基于抗老化和高溫流變分析的廢機(jī)油改性瀝青性能評(píng)價(jià)

趙培松

(河南中原高速公路股份有限公司， 河南 鄭州　450000)

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基于抗老化和高溫流變分析的廢機(jī)油改性瀝青性能評(píng)價(jià)

趙培松

(河南中原高速公路股份有限公司， 河南 鄭州450000)

[摘要]為了探究廢機(jī)油對(duì)瀝青的改性效果，通過(guò)試驗(yàn)研究廢機(jī)油摻量對(duì)瀝青抗老化性能和高溫流變性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，廢機(jī)油能明顯提高瀝青的抗老化性能，其中當(dāng)廢機(jī)油摻量小于4%時(shí)，增大廢機(jī)油摻量對(duì)抗老化性能的改善程度較大，而當(dāng)廢機(jī)油摻量大于4%時(shí)，提高摻量對(duì)抗老化性能的改善程度較小。隨著廢機(jī)油摻量的增多，瀝青相位角δ逐漸增大，復(fù)數(shù)剪切模量G*、車轍因子G*/sinδ和疲勞因子G*·sinδ逐漸減小，當(dāng)廢機(jī)油摻量大于4%時(shí)，G*/sinδ急劇減小，表明廢機(jī)油雖能較好的改善瀝青的抗疲勞性能，但過(guò)高的摻量會(huì)使抗車轍性能嚴(yán)重不足，因此廢機(jī)油摻量不宜大于4%。廢機(jī)油能從一定程度上降低瀝青混合料的施工溫度，且摻量越多，降低幅度越大。

[關(guān)鍵詞]道路工程； 廢機(jī)油； 改性瀝青； 抗老化性能； 流變性能； 施工溫度

0前言

我國(guó)高寒高海拔地區(qū)氣候條件惡劣，具有顯著的高原氣候特征，常年氣溫低，晝夜溫差大、日照時(shí)間長(zhǎng)、紫外線輻射強(qiáng)烈[1]。在高寒高海拔地區(qū)鋪筑瀝青路面會(huì)遭受嚴(yán)峻的考驗(yàn)，新建瀝青路面在鋪筑不久后即出現(xiàn)開裂、松散、干澀等病害，嚴(yán)重縮短了瀝青路面的服役壽命和使用質(zhì)量[2，3]，而大多數(shù)病害是由于瀝青材料抗老化能力不足引起的。因此研發(fā)適合于高寒高海拔地區(qū)的改性瀝青材料具有重要的現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)有的改性瀝青主要為聚合物改性瀝青，聚合物改性瀝青雖然能減少路面的多種病害，但也存在著耐老化性能差、聚合物與瀝青相容性差等問(wèn)題，而且聚合物的使用大幅抬高了瀝青材料的造價(jià)[4-7]。隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，汽車產(chǎn)生的廢機(jī)油逐年增長(zhǎng)，這些廢機(jī)油如果被丟棄或者利用不當(dāng)，必將造成嚴(yán)重的環(huán)境污染[8]。目前，對(duì)廢機(jī)油的利用途徑主要是用于鋼鐵工業(yè)中生產(chǎn)其他使用油[9，10]，但總體利用量有限。由于廢機(jī)油中富含芳香芬等油類物質(zhì)，與瀝青中的油分極度相似，因此將其應(yīng)用于瀝青路面建設(shè)能提高瀝青的抗老化性能，延長(zhǎng)路面使用壽命。目前主要是將廢機(jī)油作為再生劑用于瀝青路面的再生[11，12]，而關(guān)于廢機(jī)油應(yīng)用于瀝青改性技術(shù)的研究較少。基于此，本文通過(guò)試驗(yàn)研究廢機(jī)油改性瀝青的抗老化性能和高溫流變性能，為廢機(jī)油的合理利用和提高高寒高海拔地區(qū)瀝青路面使用壽命提高理論參考。

1試驗(yàn)

