廢機油底渣再生劑對老化瀝青低溫性能影響

李汝凱， 丁海波， 孫 潛

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 四川 成都 610031)

使用回收瀝青路面材料(RAP)來鋪筑新瀝青路面具有顯著的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境效益，可降低建設(shè)成本和節(jié)約自然資源，既能充分利用廢舊RAP料，還能減少環(huán)境污染.近年來，提高瀝青混合料中RAP摻量已成為瀝青再生技術(shù)研究的重點[1].當(dāng)前RAP摻量較低的主要原因是隨著RAP比例的增加，再生瀝青混合料中所含的老化瀝青同樣增加，而高RAP摻量下的再生瀝青混合料對疲勞、低溫開裂非常敏感.使用再生劑是提高RAP摻量的重要途徑之一，因此針對各種低成本瀝青再生劑(廢食用油、熱解廢輪胎油、葵花籽油等)的報道屢見不鮮[2-5].其中，將廢潤滑油再煉得到的廢機油底渣由于價格低廉、來源廣泛，且可起到資源再利用效果等原因，在國內(nèi)外都有一定的研究與應(yīng)用，相關(guān)論文及專利配方中均聲稱廢機油底渣具有良好的再生效果[6-12].然而，加拿大安大略省北部近期對開裂嚴(yán)重的路面進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，該路段檢測到了大量廢機油底渣中才含有的鋅和鉬等重金屬，且通過與其他相近交通量、地理位置及不同改性技術(shù)的相同瀝青膠結(jié)料等級的比較得出，采用廢機油底渣是造成路面早期開裂的重要原因，因此安大略省已禁止使用廢機油底渣[13]作為瀝青再生劑.Hesp等[14]研究指出，廢機油底渣可能含有大量汽車發(fā)動機磨耗金屬，而這些金屬可能作為催化劑加速了瀝青的硬化及老化.另外，常規(guī)經(jīng)驗測試方法和Superpave膠結(jié)料性能表征方法存在諸多不足[15]，如現(xiàn)場瀝青膠結(jié)料的破壞均在大應(yīng)變的非線性范圍內(nèi)，但在Superpave瀝青膠結(jié)料規(guī)范中，瀝青的流變特性均要求在小應(yīng)變線彈性范圍內(nèi)進(jìn)行測試，致使兩者存在差異，而這一差異有可能導(dǎo)致劣質(zhì)瀝青再生劑的使用.因此，有必要采用新方法來評估將再煉機油底渣作為再生劑時對老化瀝青性能的影響，避免使用劣質(zhì)再生劑對瀝青路面耐久性產(chǎn)生不利影響.

鑒于此，本研究采用雙邊缺口拉伸(DENT)試驗、擴展彎曲梁流變(Ex-BBR)試驗、原子力顯微鏡(AFM)[16-17]，研究評估了廢機油底渣作為瀝青再生劑時對老化瀝青膠結(jié)料低溫性能的影響.

1 原材料及技術(shù)指標(biāo)

1.1 廢機油底渣(WEOB)

本文使用的廢機油底渣為某潤滑油公司將廢機油依次通過真空蒸餾和常壓蒸餾后回收得到的不能再次蒸餾的殘渣，該殘渣不含自由水，常溫下為黑色黏稠液體，其物理化學(xué)特性如表1所示.

表1 廢機油底渣的物理化學(xué)特性Table 1 Physical and chemical properties of waste engine oil bottom w/%

1.2 瀝青膠結(jié)料

本研究采用90#基質(zhì)瀝青來制備老化瀝青，其PG分級為PG-58～34.Yin等[18]研究表明，瀝青膠結(jié)料通過室內(nèi)20h長期老化(PAV)試驗后仍處于非平衡狀態(tài)，其老化程度輕于現(xiàn)場8～10a的自然老化程度.因此本文對老化步驟進(jìn)行改善，將經(jīng)過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化(RTFOT)后的瀝青再進(jìn)行40h長期老化，以此來模擬瀝青材料的現(xiàn)場老化情況.原樣瀝青和老化瀝青的性能檢測結(jié)果見表2.

表2 原樣瀝青和老化瀝青性能檢測結(jié)果Table 2 Performance test results of original and aged asphalts

將室內(nèi)制備完成的老化瀝青加熱到175℃左右，然后緩慢添加廢機油底渣，同時采用攪拌棒不斷攪拌，使廢機油底渣與老化瀝青充分融合，得到以廢機油底渣作為再生劑的再生瀝青.

