生物型再生劑對(duì)再生瀝青混合料性能的影響*

張 遙 吳少鵬 劉 剛

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

0 引 言

近年來，我國(guó)正進(jìn)行大規(guī)模的道路升級(jí)改造，在此過程中產(chǎn)生了大量的廢舊瀝青混合料，其中約5%為老化瀝青、95%為各種級(jí)配的骨料.若將這些廢料作為垃圾處理，不僅造成資源的巨大浪費(fèi)，而且占用土地、污染環(huán)境，不符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略.基于資源再生與環(huán)境保護(hù)的需求，推廣和應(yīng)用瀝青路面再生利用技術(shù)十分必要[1-3].隨著瀝青再生技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)瀝青再生劑對(duì)瀝青混合料性能影響的研究報(bào)道也越來越多，各種瀝青再生劑也層出不窮[4-6].

雖然瀝青再生劑品類繁多，但大多是樹脂類化合物與石油工業(yè)合成油分的混合物，這些石油基的瀝青再生劑存在污染環(huán)境、不可再生、對(duì)人體有害等缺點(diǎn)，因此，開發(fā)環(huán)?？稍偕?、無害的非石油基瀝青再生劑已成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)[7-8].其中，以廢食用油為代表制備的非石油基再生劑已應(yīng)用于實(shí)際工程[9].據(jù)報(bào)道，柑橘屬科果皮也是一種優(yōu)質(zhì)的生物資源，這些果皮中富含有色素、香精油、果膠、生物類黃酮等有機(jī)物，其中含有飽和組分、芳香組分的有機(jī)物，符合瀝青再生劑的成分要求.全球每年都會(huì)產(chǎn)生150萬t廢棄的柑橘屬科果皮，當(dāng)前柑橘屬科果皮主要的利用方式僅局限于提取色素、食用纖維及香精油，而40%～50%的果皮卻當(dāng)作垃圾排放，這些皮渣極易發(fā)霉變臭，對(duì)人畜和農(nóng)作物都極為有害,因此，探究廢棄果皮新的利用方式具有重大意義.

為拓寬廢棄柑橘屬科果皮的利用途徑，本文采用一定的工藝將柑橘果皮中含有芳香族組分的有機(jī)物提取出來，自制而得生物型再生劑，并采用了氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀分析了生物型再生劑的化學(xué)成分，同時(shí)，對(duì)新拌瀝青混合料、再生瀝青混合料、添加了生物型再生劑的再生瀝青混合料、添加了普通再生劑的再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性能進(jìn)行了研究，對(duì)比考察了生物型再生劑對(duì)再生瀝青混合料性能的影響.

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

生物型再生劑由實(shí)驗(yàn)室自制，普通再生劑為美國(guó)某公司生產(chǎn)，將生物型再生劑標(biāo)記為Bio-R，某公司再生劑標(biāo)記為K-R，兩種再生劑的基本性能見表1；回收瀝青混合料(RAP)取自黃石—黃梅高速黃石段路面刨銑的約10 cm厚的面層，通過抽提法獲得回收瀝青混合料中的抽提瀝青，抽提瀝青及新瀝青的基本參數(shù)見表2；通過燃燒爐法測(cè)定了回收瀝青混合料中集料的級(jí)配，結(jié)果見表3.

表1 不同再生劑的基本性能

表2 不同瀝青的基本參數(shù)

表3 回收瀝青混合料中集料的級(jí)配

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文采用馬歇爾實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)， 制備了四種類型瀝青混合料，表4為不同類型瀝青混合料的組成.新拌瀝青混合料由新集料、新瀝青熱拌和而成；再生瀝青混合料由70%新集料、30%RAP、新瀝青熱拌和而成；依次投入30%RAP、生物型再生劑、70%新集料與新瀝青進(jìn)行熱拌和得到生物型再生劑處理的再生瀝青混合料；使用相同方法制備得到科來福再生劑處理的再生瀝青混合料.四種類型瀝青混合料的拌和溫度均控制在150～160 ℃，成型溫度控制在140～150 ℃，均采用AC-13級(jí)配.

采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀對(duì)生物型再生劑的化學(xué)成分進(jìn)行定性與半定量分析；根據(jù)文獻(xiàn)[10]中相關(guān)規(guī)定，檢測(cè)四種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、低溫勁度模量、殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比等性能指標(biāo).

表4 不同瀝青混合料的組成

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 生物型再生劑成分分析

Bio-R中共檢測(cè)出了21種主要的化學(xué)成分，圖1為總離子流色譜圖.利用NIST 05標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)總離子流色譜圖進(jìn)行檢索，得到對(duì)應(yīng)的有機(jī)化合物見表5.總離子流色譜圖中各組分的峰面積和該組份含量成正比，因此,用各組分的峰面積與總峰面積的比表示各組分的相對(duì)含量.

