植物油再生老化瀝青膠結(jié)料性能研究

曹雪娟，胡森，曹芯芯，毛鑫勃

(1.重慶交通大學(xué) 交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；3.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400074)

瀝青路面的改造和維修會(huì)產(chǎn)生大量廢舊混合料(RAP)，RAP的回收利用目前是各國(guó)研究的熱點(diǎn)。RAP在新建路面中的應(yīng)用具有較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[1]。但是，過(guò)高RAP摻量會(huì)降低再生瀝青混合料的疲勞性能和水穩(wěn)定性[2]。

Majid等研究表明，煎炸植物油再生瀝青與未老化瀝青路用性能沒(méi)有明顯差異[3]。張磊等發(fā)現(xiàn)植物油再生瀝青相比礦物油再生瀝青具有更好的低溫抗裂性能[4]。龔明輝采用生物柴油副產(chǎn)物油再生老化瀝青，研究表明老化瀝青流變性能得到較好的改善[5]。張東評(píng)價(jià)了不同老化程度的植物油對(duì)老化瀝青流變性能的影響，研究表明不同老化程度的植物油再生瀝青性能存在明顯差異[6]。植物油作為瀝青再生劑具有較好的應(yīng)用潛力，但是不同工藝處理后的植物油再生瀝青性能存在明顯差異。

本研究選擇我國(guó)常見(jiàn)的三種植物油和一種礦物油再生劑，通過(guò)三大指標(biāo)、流變性能和紅外光譜，考察不同再生劑對(duì)老化瀝青的再生效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

新鮮大豆油(X)；煎炸大豆油(J)；生物柴油副產(chǎn)物油(S)；傳統(tǒng)礦物油再生劑(C)；東海AH-70號(hào)瀝青(基質(zhì)瀝青)；老化瀝青，由AH-70瀝青制備(參照T 0610—2011瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)(RTFOT)和T 0630—2011壓力老化容器加速瀝青老化試驗(yàn)(PAV))，性能見(jiàn)表1。

表1 基質(zhì)瀝青與老化瀝青性能指標(biāo)Table 1 Properties of virgin bitumen and aged bitumen

TA-315動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)；ZH-123針入度儀；R-416軟化點(diǎn)儀；SYD-4508C延度儀；ZY-412高速剪切機(jī)；101-4A壓力老化容器；85型旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱；FTIR-650紅外光譜儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將老化瀝青加熱至135 ℃，分別摻入0，3%，6%，9%，12%(與老化瀝青的質(zhì)量比計(jì))的再生劑X、J、S、C，通過(guò)剪切試驗(yàn)機(jī)以4 000 r/min的速率剪切10 min，制備再生瀝青。以再生瀝青的針入度恢復(fù)至基質(zhì)瀝青水平確定最佳再生劑摻量，對(duì)最佳摻量下再生瀝青的延度、軟化點(diǎn)、流變性能進(jìn)行測(cè)試。采用紅外光譜儀測(cè)試分析4種再生劑的官能團(tuán)組成，以及最佳再生劑摻量下再生瀝青的官能團(tuán)組成，通過(guò)特征官能團(tuán)的變化分析再生機(jī)理。

2 結(jié)果與討論

2.1 三大指標(biāo)

2.1.1 針入度 不同再生劑摻量下的再生瀝青的25 ℃針入度見(jiàn)圖1。

圖1 不同再生劑摻量下的再生瀝青針入度Fig.1 The penetration of rejuvenated asphalt with different dosage of rejuvenator

由圖1可知，再生瀝青的針入度隨著再生劑的摻量線性增加，不同再生劑對(duì)再生瀝青針入度的作用效果存在差異，三種植物油對(duì)再生瀝青的針入度影響作用均大于礦物再生劑，其中以新鮮大豆油的再生效率最高。以老化瀝青針入度恢復(fù)至基質(zhì)瀝青水平為標(biāo)準(zhǔn)，確定再生劑的最佳摻量，得到新鮮大豆油(X)、煎炸大豆油(J)、生物柴油副產(chǎn)物油(S)、礦物油再生劑(C)的最佳摻量分別是4%，4.5%，6.5%，9%。

2.1.2 延度 延度越大意味著瀝青的低溫抗裂性能越好。基質(zhì)瀝青、老化瀝青和最佳再生劑摻量下再生瀝青的延度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 基質(zhì)、老化與再生瀝青延度Fig.2 Base，aging and recycling asphalt ductility