1.1原材料

瀝青選用AS70#基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。廢機(jī)油選用西安博源專業(yè)廢油回收站回收的，為新車第一次換機(jī)油后換下的油，行駛里程在6500 km左右。廢機(jī)油在未使用前由優(yōu)質(zhì)基礎(chǔ)油和進(jìn)口添加劑調(diào)和而成，符合DB111222-2006中APIC-H-4級(jí)柴油標(biāo)準(zhǔn)。廢機(jī)油油質(zhì)均勻、色澤介于黑色與棕黃色之間，手捻時(shí)無(wú)顆粒感，無(wú)刺激性氣味，按廢發(fā)動(dòng)機(jī)油分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)介于一級(jí)和二級(jí)之間。

表1 基質(zhì)瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)Table1 Basictechnicalindexofmatrixasphalt試驗(yàn)項(xiàng)目針入度(25℃,100g,5s)/(0.1mm)軟化點(diǎn)/℃延度(5cm/min,5℃)/cm閃點(diǎn)/℃RTFOT后質(zhì)量損失/%實(shí)測(cè)值61.8 61.0>100285 0.36技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)60.0～80.0≥46.0>100≥260.0±0.8

1.2廢機(jī)油改性瀝青的制備

廢機(jī)油改性瀝青的制備采用高速剪切法進(jìn)行，首先將基質(zhì)瀝青加熱至一定溫度，將不同摻量(占瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0%、2%、4%、6%，8%)的廢機(jī)油加入到基質(zhì)瀝青中，并邊加入邊用剪切機(jī)低速剪切，等廢機(jī)油完全加入到瀝青中時(shí)，調(diào)節(jié)剪切機(jī)的攪拌速度為1500 r/min，并在此速度下剪切30min制得廢機(jī)油改性瀝青。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1抗老化性能

為了模擬廢機(jī)油改性瀝青的短期老化，將試樣放置在溫度為163 ℃的薄膜烘箱中加熱5 h后測(cè)定性能指標(biāo)；為了模擬長(zhǎng)期老化，將試樣在溫度為100 ℃的旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱中分別老化10 h和15 h后測(cè)定性能指標(biāo)。結(jié)合目前相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，選擇廢機(jī)油改性瀝青老化前后的殘留針入度比(RPR)、延度保留率(DR)、粘度老化指數(shù)(VAI)和軟化點(diǎn)增值(SPV)為主要指標(biāo)，科學(xué)合理的評(píng)價(jià)廢機(jī)油改性瀝青的老化衰變程度；其中4項(xiàng)指標(biāo)的定義分別如下：

SPV=老化后軟化點(diǎn)-老化前軟化點(diǎn)。

1.3.2高溫流變性能

利用Bohlin Gemin Ⅱ型動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)定廢機(jī)油改性瀝青試樣的復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ，分別表征廢機(jī)油改性瀝青的粘性和彈性性質(zhì)，評(píng)價(jià)廢機(jī)油改性瀝青的動(dòng)態(tài)剪切流變效果。采用車轍因子G*/ sinδ表征廢機(jī)油改性瀝青混合料的抗車轍能力，G*/sinδ越大表示抗車轍能力越強(qiáng)。采用疲勞因子G*·sinδ表征廢機(jī)油改性瀝青混合料的抗疲勞性能，G*·sinδ越小表示抗疲勞性能越好。試驗(yàn)時(shí)采用應(yīng)力控制模式，荷載頻率為10 rad/s，振動(dòng)頻率1.59 Hz。

采用布氏粘度計(jì)(Brookfield)測(cè)定不同溫度下瀝青材料的粘度，以控制瀝青混合料的施工性能．試驗(yàn)時(shí)取一定質(zhì)量的廢機(jī)油改性瀝青試樣，置于試桶中，采用26#轉(zhuǎn)子進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)不同溫度時(shí)的瀝青粘度回歸粘溫曲線，從而求得施工溫度的范圍。

2抗老化性能

測(cè)定五種不同廢機(jī)油摻量時(shí)瀝青分別老化5、10，15 h后的RPR、DR、VAI和SPV，綜合評(píng)價(jià)廢機(jī)油改性瀝青的抗老化性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1　廢機(jī)油對(duì)瀝青抗老化性能的影響Figure 1　Effect of waste oil on the anti ageing property of asphalt

