利用生物廢油改性瀝青及其低溫路用性能研究

盧　強

(重慶工程職業(yè)技術學院， 重慶　400074)

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利用生物廢油改性瀝青及其低溫路用性能研究

盧強

(重慶工程職業(yè)技術學院， 重慶400074)

[摘要]為提高瀝青的低溫性能且降低改性瀝青的成本，采用經(jīng)濟環(huán)保的生物廢油改性瀝青技術。同時采用彎曲梁流變(BBR)試驗和單邊缺口梁(SENB)試驗試驗評估了油對瀝青低溫性能的影響。結(jié)果表明，當添加生物基和精煉廢油后，瀝青勁度降低，m值提高，瀝青的斷裂能增加，表明生物基和精煉廢油提高了瀝青的低溫性能。此外，瀝青混合料的約束試件溫度應力試驗(TSRST)結(jié)果表明，與基質(zhì)瀝青混合料相比，油改性瀝青混合料的凍斷溫度更低，這進一步驗證了所選用的油可以提高瀝青低溫性能。

[關鍵詞]瀝青； 油改性劑； 低溫性能； 單邊缺口梁試驗； 約束試件溫度應力試驗

1概述

為了提高瀝青路面的承載能力，減少由于極端氣候條件、交通荷載和氣候變化引起的瀝青路面損傷，越來越多的研究者更加關注于提高瀝青和瀝青混合料的性能。為了滿足瀝青路用性能的要求，道路工作者進行了大量的工作，包括研究聚合物外加劑、橡膠粉和一些其他外加劑對膠結(jié)料的影響[1-3]。由于聚合物改性瀝青及其混合料具有良好的路用性能，因而受到廣泛使用。目前使用的大多數(shù)瀝青改性劑能夠顯著提高瀝青高溫抗變形能力，但較少能夠提高低溫下的柔韌性。

低溫引起的瀝青路面開裂在寒冷氣候地區(qū)是一個嚴重的問題。因此，提高膠結(jié)料低溫斷裂和勁度特性值得重點關注。眾所周知，瀝青分子結(jié)構(gòu)可以分為油分、樹脂和瀝青質(zhì)[4]，一些研究者也將瀝青視為極性和非極性分子的混合物[5]。瀝青質(zhì)在瀝青中的主要貢獻為提高瀝青抗變形能力；流動特性主要由油狀分子貢獻，且通常認為瀝青具有較好的流動特性對于低溫性能是有利的。因此，增加瀝青中油分是提高膠結(jié)料低溫特性一個可行的方法。

相關研究表明，油可以作為一種瀝青改性劑。Villanueva等人[6]研究了潤滑油對瀝青低溫性能的影響，通過彎曲梁流變(BBR)試驗得到的m值發(fā)現(xiàn)改性瀝青的低溫等級并沒有顯著得到提高；Yousefi等人[7]研究了添加廢輪胎回轉(zhuǎn)窯熱解油后聚合物改性瀝青的特性，發(fā)現(xiàn)采用真空熱裂解獲得的10%熱解油(H18)改性瀝青具有良好的低溫特性；Seidel等人[8]研究了大豆脂肪酸對膠結(jié)料流變特性的影響，且認為大豆脂肪酸有可能作為難以拌合結(jié)合料的助熔劑。Xiaoyang[9]評估了含有廢機油殘留物瀝青膠結(jié)料的工程特性，發(fā)現(xiàn)廢機油含量達5%時，顯著改變了瀝青膠結(jié)料的紅外光譜和流變特性，從而導致了瀝青低溫性能的改善。Simon等人[10]通過瀝青XRF光譜研究了廢機油，且研究了廢機油對瀝青路面現(xiàn)場開裂的影響。他們認為廢機油殘留物可能引起物理硬化和容許應變的減少。鄧坤耀[11]研究認為，采用地溝油用于瀝青改性具有一定的可行性。

從以上文獻綜述可以看出，較少的論文討論了油對瀝青的影響，且大多數(shù)學者僅對部分種類的油進行了研究。隨著越來越多的新油填充劑和改性劑引入，有必要研究三種新油改性劑或填充劑對瀝青短期和長期性能的影響。本文將研究一些不同類別的油對膠結(jié)料低溫特性的影響。