2 試驗方法

2.1 雙邊缺口拉伸(DENT)試驗

雙邊缺口拉伸試驗是基于斷裂力學(xué)中基本斷裂功(EWF)理論的瀝青膠結(jié)料抗延性拉伸性能測試方法.它是一種經(jīng)過改進(jìn)的延度試驗方法，可模擬含微裂紋瀝青膠結(jié)料在受約束條件下的抗拉伸斷裂性能(見圖1(a)).DENT試驗中獲得的裂紋尖端張開位移(CTOD)可用于表征瀝青膠結(jié)料在延性狀態(tài)下的容許應(yīng)變.國內(nèi)外通常采用基于動態(tài)剪切流變儀(DSR)的時間掃描循環(huán)加載模式進(jìn)行瀝青膠結(jié)料疲勞試驗，但該方法測試時間長，不適用于瀝青質(zhì)量的驗收評定；也有學(xué)者嘗試采用單調(diào)加載模式的測試方法來表征瀝青膠結(jié)料的疲勞性能，如膠結(jié)料屈服試驗(AASHTO TP 123—16《Standard method of test for measuring asphalt binder yield energy and elastic recovery using the dynamic shear rheometer》)、線性振幅掃描試驗(AASHTO TP 101—16《Standard method of test for estimating fatigue resistance of asphalt binders using the linear amplitude sweep》)和雙邊缺口拉伸試驗(AASHTO TP 113—15《Standard method of test for determination of asphalt binder resistance to ductile failure using double-edge-notched tension(DENT) test》).研究結(jié)果表明：瀝青路面疲勞開裂與瀝青膠結(jié)料CTOD值之間具有最佳的相關(guān)性，CTOD值越高，瀝青膠結(jié)料的抗疲勞性能越好[19].盡管DENT試驗在表征瀝青疲勞性能上存在瑕疵[20]，但依據(jù)CTOD值可有效排除抗拉伸斷裂性能差的劣質(zhì)瀝青.因此，本文根據(jù)AASHTO TP 113—15，采用DENT試驗來評價瀝青的疲勞性能，測試溫度為 15℃，拉伸速率為 5cm/min，設(shè)備采用常見的測力延度試驗裝置.試驗原理圖和試樣實物圖見圖1.

圖1 DENT試驗原理示意圖和試樣實物圖Fig.1 Diagram of DENT test principle and physical drawing of sample

2.2 擴展彎曲梁流變(Ex-BBR)試驗

Evans等[21-22]研究指出，瀝青膠結(jié)料快速冷卻時，其分子鏈運動能力下降，材料處于非平衡狀態(tài)；隨著時間演化，其分子鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過分子鏈重排并逐漸趨向于平衡態(tài).因此，瀝青膠結(jié)料在長期低溫環(huán)境下勁度增加而蠕變速率降低.然而，目前的Superpave規(guī)范AASHTO M320僅要求低溫恒溫養(yǎng)護(hù) 1h，此時材料仍處于非平衡態(tài)，物理硬化對瀝青膠結(jié)料的低溫分級具有不利影響.為此，本文根據(jù)AASHTO TP122—16《Provisional standard method of test for determination of performance grade of physically aged asphalt binder using extended bending beam rheometer(BBR) method》，使用Ex-BBR試驗來確定瀝青膠結(jié)料的性能分級.將瀝青膠結(jié)料在PG低溫分級以上10℃和20℃的低溫環(huán)境下恒溫養(yǎng)護(hù)3d，然后分別在PG低溫分級以上 10℃ 和16℃測得其蠕變勁度(S)和蠕變速率(m)，再根據(jù)S和m值來反算其低溫分級.該方法旨在表征瀝青膠結(jié)料經(jīng)過低溫恒溫養(yǎng)護(hù)后的殘留勁度和松弛特性，可以更好地預(yù)估瀝青膠結(jié)料的非荷載相關(guān)開裂.小梁試件采用自制硅膠模具制備，每種瀝青均需制備12根小梁.

2.3 原子力顯微鏡(AFM)表征

瀝青材料的宏觀力學(xué)性能取決于其微觀結(jié)構(gòu)，因此了解原樣瀝青、老化瀝青及采用廢機油底渣作為再生劑的再生瀝青微觀結(jié)構(gòu)可解釋其宏觀力學(xué)性能，進(jìn)而可準(zhǔn)確預(yù)估所采用瀝青膠結(jié)料的長期路用性能.近年來，原子力顯微鏡在瀝青膠結(jié)料微觀結(jié)構(gòu)表征中得到了廣泛應(yīng)用[23]，李波[24]采用原子力顯微鏡技術(shù)研究了溫拌瀝青的老化過程；Hossain等[25]采用原子力顯微鏡研究了工農(nóng)業(yè)廢棄物改性瀝青的微觀結(jié)構(gòu)及納米力學(xué)特性.本文采用原子力顯微鏡來表征原樣瀝青、老化瀝青及再生瀝青的微觀結(jié)構(gòu)特性.