圖1 生物型再生劑的總離子流色譜圖

表5 生物型再生劑成分分析

由表5可知，生物型再生劑的主要化學(xué)成分是具有單環(huán)結(jié)構(gòu)的單萜類化合物，另一部分是芳香族化合物.單萜類化合物是萜類化合物之一種，通常指由二分子異戊二烯聚合而成的萜類化合物及其含氧的和飽和程度不等的衍生物，單環(huán)單萜是由鏈狀單萜環(huán)合作用衍變而來，是柑橘果皮中芳香氣味的主要來源；芳香族化合物主要是間二甲苯和間異丙基甲苯，沒有檢測(cè)到高于兩環(huán)的多環(huán)芳烴化合物.相比較于單環(huán)單萜類化合物色譜峰的豐度和種類，芳香族化合物色譜峰的豐度較小，種類較少.芳香族化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)更類似于瀝青四組分中的芳香組分.通過GC/MS的檢測(cè)與分析可以發(fā)現(xiàn)，生物型再生劑的各化學(xué)成分類似于瀝青老化過程中缺失的飽和分和芳香分，符合瀝青再生劑成分要求.

2.2 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

車轍實(shí)驗(yàn)通常被用以檢驗(yàn)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，測(cè)得的動(dòng)穩(wěn)定度反映了瀝青路面在較高溫度下抵抗荷載形成車轍的能力.本文采用車轍實(shí)驗(yàn)測(cè)定瀝青混合料的高溫抗車轍能力，對(duì)比評(píng)價(jià)不同類型瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，四種不同類型瀝青混合料的車轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6.由表6可知，再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度為2 658.23次/mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于新拌瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度1 475.41次/mm.這是因?yàn)樵偕鸀r青混合料中含有30%RAP，在RAP中含有嚴(yán)重老化的舊瀝青，舊瀝青在老化過程中發(fā)生了油分的缺失，并且膠質(zhì)和瀝青質(zhì)含量增高，導(dǎo)致黏度和勁度模量較大，而瀝青膠結(jié)料的高溫性能對(duì)瀝青混合料的高溫性能有較大影響，因此，含有30%RAP的再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度更大，高溫抗車轍能力更強(qiáng)；添加了Bio-R、K-R之后，再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別降至1 764.71次/mm與1 693.55次/mm，這是因?yàn)樵偕鷦┲械妮p質(zhì)組分溶解了老化瀝青膠結(jié)料中較高含量的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)，改善了瀝青的膠體結(jié)構(gòu)，使瀝青的黏度和勁度模量恢復(fù)，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度下降；生物型再生劑與美國(guó)科來福再生劑對(duì)再生瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響基本一致.

表6 瀝青混合料車轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 瀝青混合料低溫抗裂性

2.3.1低溫劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在低溫劈裂實(shí)驗(yàn)中，測(cè)得瀝青混合料低溫破壞時(shí)的抗拉強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變、勁度模量，可以用來評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能.在低溫下瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度和拉伸應(yīng)變?cè)酱?，勁度模量越小，則其低溫抗裂性能越好.本文根據(jù)文獻(xiàn)[12]進(jìn)行了低溫劈裂實(shí)驗(yàn)，來評(píng)價(jià)四種類型的瀝青混合料的低溫抗裂性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7.從表7可知，再生瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度3.55 MPa、拉伸應(yīng)變5.17×10-3小于新拌瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度3.76 MPa、拉伸應(yīng)變6.50×10-3，這表明在相同的較低溫度下，新拌瀝青混合料能夠比再生瀝青混合料承受更大的應(yīng)力和應(yīng)變，再生瀝青混合料的勁度模量1 181.2 MPa，大于新拌瀝青混合料的勁度模量998.9 MPa，說明在相同低溫下，新拌瀝青混合料的柔韌性更好，性能更佳.這是因?yàn)樵偕鸀r青混合料中含有30%RAP，其中的舊瀝青膠結(jié)料發(fā)生了嚴(yán)重的老化，導(dǎo)致混合料的低溫抗裂性能大大惡化；添加了Bio-R后，再生瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度為3.92 MPa、拉伸應(yīng)變?yōu)?.25×10-3、勁度模量為1 075.1 MPa，相比于沒有添加再生劑的再生瀝青混合料，各項(xiàng)低溫性能指標(biāo)均得到改善，說明Bio-R能較好的改善再生瀝青混合料的低溫抗裂性能；實(shí)驗(yàn)使用科來福再生劑作為對(duì)照再生劑，添加了科來福再生劑的再生瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度為3.64 MPa、拉伸應(yīng)變?yōu)?.81×10-3、勁度模量為1 081.8 MPa，說明K-R與Bio-R對(duì)再生瀝青混合料低溫抗裂性能的改善效果一致.