2材料和試驗

2.1使用的材料

本研究中基質(zhì)瀝青為新疆地區(qū)常使用的克拉瑪依產(chǎn)道路石油瀝青(KLMY)，SHRP性能分級為PG 64-22。使用6種油作為改性劑，包括生物油、石油基油和精煉廢油，詳細的信息如表1所示。石蠟油1和石蠟油2區(qū)別在他們的化學成分比例不同。

表1 研究中使用的油改性Table1 Oilmodificationusedinthisstudy類別改性劑名稱代碼生物油木植物液體BO-1BO-2石油基油石蠟油1PP-1石蠟油2PP-2精煉廢油芳香油PR-3廢油RW

2.2膠結(jié)料制備

2.2.1拌合方法

為了研究油對瀝青性能的影響，且使得油改性劑與瀝青很好地混合，本研究中使用高速剪切拌合機將油改性劑與瀝青進行混合。本研究中的高速剪切拌合機速度恒定在500 r/min左右?；旌蠒r間和溫度分別控制在30 min和150±5 ℃。

2.2.2老化水平

目前瀝青膠結(jié)料規(guī)范在瀝青壽命中考慮3個階段： ①未老化，其代表與集料拌合前瀝青儲存在罐中的狀態(tài)； ②短期老化，代表拌合及壓實過程中發(fā)生的狀態(tài)；和③長期老化，代表用于現(xiàn)場經(jīng)過多年現(xiàn)場服役后的狀態(tài)。本研究中，根據(jù)ASTM D2872和AASHTO T240進行旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFO)試驗以模擬短期老化，根據(jù)ASTM D6521和AASHTO R28進行壓力老化箱(PAV)以模擬長期老化。

2.3性能測試

2.3.1基于彎曲梁流變儀(BBR)進行低溫蠕變試驗

根據(jù)ASTM D6648和AASHTO T313使用彎曲梁流變儀(BBR)測量了基質(zhì)瀝青和油改性瀝青試樣的低溫流變特性以評估油改性瀝青的低溫特性?？紤]到覆蓋較寬的低溫范圍，選擇在-12，-18，-24 ℃的溫度下進行試驗，且嘗試控制測試溫度在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)上下。

2.3.2基于單邊缺口梁(SENB)進行低溫斷裂試驗

目前瀝青低溫抗開裂評估方法(如BBR試驗)很大程度上是基于小應變條件下的線粘彈力學來描述瀝青的低溫力學行為，很難使用這些方法全面描述瀝青材料低溫脆性狀態(tài)下的開裂特性。為了更好地評估瀝青材料的低溫抗開裂性能，應當采用基于斷裂力學的瀝青試驗。Hoare，Hesp，Chailleux，Mouillet and Bahia[12]采用單邊缺口梁(SENB)試驗評估了瀝青的斷裂特性，發(fā)現(xiàn)SENB試驗可以有效地區(qū)分不同瀝青的低溫抗開裂性能，且與現(xiàn)場道路的性能具有良好的相關性。

本文中，在-12 ℃下采用SENB試驗評估所有膠結(jié)料低溫斷裂特性。本文中使用的SENB試驗設備與BBR設備相似，他們之間的差異在于SENB設備采用步進馬達以位移作為控制參數(shù)，且另BBR采用荷載傳感器以荷載作為參數(shù)控制。SENB試驗荷載速率為0.01 mm/s且記錄位移和荷載隨時間的變化，采集速率為8 Hz。單邊缺口梁(SENB)試驗的示意圖如圖1所示。

圖1　單邊缺口梁(SENB)的示意圖Figure 1　Schematic diagram of single edge notched beam(SENB)

通過該試驗可以計算斷裂荷載，斷裂變形，斷裂韌度(KIc)和斷裂能(Gf)。KIc參數(shù)說明斷裂模式為I型張開斷裂，其中由于彎曲變形的開裂變形發(fā)生在拉伸模式中，可以采用下式計算：

(1)

(2)

通過計算整個荷載-變形曲線下的面積得到的斷裂總功除以韌帶的面積得到斷裂能，如下所示：

(3)

式中：Wf=∫pdu；Alig為韌帶的面積。

2.3.3瀝青混合料的約束試件溫度應力試驗

(TSRST)