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 雙邊缺口拉伸試驗結(jié)果

瀝青膠結(jié)料的抗裂性能評估準(zhǔn)則主要有基于強度的準(zhǔn)則以及基于變形的準(zhǔn)則.SHRP中采用瀝青膠結(jié)料的直接拉伸試驗(DTT)來評估瀝青膠結(jié)料的容許應(yīng)變.然而，該測試方法存在諸多缺陷.首先，DTT試驗設(shè)備價格昂貴，儀器生產(chǎn)商已經(jīng)停止了對其系統(tǒng)的升級服務(wù)；其次，試驗的重復(fù)性較低.為了更好地理解拉伸體幾何形狀的差異對瀝青混合料試樣中應(yīng)力分布的影響，采用有限元(FEM)來模擬DTT和DENT試樣，結(jié)果如圖2所示.標(biāo)準(zhǔn)DTT試樣中部的應(yīng)力分布幾乎保持恒定，這使得該試驗無法準(zhǔn)確預(yù)測破壞點，從而導(dǎo)致試驗結(jié)果重復(fù)性較低；同時，標(biāo)準(zhǔn)DTT試樣在拉伸過程中可能會斷裂成幾部分.而對DENT試樣而言，可以清楚地看出該試樣中部的應(yīng)力集中非常明顯，可以較好地模擬瀝青混合料中因微裂縫而導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象.

廢機油底渣摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)不同時，瀝青膠結(jié)料的延性拉伸性能試驗結(jié)果見圖3.由圖3可見：廢機油底渣摻量為2%的再生瀝青CTOD值略高于老化瀝青；隨著廢機油底渣摻量繼續(xù)增加，再生瀝青的CTOD值逐漸降低；當(dāng)廢機油底渣摻量增至8%、10%時，再生瀝青的容許應(yīng)變急劇降低，與老化瀝青的CTOD值相比，廢機油底渣摻量為10%的再生瀝青CTOD值減少量高達(dá)50%.這表明就抗延性拉伸性能而言，廢機油底渣不能使老化瀝青恢復(fù)到未老化時的初始值，同時對老化瀝青的抗延性拉伸性能也有不利影響.比較老化瀝青及廢機油底渣摻量為10%的再生瀝青10mm韌帶長度的力-位移曲線(見圖4)可以看出，老化瀝青比再生瀝青具有更高的峰值荷載，這是因為瀝青老化會使其硬度提高，屈服荷載也相應(yīng)較高，而添加廢機油底渣會起到軟化瀝青的效果，從而降低其屈服荷載.由圖4(b)還可看出：當(dāng)力接近零時，再生瀝青10mm韌帶長度的位移仍不斷增加，有相當(dāng)長的瀝青細(xì)絲，從斷裂功的角度來看，這部分伸長并沒有增加瀝青的抗斷裂拉伸性能；采用雙邊缺口拉伸基本斷裂功的原理可去除這部分細(xì)絲的影響，這也說明延度試驗無法準(zhǔn)確反映瀝青膠結(jié)料的基本性質(zhì)，反而有可能造成瀝青性質(zhì)的誤判.根據(jù)基本斷裂功理論，對不同韌帶長度試樣測得的力-位移曲線之間具有自相似性[26].因此，本文選取10mm韌帶長度為代表，對其力-位移變化曲線進(jìn)行詳細(xì)分析；同理，5mm韌帶長度和15mm韌帶長度的力-位移變化曲線具有同樣的規(guī)律.