從圖1可以看出: 經(jīng)不同時(shí)間的老化后，不同廢機(jī)油摻量的瀝青性能均有所衰減，但衰減程度有所差異。其中RPR和DR越大表明瀝青的抗老化性能越好，而VAI和SPV越大表明瀝青的抗老化性能越差。隨著廢機(jī)油摻量的增多，經(jīng)不同老化時(shí)間后瀝青的RPR和DR逐漸增大，VAI和SPV逐漸減小，表明廢機(jī)油摻量越多，改性瀝青的抗老化能力越強(qiáng)；其中當(dāng)廢機(jī)油摻量小于4%時(shí)，增大廢機(jī)油摻量會(huì)使四項(xiàng)指標(biāo)大幅變化，而當(dāng)廢機(jī)油摻量大于4%時(shí)，改變廢機(jī)油摻量引起的四項(xiàng)指標(biāo)改變幅度較小。例如當(dāng)廢機(jī)油摻量由0%增大至4%時(shí)，老化5 h后瀝青的VAI由45%增大至79%，增長(zhǎng)比例為0.76，而當(dāng)廢機(jī)油摻量由4%增大至8%時(shí)，老化5 h后瀝青的VAI由79%增大至89%，增長(zhǎng)比例為0.13；表明當(dāng)廢機(jī)油摻量小于4%時(shí)，增大廢機(jī)油摻量對(duì)瀝青抗老化性能的改善程度較大，而當(dāng)廢機(jī)油摻量大于4%時(shí)，再增加廢機(jī)油摻量對(duì)瀝青抗老化性能的改善程度較小。

廢機(jī)油中富含芳香芬類油分，由“組分遷移理論”可知，當(dāng)摻量小于4%時(shí)將廢機(jī)油加入瀝青后，廢機(jī)油中的油分遷移至瀝青中，使瀝青中油分含量大幅增加，對(duì)老化后的瀝青起到再生作用，極大地提高了瀝青的抗老化性能，而當(dāng)廢機(jī)油摻量大于4%時(shí)，再增加廢機(jī)油摻量雖然會(huì)使瀝青中的油分含量繼續(xù)增加，但相比而言油分含量已充足，再生作用相對(duì)較弱，因此瀝青的抗老化性能提高幅度較小。

3高溫流變性能

3.1DSR試驗(yàn)

采用Bohlin Gemin Ⅱ型動(dòng)態(tài)剪切流變儀，測(cè)量不同廢機(jī)油摻量時(shí)，瀝青在不同溫度時(shí)的相位角δ、復(fù)數(shù)剪切模量G*、車轍因子G*/sinδ和疲勞因子G*·sinδ，研究廢機(jī)油摻量對(duì)瀝青高溫流變性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　廢機(jī)油對(duì)瀝青高溫流變性能的影響Figure 2　Effect of waste oil on High Temperature Rheological Properties of asphalt

從圖2可以看出: 隨著廢機(jī)油摻量的增多，瀝青的δ逐漸增大，其中廢機(jī)油摻量為8%，溫度為80 ℃時(shí)瀝青的δ接近90°；G*和G*/sinδ隨著廢機(jī)油摻量的增多逐漸減小，其中當(dāng)廢機(jī)油摻量大于4%時(shí)，G*/sinδ大幅減小，瀝青混合料的抗車轍能力急劇降低，當(dāng)廢機(jī)油摻量由4%增大至8%時(shí)，瀝青60 ℃的G*/sinδ從3.4 kPa降低為1.1 kPa，降低了67.6%，表明從高溫抗車轍角度考慮，廢機(jī)油摻量不宜大于4%。這是因?yàn)椋瑥U機(jī)油加入瀝青中改變了瀝青的組成，進(jìn)而改變了瀝青的粘彈性比例，隨著廢機(jī)油摻量的增多，瀝青粘性比例上升，彈性比例下降，因此抗高溫車轍能力逐漸下降，當(dāng)廢機(jī)油摻量為8%時(shí)，δ接近90°，瀝青接近于完全粘性，因此抗車轍能力極弱。G*·sinδ隨廢機(jī)油摻量的增大逐漸減小，瀝青抗疲勞性能逐漸提高，這是因?yàn)殡S著廢機(jī)油摻量的增多，瀝青中的油分比例增加，瀝青變形性能增強(qiáng)，因此抗疲勞性能得到改善。