由圖2可知，新鮮大豆油(X)、煎炸大豆油(J)、生物柴油副產(chǎn)物油(S)、礦物油再生劑(C)再生瀝青的延度分別是8，12，5，12 cm，老化瀝青的延度是4.0 cm，表明植物油和礦物油再生劑均提高老化瀝青延度，改善老化瀝青低溫抗裂性，其中煎炸大豆油和礦物油再生劑再生效果最好，新鮮大豆油次之，生物柴油副產(chǎn)物油再生效果最差。

2.1.3 軟化點(diǎn) 軟化點(diǎn)越高，抗車轍能力越好，反之，抗車轍能力越差。基質(zhì)瀝青、老化瀝青和再生瀝青的軟化點(diǎn)見(jiàn)圖3。

圖3 基質(zhì)、老化與再生瀝青軟化點(diǎn)Fig.3 Matrix，aging and recycled asphalt softening point

由圖3可知，在最佳再生劑摻量下，4種再生瀝青與基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)相近，但均明顯低于老化瀝青。這表明再生劑的加入降低了老化瀝青的高溫性能，但均不差于基質(zhì)瀝青。

2.2 流變性質(zhì)

2.2.1 復(fù)數(shù)模量與相位角 高溫時(shí)，復(fù)合模量G*越大，則表示瀝青的勁度越大，抗流動(dòng)變形能力就越強(qiáng)；瀝青的相位角δ越大，表示瀝青的粘性成分越多，也就是瀝青的不可恢復(fù)變形越大，瀝青越容易產(chǎn)生永久變形，反之瀝青的δ越小，則瀝青的彈性性能越強(qiáng)，彈性恢復(fù)性能就越好。圖4為基質(zhì)、老化與再生瀝青在不同溫度下的復(fù)數(shù)模量與相位角。

圖4 基質(zhì)、老化與再生瀝青溫度掃描結(jié)果Fig.4 Temperature scanning results of substrate， aging and recycled asphalt

由圖4可知，隨著溫度的升高，瀝青的復(fù)合模量逐漸降低，相位角逐漸增加，表明瀝青粘性成分逐漸增多，而彈性成分逐漸減少，抗變形能力降低。在相同溫度下，老化瀝青復(fù)數(shù)模量最大，表明瀝青老化后彈性成分增加，抗變形能力提高。隨著再生劑的加入，老化瀝青相位角增加，復(fù)數(shù)模量降低，且不同再生劑再生瀝青的復(fù)數(shù)模量和相位角存在明顯差異，表明再生劑對(duì)老化瀝青的粘彈組分的恢復(fù)效果是不同的。生物柴油副產(chǎn)物油(S)可恢復(fù)老化瀝青復(fù)數(shù)模量至基質(zhì)瀝青水平，但4種再生劑均不能恢復(fù)老化瀝青相位角至基質(zhì)瀝青水平。

2.2.2 車轍因子 瀝青的車轍因子G*/sinδ越大，高溫時(shí)的流動(dòng)變形越小，抵抗車轍的能力越強(qiáng)。圖5為不同溫度下基質(zhì)瀝青、老化瀝青和再生瀝青的車轍因子。

由圖5可知，隨著溫度升高，瀝青車轍因子降低，瀝青抗車轍能力下降。在溫度低于60 ℃時(shí)，在相同溫度下老化瀝青車轍因子最大，表明瀝青老化作用提高了瀝青抗車轍能力。加入再生劑后再生瀝青車轍因子均低于老化瀝青，表明再生劑的加入對(duì)瀝青高溫穩(wěn)定性是不利的。礦物油再生劑(C)再生瀝青與基質(zhì)瀝青的車轍因子隨溫度變化趨勢(shì)基本一致，表明礦物油再生劑恢復(fù)了老化瀝青的高溫穩(wěn)定性和溫度敏感性。生物柴油副產(chǎn)物油(S)再生瀝青比其它再生劑再生瀝青的車轍因子更高，因而生物柴油副產(chǎn)物油對(duì)再生瀝青高溫穩(wěn)定性損害最小。

圖5 不同溫度下基質(zhì)瀝青、老化瀝青與再生瀝青車轍因子Fig.5 Rutting factors of asphalt，aging asphalt and recycled asphalt at different temperatures