圖2 DTT與DENT試樣的有限元模擬Fig.2 FEM simulation of the DTT and DENT samples

圖3 不同WEOB摻量下瀝青膠結(jié)料的DENT結(jié)果Fig.3 DENT results of asphalts with differentWEOB contents

圖4 瀝青膠結(jié)料力-位移曲線Fig.4 Force-displacement curves of asphalt binder

3.2 低溫彎曲梁流變試驗結(jié)果

瀝青物理硬化的評價方法一直是國內(nèi)外研究的焦點.硬化指數(shù)(24h蠕變勁度比)、平移因子法、偽空間位置圖等雖然可以在一定程度上反映物理硬化對瀝青的影響，但很難與實際瀝青路面的性能建立聯(lián)系.AASHTO TP122—16中采用分級損失作為評價瀝青物理硬化可能性的指標(biāo).圖5給出了根據(jù)LTPPbinderTM膠結(jié)料選擇軟件計算得到的路面無開裂損傷的可能性隨服役年限變化的關(guān)系.可以看出，對PGXX-28氣候區(qū)，當(dāng)采用的瀝青膠結(jié)料低溫等級由PG-28變?yōu)镻G-22(即分級損失為6℃)時，路面無開裂損傷發(fā)生的可能性隨服役年限的增加而顯著降低[17].

為了說明物理硬化對瀝青性能的影響，將小梁試件養(yǎng)護(hù)不同時間后，進(jìn)行彎曲蠕變試驗.標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1h與延長養(yǎng)護(hù)72h小梁試件的蠕變勁度、蠕變速率這2個參數(shù)的臨界失效溫度分布如圖6所示.由圖6可見：養(yǎng)護(hù)1h小梁試件的蠕變勁度臨界失效溫度有大約72%的數(shù)據(jù)點大于其蠕變速率臨界失效溫度(去除明顯發(fā)生偏移的數(shù)據(jù)點)，表明根據(jù)AASHTO M320標(biāo)準(zhǔn)試驗方法，瀝青膠結(jié)料的極限低溫等級主要由蠕變勁度確定；當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)時間到72h時，各數(shù)據(jù)點的分布主要集中在等值線以下(93%)，表明此時小梁試件的蠕變速率臨界失效溫度高于其蠕變勁度臨界失效溫度，而瀝青材料的臨界失效溫度考慮的是兩者的最不利情況，因此養(yǎng)護(hù)72h的小梁試件臨界失效溫度主要由蠕變速率臨界失效溫度控制.換句話說，在經(jīng)過72h延長低溫養(yǎng)護(hù)后，瀝青的松弛性能決定了其所能適應(yīng)的PG低溫分級，此時膠結(jié)料的勁度并非控制參數(shù).

圖5 典型PGXX-28區(qū)無損傷可能性與服役年限的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between service years and chance of no damage for typical PGXX-28 zone

圖6 小梁試件的蠕變勁度和蠕變速率的臨界失效溫度分布Fig.6 Critical failure temperature distributions of creep stiffness and creep rate for beam samples

通過添加廢機油底渣對老化瀝青進(jìn)行再生后，其低溫極限分級結(jié)果如圖7所示.由圖7可見，就常規(guī)BBR試驗而言，隨著廢機油底渣摻量的增加，瀝青膠結(jié)料的低溫極限分級呈線性降低趨勢，當(dāng)廢機油底渣摻量為10%時，瀝青膠結(jié)料的低溫極限分級可以達(dá)到-34℃，即可恢復(fù)到原樣瀝青的低溫分級(LTPG).這一結(jié)果確認(rèn)了廢機油底渣作為老化瀝青再生劑可使老化瀝青低溫分級恢復(fù)到其初始狀態(tài)，這也是目前廣泛使用廢機油底渣作為瀝青再生劑的原因之一.而當(dāng)采用考慮物理硬化作用的擴展彎曲梁流變試驗對廢機油底渣摻量不同的瀝青膠結(jié)料進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)，無論廢機油底渣的摻量如何，其測得的低溫極限分級均高于常規(guī)BBR試驗結(jié)果.0%～8%廢機油底渣摻量的瀝青膠結(jié)料低溫極限分級相差不大，而當(dāng)廢機油底渣摻量進(jìn)一步增加到10%時，瀝青膠結(jié)料的低溫極限分級明顯提高，分級損失明顯增加.根據(jù)石油化工行業(yè)的相關(guān)研究[27]，石蠟可使高瀝青質(zhì)含量原油中的瀝青質(zhì)發(fā)生沉淀.而潤滑油主要由石蠟基礎(chǔ)油制備，因此在高瀝青質(zhì)含量的老化瀝青中添加廢機油底渣后，在長期低溫(溫度恒定)作用下，廢機油底渣中的石蠟會使老化瀝青中的瀝青質(zhì)發(fā)生沉淀，形成抗低溫性能較差的凝膠類瀝青膠體結(jié)構(gòu)，從而顯著降低其低溫可靠性.