油改性瀝青混合料的低溫性能采用改進的TSRST試驗進行評估，該試驗已經(jīng)證明是評估瀝青混合料性能的最有效的方法之一[13]。本研究中，試樣根據(jù)Superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀(SGC)制備，使用石工行業(yè)的切割機，將17 cm旋轉(zhuǎn)壓實試樣切割為5×5 cm橫截面和15 cm長棱柱梁。然后將試樣放置于30 ℃溫控柜中，其后，在30 ℃下進行TSRST試驗，冷卻速率為1 ℃/min。通過TSRST可以得到四個參數(shù)：凍斷溫度、斷裂強度、轉(zhuǎn)變溫度和斜率。本研究中，使用凍斷溫度評估瀝青混合料的低溫性能。

3結(jié)果和討論

為了更好地比較不同油對瀝青低溫性能影響之間的差異，通過實驗確定油含量以使得每個油改性瀝青具有相同的高溫等級。當滿足以上條件的油含量如表2所示。

3.1油對瀝青低溫流變特性的影響

3.1.1油對勁度和m值的影響

表2 基質(zhì)瀝青的油含量Table2 Oilcontent%ofbasebinder瀝青類別改性劑類別基質(zhì)瀝青的油含量/%高溫(未老化)|G|/sinδ/kPaCLMYPG64-22VA01.48PP-171.03PP-2101.11PR-3111.19BO-161.15BO-271.09RW51.15 注:VA表示未添加任何改性劑的基質(zhì)瀝青。

瀝青的流變特性采用彎曲梁流變儀(BBR)試驗來表征。膠結(jié)料RTFO老化后采用PAV老化。試樣在-12，-18，-24 ℃下進行測試，勁度和m值結(jié)果如圖2所示。根據(jù)ASTM D7643-10計算每個膠結(jié)料的連續(xù)分級溫度，以更好地評估油對膠結(jié)料低溫特性的影響。

圖2　瀝青的勁度值和m值Figure 2　The stiffness and m-value of asphalt

如圖2所示，添加油以后，瀝青的勁度顯著降低且m值增加。較小的勁度意味著當溫度變化時，瀝青中的溫度應力水平較低，可減小瀝青路面開裂的風險。較高的m值意味著更好地松弛能力。當瀝青中存在溫度應力時，由于油改性瀝青與基質(zhì)瀝青相比具有更好地松弛能力，在溫度驟變的情況下，開裂的風險也較小。也可以看出，10%PP-2和5%RW油改性瀝青的勁度和m值具有最佳的低溫性能排序。為了進一步研究油對瀝青低溫性能的影響，計算了連續(xù)分級溫度，如圖3所示。連續(xù)分級溫度越低，低溫性能越好。從圖3可以看出：油可以顯著降低連分級溫度，最大溫度降低達到9 ℃。這意味著油可以顯著提高瀝青的低溫性能。

圖3　連續(xù)分級溫度Figure 3　The continuous grading temperatures

3.1.2油對勁度主曲線的影響

為了研究勁度在較寬時間區(qū)域內(nèi)變化趨勢，根據(jù)時間-溫度疊加原理(TTSP)生成了膠結(jié)料的勁度主曲線，且參考溫度設為-18 ℃。結(jié)果如圖4所示。

圖4　主曲線的勁度Figure 4　The stiffness of master curve

如圖4所示，添加油以后，膠結(jié)料的勁度顯著降低，且與基質(zhì)瀝青相比，所有勁度隨著時間降低的速率增加。這導致油改性膠結(jié)料的溫度應力水平比基質(zhì)瀝青更低，當溫度降低，且隨著時間增加，油改性瀝青較高的勁度降低速率，在相同時間內(nèi)與基質(zhì)瀝青相比將會松弛更多的應力。因此添加油后，膠結(jié)料的低溫性能能夠得到改善。

3.2油對瀝青低溫斷裂特性的影響

采用SENB試驗評估瀝青的低溫斷裂性能。SENB試驗的結(jié)果見圖5。

圖5　從SEN試驗中獲得的力-變形關系曲線Figure 5　The force-deflection curve of asphalt obtained from SEN

圖5表明：添加油降低了瀝青的勁度模量和顯著增加其低溫下的變形能力，而這有利于瀝青路面減少溫度開裂。此外，從圖5也可以得出：油改性劑通過提高瀝青在低溫條件下的延性來提高瀝青的低溫抗開裂能力。根據(jù)斷裂能對瀝青的低溫性能進行排序，從好到差的順序為：5%RW改性瀝青>7%BO-2改性瀝青>10%PP-2改性瀝青>7%PP-1改性瀝青>11%PR-3改性瀝青>6%BO-1%改性瀝青>基質(zhì)瀝青。

