混合料的低溫變形性能。

圖8 最大彎拉應(yīng)變擬合3D圖

以TSR為響應(yīng)指標的3D云圖如圖9所示。由圖9可知，再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能受RAP摻量影響很大，在無再生劑作用下，RAP摻量超過30%將無法滿足規(guī)范要求75%的TSR值。再生劑的加入會使得TSR值產(chǎn)生較大的增長，特別是在0%～8%區(qū)間內(nèi)，再生劑的摻量超過8%后對再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能增長效果不再顯著，甚至會略微下降，這是由于高劑量的再生劑在短暫的拌和時間內(nèi)無法與瀝青完全融合，致使新集料表面接觸到過多的再生劑油膜，從而導(dǎo)致瀝青與新集料之間黏附力不足，水穩(wěn)定性下降。

圖9 TSR擬合3D圖

由最大彎拉應(yīng)變和TSR為響應(yīng)指標的2D云圖如10所示，規(guī)范值用等高線表示。圖10(a)中，被2 000等高線包圍的區(qū)域為滿足最大彎拉應(yīng)變規(guī)范要求的組合，區(qū)域內(nèi)每一個點可代表一種組合方式；圖10(b)中， 75等高線趨近于直線，其右下方區(qū)域均滿足規(guī)范要求，由于水穩(wěn)定性指標比較容易達到，因此75等高線的曲線半徑非常大，在小范圍內(nèi)近似于直線。從圖10(a)可見，在2 000等高線范圍內(nèi)有2個區(qū)域，右下角區(qū)域的低溫性能遠遠超過規(guī)范要求值。為得到較好的經(jīng)濟性，即RAP利用率越高，再生劑產(chǎn)量相對較小又能夠滿足規(guī)范要求，在再生劑6%摻量下，RAP的摻量可高達接近80%。從圖10(b)可見，30%RAP摻量以內(nèi)，幾乎不需要再生劑的參與就可滿足水穩(wěn)定性的要求，4%摻量的再生劑可讓RAP摻量提高到80%。為得到綜合低溫性能與水穩(wěn)定性能的解集，將圖10合并，其交集即為滿足2項性能的組合值，如圖11所示。

圖11中，陰影部分為2個解集的交集部分，即在該陰影部分上任意一點都可滿足規(guī)范要求。由圖11可知，水穩(wěn)定性指標對再生瀝青混合料性能的影響較小，不是制約RAP摻量的主要因素。因此，要提高RAP利用率，應(yīng)主要考慮其低溫變形性能。

(a) 最大彎拉應(yīng)變要求

(b) TSR要求

圖11 雙因素雙響應(yīng)交互作用云圖

4 結(jié)論

1) 添加6%摻量的ZDDP能有效減少瀝青的二次老化，6%摻量的再生劑能夠有效恢復(fù)老化瀝青4組分，將瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)化為芳香分和飽和分，且對老化瀝青的3大指標改善效果良好。

2) 動態(tài)剪切流變試驗表明，隨著再生劑摻量的增加，老化瀝青的車轍因子降低明顯，當再生劑摻量為8%時，可將老化瀝青的車轍因子恢復(fù)至新瀝青水平。

3) 在低摻量RAP條件下，最大彎拉應(yīng)力隨著再生劑的增加而增大，說明再生劑在一定范圍內(nèi)對老化瀝青的低溫延性改善較好，但當RAP摻量超過40%，再生劑的摻量在8%左右會出現(xiàn)峰值，此時再提高再生劑的摻量也無法更好地提高再生瀝青混合料的低溫變形性能。

4) 再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能受RAP摻量影響很大，在無再生劑作用條件下，RAP摻量超過30%將無法滿足規(guī)范要求75%的TSR值。再生劑的加入會使得TSR值產(chǎn)生較大的增長，特別是在0%～8%區(qū)間內(nèi)，再生劑的摻量超過8%后對再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能增長效果不再明顯。

5) 根據(jù)預(yù)測模型，綜合低溫性能和水穩(wěn)定性能，在6%再生劑摻量下，RAP的摻量可高達接近80%，此時其路用性能仍能滿足要求。需特別說明的是本次研究結(jié)果是基于室內(nèi)試驗，對于工程應(yīng)用，不僅是材料組成，還必須考慮生產(chǎn)設(shè)備的匹配。