圖7 不同WEOB摻量下瀝青膠結(jié)料的低溫極限分級Fig.7 Low temperature limiting grade of asphalts withdifferent contents of WEOB

3.3 AFM微觀形態(tài)試驗結(jié)果

原樣瀝青、老化瀝青及廢機油底渣摻量為10%的再生瀝青微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)如圖8所示.由圖8(a)可見：原樣瀝青具有片狀結(jié)構(gòu)(直徑平均小于2μm)的分散相散布于光滑基體相中；蜂狀結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)是由于結(jié)晶蠟與剩余非結(jié)晶蠟瀝青組分之間的相互作用.各種化學(xué)組分之間復(fù)雜的分子間相互作用可以體現(xiàn)在所形成的微觀結(jié)構(gòu)上.由圖8(b)可見：經(jīng)過老化后，原樣瀝青中較大尺寸的片狀結(jié)構(gòu)被較小尺寸的結(jié)構(gòu)所取代，這是由于瀝青中組分的老化形成了更多不溶于基體相的產(chǎn)物.由圖8(c)可見：摻入10%廢機油底渣的再生瀝青中含有明顯的橢圓形蜂狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[28]，出現(xiàn)蜂狀結(jié)構(gòu)是由于結(jié)晶蠟與剩余非結(jié)晶蠟瀝青組分之間的相互作用，由此說明在老化瀝青中添加廢機油底渣會使其中的蠟含量增加.這與產(chǎn)生上述Ex-BBR試驗結(jié)果的原因相似，即老化瀝青中含有較高比例的瀝青質(zhì)，廢機油底渣主要是由石蠟比例較高的基礎(chǔ)油制備，而石蠟會使得瀝青質(zhì)含量較高的瀝青發(fā)生沉淀.由于蜂狀結(jié)構(gòu)與其他相之間的相容性較低，且形成了更多的相界，而相界處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，這也解釋了添加廢機油底渣的老化瀝青因物理硬化水平增加而使其低溫性能降低的原因.早期研究已經(jīng)表明，蠟的低溫結(jié)晶、瀝青質(zhì)聚集和自由體積崩潰是瀝青膠結(jié)料產(chǎn)生低溫物理硬化的3個主要原因.然而由于原子力顯微鏡的局限性，無法捕獲瀝青膠結(jié)料中瀝青質(zhì)的聚集和自由體積崩潰現(xiàn)象.因此，為了深入了解采用廢機油底渣作為再生劑的瀝青體系性能，有必要采取多種微觀分析及試驗手段進(jìn)行研究.

圖8 瀝青膠結(jié)料AFM微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)Fig.8 AFM microstructural morphology of asphalt binder

4 結(jié)論

(1)廢機油底渣對老化瀝青的抗延性拉伸性能有不利的影響，添加廢機油底渣會降低老化瀝青的屈服荷載.廢機油底渣摻量為2%的再生瀝青容許應(yīng)變略高于老化瀝青；隨著廢機油底渣摻量繼續(xù)增加，再生瀝青的容許應(yīng)變逐漸降低；與老化瀝青的容許應(yīng)變相比，廢機油底渣摻量為10%的瀝青膠結(jié)料容許應(yīng)變減少量高達(dá)50%.

(2)常規(guī)BBR試驗中，隨著廢機油底渣摻量的增加，瀝青膠結(jié)料的低溫極限分級呈線性降低趨勢.在老化瀝青中添加10%的廢機油底渣后，可使其PG低溫分級恢復(fù)到原樣瀝青的低溫分級.采用長期低溫養(yǎng)護(hù)的擴展彎曲梁流變試驗時，0%～8%廢機油底渣摻量的瀝青膠結(jié)料極限低溫分級相差不大；而當(dāng)廢機油底渣摻量增加到10%時，瀝青膠結(jié)料的低溫極限分級明顯提高，分級損失明顯增加.

(3)與原樣瀝青相比，老化瀝青中存在更多的片狀結(jié)構(gòu)；廢機油底渣摻量為10%的再生瀝青中含有明顯的橢圓形蜂狀結(jié)構(gòu).這表明在老化瀝青中添加廢機油底渣可使其中的蠟含量增加，這是其低溫及抗延性性能降低的重要原因.

(4)鑒于廢機油底渣對瀝青膠結(jié)料的潛在不利影響，為延長道路使用壽命及減少由于使用此類低成本再生劑造成的路面早期破壞，建議配合不同來源的廢機油底渣，進(jìn)一步對不同原油來源和不同老化程度的再生瀝青進(jìn)行系統(tǒng)研究，以合理控制廢機油底渣的摻量.