2.3 紅外光譜分析

2.3.1 再生劑紅外光譜分析 生物柴油副產(chǎn)物油(S)、煎炸植物油(J)、新鮮植物油(X)、礦物油再生劑(C)紅外光譜見(jiàn)圖6。

圖6 再生劑紅外光譜圖Fig.6 Regenerative infrared spectroscopy

2.3.2 再生瀝青紅外光譜分析 一般認(rèn)為老化瀝青加入再生劑后，羰基與亞砜基官能團(tuán)吸收強(qiáng)度減弱[7]，式(1)、式(2)常用于計(jì)算瀝青再生前后羰基與亞砜基吸收強(qiáng)度指數(shù)的變化。

(1)

(2)

式中A1——碳碳單鍵峰區(qū)(以1 410～1 510 cm-1為中心)面積；

A2——亞砜基峰區(qū)(以930～1 080 cm-1為中心)面積；

A3——羰基峰區(qū)(以1 670～1 750 cm-1為中心)面積。

圖7為基質(zhì)瀝青、老化瀝青和不同再生劑再生瀝青在亞砜基(930～1 080 cm-1)和羰基(1 670～1 750 cm-1)處的紅外光譜圖。

圖7 基質(zhì)瀝青、老化瀝青與再生瀝青特征官能團(tuán)紅外光譜圖Fig.7 Infrared spectra of functional groups of base asphalt， aging asphalt and recycled asphalt

由圖7可知，瀝青老化后羰基與亞砜基官能團(tuán)吸收強(qiáng)度顯著增加，表明瀝青老化后形成極性較強(qiáng)的含氧化合物。加入4種再生劑后老化瀝青亞砜基官能團(tuán)吸收強(qiáng)度減弱，羰基官能團(tuán)吸收強(qiáng)度因再生劑種類而不同。

表2為基質(zhì)瀝青、老化瀝青與再生瀝青羰基與亞砜基強(qiáng)度指數(shù)。

表2 基質(zhì)瀝青、老化瀝青與再生瀝青特征官能團(tuán)強(qiáng)度指數(shù)Table 2 Strength index of characteristic functional groups of base asphalt，aging asphalt and recycled asphalt

由表2可知，4種再生劑均降低了老化瀝青中亞砜基的強(qiáng)度指數(shù)，3種植物油再生劑X、J、S對(duì)亞砜基的降低效果與其摻量呈正比。礦物油再生劑C摻量最高，對(duì)亞砜基的降低效果并不十分明顯，因?yàn)镃中含有少量亞砜基。老化瀝青中羰基在加入再生劑后強(qiáng)度指數(shù)呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)，加入植物油再生劑X、J、S后羰基含量增加，加入礦物油再生劑C后羰基含量降低，因?yàn)橹参镉秃写罅眶驶?，而礦物油基本不含羰基。

3 結(jié)論

(1)老化瀝青針入度恢復(fù)至基質(zhì)瀝青水平時(shí)的再生劑新鮮大豆油(X)、煎炸大豆油(J)、生物柴油副產(chǎn)物油(S)、礦物油再生劑(C)的最佳摻量分別是4%，4.5%，6.5%，9%。4種再生劑均可提高老化瀝青延度，但會(huì)降低其軟化點(diǎn)。

(2)4種再生劑對(duì)老化瀝青復(fù)數(shù)模量和相位角的恢復(fù)作用存在差異，生物柴油副產(chǎn)物油(S)可恢復(fù)老化瀝青復(fù)數(shù)模量至基質(zhì)瀝青水平，但4種再生劑均不能恢復(fù)老化瀝青相位角至基質(zhì)瀝青水平。4種再生劑均降低了老化瀝青的高溫抗車轍性能。

(3)新鮮大豆油(X)、煎炸大豆油(J)、生物柴油副產(chǎn)物油(S)3種植物油相比礦物再生劑具有環(huán)保性，因?yàn)橹参镉筒缓掳┬缘某憝h(huán)芳烴。瀝青老化后生成強(qiáng)極性的羰基和亞砜基，加入4種再生劑后老化瀝青亞砜基含量均降低。羰基含量因再生劑種類而發(fā)生不同變化，因?yàn)橹参镉捅旧砗写罅眶驶?，礦物油再生劑降低羰基含量，植物油增加羰基含量。