表7 不同瀝青混合料-10 ℃劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3.2低溫彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文采用瀝青混合料彎曲實(shí)驗(yàn)來評(píng)價(jià)四種類型的瀝青混合料的低溫拉伸性能，瀝青混合料-10 ℃低溫彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8.由表8可知，相較于新拌瀝青混合料，再生瀝青混合料的低溫抗彎拉強(qiáng)度和破壞彎拉應(yīng)變明顯下降，勁度模量增大.在經(jīng)過Bio-R，K-R處理之后，再生瀝青混合料的低溫抗彎拉強(qiáng)度和破壞彎拉應(yīng)變明顯提高，勁度模量有所下降.說明經(jīng)過Bio-R，K-R處理后，再生瀝青混合料中的舊老化瀝青與再生劑充分融合，舊老化瀝青軟化，進(jìn)而使再生瀝青混合料的勁度降低，低溫形變能力增強(qiáng)，低溫抗裂性能得到改善.同時(shí)，由表8可知，相較于K-R處理后的再生瀝青混合料，經(jīng)Bio-R處理后的再生瀝青混合料的低溫抗裂性能的改善效果更明顯，說明Bio-R的再生能力相較于K-R的再生能力更為突出.

通過瀝青混合料低溫劈裂實(shí)驗(yàn)和彎曲實(shí)驗(yàn)，說明Bio-R和K-R對(duì)再生瀝青混合料的低溫性能具有相同的改善作用，均能有效提高再生瀝青混合料的低溫抗裂性能，且Bio-R的再生能力相較于K-R的再生能力更為突出.

表8 瀝青混合料-10 ℃低溫拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 瀝青混合料水穩(wěn)定性

2.4.1馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文采用浸水馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)不同類型瀝青混合料在受水損害時(shí)抗剝落的能力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表9.由表9可知，在四種瀝青混合料中，新拌瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度最高，為93.4%，水穩(wěn)定性能最好，再生瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度最低，為89.1%，添加了Bio-R的再生瀝青混合料殘留穩(wěn)定度為91.6%，添加了K-R的再生瀝青混合料殘留穩(wěn)定度為92.7%，四種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度值均大于75%，符合規(guī)范要求；添加Bio-R和K-R均提高了再生瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度，改善了再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能.

表9 瀝青混合料浸水馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4.2凍融劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本文采用瀝青混合料凍融劈裂實(shí)驗(yàn)，來測(cè)定瀝青混合料在受到水損害前后劈裂破壞的強(qiáng)度比，對(duì)比評(píng)價(jià)不同瀝青混合料的水穩(wěn)定性，表10為瀝青混合料凍融劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果.由表10可知，相較于新拌瀝青混合料，再生瀝青混合料的非凍融劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度較高、劈裂強(qiáng)度比較低，經(jīng)過Bio-R和K-R處理后的再生瀝青混合料的非凍融劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度均有下降，劈裂強(qiáng)度比上升，說明經(jīng)過兩種再生劑處理后的再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性得到改善.這是由于老化瀝青組分中的芳香分、飽和分的含量較低，膠體結(jié)構(gòu)差，瀝青與集料的黏附性弱，再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能差，加入再生劑后，再生劑中的輕質(zhì)成分有效改善老化瀝青的膠體結(jié)構(gòu)，增加瀝青與集料的黏附性，改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性能.

通過四種瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)、凍融劈裂實(shí)驗(yàn)，說明加入Bio-R能夠顯著提高再生瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比，有效改善再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，與K-R對(duì)再生瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響一致.

表10 瀝青混合料凍融劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

1) 生物型再生劑的主要化學(xué)成分是具有單環(huán)結(jié)構(gòu)的單萜類化合物和芳香族化合物，類似于瀝青組分中的飽和分和芳香分.

2) 生物型再生劑的摻入提高了再生瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比，降低了動(dòng)穩(wěn)定度、低溫勁度模量，使再生瀝青混合料的低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性能顯著改善，高溫穩(wěn)定性能一定程度降低.

3) 生物型再生劑與普通再生劑對(duì)再生瀝青混合料路用性能的影響相似，同時(shí)相較于普通再生劑，生物型再生劑來源于廢棄柑橘果皮，具有更好的經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保優(yōu)勢(shì).

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