隨著溫度的升高，G*、G*/sinδ和G*·sinδ逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定，而δ呈現(xiàn)相反的規(guī)范變化，隨著溫度的升高瀝青材料的自由體積逐漸增大，逐漸由高彈態(tài)向粘流態(tài)轉(zhuǎn)變，瀝青試樣在動(dòng)態(tài)剪切過(guò)程中所受的最大剪應(yīng)力逐漸減小，因此δ逐漸增大，G*、G*/sinδ和G*·sinδ逐漸減小。溫度越高，改變廢機(jī)油摻量引起的各指標(biāo)的改變?cè)叫?。這是因?yàn)闇囟群蛷U機(jī)油對(duì)瀝青高溫流變性能的影響具有交互作用，升高溫度、增大廢機(jī)油摻量都會(huì)引起瀝青粘性比例的增加和彈性比例的下降，當(dāng)溫度較高時(shí)瀝青本身已處于較高的粘流狀態(tài)，此時(shí)再改變廢機(jī)油摻量引起的粘性比例增加有限，因此瀝青的高溫流變性能改變較小。

3.2施工溫度

廢機(jī)油的加入改變了瀝青的組成，勢(shì)必會(huì)影響瀝青混合料的施工，為了確定不同廢機(jī)油摻量時(shí)的施工溫度，首先將試驗(yàn)溫度在105～175 ℃之間以10 ℃為間隔進(jìn)行變化，利用布氏粘度試驗(yàn)測(cè)定廢機(jī)油改性瀝青的粘度，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出: 當(dāng)試驗(yàn)溫度相同時(shí)，隨著廢機(jī)油摻量的增多，瀝青粘度逐漸降低；當(dāng)廢機(jī)油摻量相同時(shí)，隨著溫度的升高，瀝青粘度逐漸降低，且在135 ℃以前，各廢機(jī)油摻量下瀝青的粘度相差較大，

圖3　廢機(jī)油對(duì)瀝青粘度的影響Figure 3　Effect of waste oil on the viscosity of asphalt

而在135 ℃之后，各廢機(jī)油摻量下瀝青的粘度相差極小。這是因?yàn)楫?dāng)溫度達(dá)到135 ℃之后瀝青軟化嚴(yán)重，粘性流動(dòng)突出，此時(shí)再增大廢機(jī)油摻量引起的粘度降低較小。

參照相關(guān)規(guī)范，以(0.17±0.02)Pa·s和(0.28±0.02)Pa·s分別作為廢機(jī)油改性瀝青混合料拌和溫度和碾壓溫度范圍的控制指標(biāo)，利用式(1)回歸得到不同廢機(jī)油摻量時(shí)瀝青的粘溫曲線方程，并計(jì)算廢機(jī)油改性瀝青施工溫度的控制范圍，結(jié)果如表2所示。

η=ATb

(1)

式中：η為粘度，Pa·s；T為溫度，℃；A，b為回歸常數(shù)。

表2 不同廢機(jī)油摻量時(shí)粘溫曲線回歸及施工溫度計(jì)算結(jié)果Table2 calculationresultsofviscositytemperaturecurveregressionandconstructiontemperatureofdifferentwasteoilcontent廢機(jī)油摻量/%回歸結(jié)果拌和溫度/℃碾壓溫度/℃回歸方程相關(guān)性系數(shù)R2下限上限下限上限0η=3×1013T-6.46420.9803157.2163.1146.5149.82η=4×1013T-6.52040.9827157.3163.1146.6149.94η=4×1013T-6.58460.9826154.9160.5144.5147.76η=3×1013T-6.47770.9821151.6158.3142.0145.28η=3×1013T-6.52930.9776149.5155.0139.4142.5