3.3瀝青混合料的低溫性能

為了研究油改性對瀝青混合料低溫性能的影響，3種油改性瀝青(7% PP-1，6% BO-1和5% RW)和基質(zhì)瀝青用于制備瀝青混合料。集料為花崗巖，集料的級配如表3所示。

表3 集料的級配Table3 Gradationofaggregate篩孔/mm通過率/%篩孔/mm通過率/%25100.01.1818.71999.70.612.913.278.90.37.89.564.50.154.94.7541.10.0753.22.3627.4

拌合溫度為155 ℃，對所有的瀝青混合料瀝青用量為5.5%。采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀制備試樣，試樣的壓實溫度為145 ℃。試樣的孔隙率控制在4±0.5%。瀝青混合料的制備過程參考AASHTO T312和AASHTO R30規(guī)范。約束試件溫度應力試驗(TSRST)結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，與基質(zhì)瀝青相比，油改性瀝青混合料的凍斷溫度更低。與基質(zhì)瀝青相比，油改性瀝青混合料凍斷溫度最小的增加百分比約為15%，最大的增加百分比為50%。如圖6所示，RW油比其他的更能顯著提高

瀝青混合料的低溫性能。這也表明，油改性瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料相比表現(xiàn)出更佳的低溫性能，這與上述討論的油對瀝青低溫性能的影響的結(jié)果相似。

圖6　瀝青混合料的凍斷溫度Figure 6　The fracture temperature of asphalt mixture

4結(jié)論

① 從BBR試驗結(jié)果看出，添加油之后瀝青的勁度顯著降低且m值增加。油改性瀝青的勁度主曲線位于基質(zhì)瀝青的下方，且勁度隨著時間降低速率與基質(zhì)瀝青相比更高，這意味著油能夠通過降低勁度和增加松弛速率顯著提高瀝青的低溫性能，從而減少了瀝青混合料開裂的可能。

② SENB試驗結(jié)果表明，添加油可以顯著增加瀝青的斷裂能，最大增加幅度約是基質(zhì)瀝青的三倍還多。這意味著某些油能夠顯著提高瀝青低溫抗開裂能力。

③ TSRST表明，油改性瀝青混合料的凍斷溫度比基質(zhì)瀝青混合料更低。這意味著油改性瀝青混合料與基質(zhì)瀝青混合料相比表現(xiàn)出更好的低溫性能，這結(jié)果與油對瀝青低溫性能的影響的結(jié)果相同。

④ 油可以顯著提高瀝青的低溫性能，但是其對高溫性能產(chǎn)生不利的影響。因此接下來將進一步研究如何平衡油改性瀝青的高溫和低溫性能，例如采用與聚合物進行復合改性。

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Study of Using Waste Oil Modified Asphalt to Enhance the Low Temperature of Asphalt

LU Qiang

(Chongqing Engineering Professional Technology Institute， Chongqing 400074， China)

[Abstract]To investigate the oil effect on the low temperature performance of asphalt，different oils，including bio-based and refined waste oil are used in this study，and Bending Beam Rheometer(BBR)test and Single Edge Notched Beam(SENB)test are employed to evaluate the effect of oil on low temperature performance of asphalt.It is found that the stiffness of asphalt decreased，m-value of asphalt increased，the fracture energy of asphalt increased after adding these oils.This means that these oils can improve the low temperature performance of asphalt.And in addition，Thermal Stress Restrained Specimen Test(TSRST)of asphalt mixture is used to verify the conclusion.The TSRST results show that the fracture temperature of oil modified asphalt mixture is much lower than neat asphalt mixture，which proves the conclusions of the advantages of oils used.

[Key words]asphalt； oil modifier； low temperature performance； single edge notched beam(SENB)test； thermal stress restrained specimen test(TSRST)

[收稿日期]2015-11-06

[基金項目]國家自然科學基金(51478211)

[作者簡介]盧強(1982-)，男，四川營山人，講師，研究方向為工程結(jié)構(gòu)和工程施工。

[中圖分類號]U 414.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)03-0074-04