從表2可以看出: 各廢機(jī)油摻量下，瀝青粘度與溫度之間有良好的乘冪關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)R2都大于0.97，表明回歸得到的廢機(jī)油改性瀝青粘溫曲線方程合理。拌和溫度和碾壓溫度都隨著廢機(jī)油摻量的增多逐漸降低，當(dāng)廢機(jī)油摻量由0%增大至4%和8%時(shí)，拌和溫度分別下降2.5 ℃和7.9 ℃左右，碾壓溫度分別下降2.1 ℃和7.2 ℃左右，表明廢機(jī)油的加入能降低瀝青混合料的施工溫度，從一定程度上能降低施工難度，節(jié)約能源。

4結(jié)論

① 隨廢機(jī)油摻量的增大，RPR和DR急劇增大，VAI和SPV大幅減小，瀝青抗老化性能得到明顯改善，其中當(dāng)廢機(jī)油摻量小于4%時(shí)，增大廢機(jī)油摻量對(duì)瀝青抗老化性能的改善程度較大，而當(dāng)廢機(jī)油摻量大于4%時(shí)，提高廢機(jī)油摻量引起的抗老化性能提高幅度較小。

②G*、G*/sinδ和G*·sinδ隨廢機(jī)油摻量的增多逐漸減小，而δ隨廢機(jī)油摻量的增多逐漸增大，當(dāng)廢機(jī)油摻量大于4%時(shí)，G*·sinδ急劇減小，瀝青抗車轍性能明顯減弱，廢機(jī)油雖然能提高瀝青的抗疲勞性能，但過(guò)高的廢機(jī)油摻量會(huì)引起抗車轍性能的嚴(yán)重不足，綜合考慮廢機(jī)油摻量不宜大于4%。

③G*、G*/sinδ和G*·sinδ隨溫度的升高逐漸減小最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而δ隨溫度呈相反規(guī)律變化，摻加較高摻量的廢機(jī)油后，瀝青80 ℃的δ接近90°；溫度越高，增大廢機(jī)油摻量引起的瀝青高溫流變性能的改變?cè)叫　?/p>

④ 相同條件下，廢機(jī)油摻量越多，瀝青粘度越低，其中當(dāng)溫度超過(guò)135 ℃后，廢機(jī)油摻量對(duì)粘度的影響較??；粘度與溫度之間有良好的乘冪關(guān)系，隨著廢機(jī)油摻量的增多，拌和溫度和碾壓溫度逐漸減小。

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Performance Evaluation of Waste Oil Modified Asphalt Based on Anti Aging and High Temperature Rheological Analysis

ZHAO Peisong

(Henan zhongyuan Expressway Co., LTD.Zhengzhou, Henan 450000, China)

[Abstract]In order to explore the modification effect of waste oil on modified asphalt, The tests are carried out to study the effect of waste oil content on the anti aging performance and high temperature rheological property of asphalt. The experimental results show that waste oil can significantly improve the anti ageing performance of asphalt, and when the amount of waste oil is less than 4%, increase waste oil conment can improve the anti aging performance of asphalt significantly; when the amount of waste oil is more than 4%, the improvement of the resistance to aging is small. With the increase of the amount of waste oil, the phase angle δ of asphalt increases gradually, the complex shear modulus G*, rut factor G*/sinδ and fatigue factor G*．sinδ delta gradually decrease. When the amount of waste oil is more than 4%, the G*/sin δ will decrease sharply, which indicates that the waste oil can improve the anti fatigue performance of asphalt. however, the high content of the waste oil can be used to reduce the rutting resistance, therefore, the amount of waste oil is not more than 4%. Waste oil can reduced the construction temperature of asphalt mixture, and the more dosage, the lower the rate is.

[Key words]road engineering； waste oil; modified asphalt; anti ageing property; rheological property; construction temperature

[收稿日期]2015-12-21

[項(xiàng)目基金]國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51378325)

[作者簡(jiǎn)介]趙培松(1966-)，男，河南滎陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事交通工程方面的研究。

[中圖分類號(hào)]414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)03-0154-04