廢機油殘留物再生瀝青的抗老化性能

李 晉,于淼章,崔新壯,2，李英勇，盛余祥

(1.山東交通學(xué)院 交通土建工程學(xué)院，山東 濟南 250357；2.山東大學(xué) 土建與水利學(xué)院，山東 濟南 250061; 3.山東省交通運輸事業(yè)服務(wù)中心，山東 濟南 250002；4.日照市水務(wù)集團有限公司，山東 日照 276826)

中國每年僅交通行業(yè)就產(chǎn)生2500～3000萬t的廢機油(REO)[1]，其中70%～80%可以通過蒸餾-白土或蒸餾-加氫精制等再生工藝實現(xiàn)回收利用[2]，剩余20%～30%的殘渣油因混入雜質(zhì)較多而無法有效回收利用，被稱為廢機油殘留物(REOB).針對REOB，大多采用丟棄、掩埋或燃燒進行處理，如此將造成嚴重的環(huán)境污染.為實現(xiàn)對REOB的資源再利用，同時為尋求性能良好且經(jīng)濟的瀝青改性劑或再生劑，基于REOB與瀝青的相似相容性，國內(nèi)外相繼出現(xiàn)了將REOB用于瀝青材料的相關(guān)專利報道[3-4]和探索.Hesp等[5-6]采用X射線熒光光譜(XRF)證實REOB可用于瀝青結(jié)合料中，并探討了REOB對瀝青路面開裂的不利影響；Rubab等[7]將REOB與直餾瀝青拌和后，發(fā)現(xiàn)REOB雖能增加瀝青的性能等級，但也會加快改性后瀝青的氧化速度；丁海波等[8-9]利用REOB對瀝青進行改性或再生，試驗發(fā)現(xiàn)REOB對瀝青的抗延性斷裂性能及低溫性能不利.究其原因，應(yīng)該是REOB中的石蠟會使瀝青質(zhì)沉淀，以及鐵、銅、鉻等金屬會加速瀝青氧化，從而促使REOB及瀝青的老化所致.因此，為探討REOB用作瀝青再生劑的長期穩(wěn)定性及缺陷，有必要針對REOB再生瀝青的抗老化性能開展全面系統(tǒng)的研究.

本文以REOB作為模擬老化瀝青的再生劑，通過對REOB自身、REOB再生瀝青以及REOB再生瀝青混合料3個層面的老化性能進行對比分析，綜合評價了老化對REOB再生瀝青及其混合料路用性能的影響，從而為REOB用于瀝青再生提供改進依據(jù).

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1再生劑

廢機油殘留物(REOB)取自于某大型廢機油處理廠，對其微量元素含量(質(zhì)量分數(shù)，本文所涉及的含量、組分等均為質(zhì)量分數(shù))進行XRF分析，結(jié)果見表1；同時選取市場上一種以礦物油作為基礎(chǔ)油的專業(yè)再生劑RA5作為對比，采用棒狀薄層色譜測試了兩者的四組分含量及基本性質(zhì)，結(jié)果見表2.

表1 REOB的XRF分析結(jié)果

1.1.2瀝青

原樣瀝青選用70-A基質(zhì)瀝青，其性能分級為PG70-28.原樣瀝青經(jīng)薄膜烘箱老化試驗(TFOT)及壓力老化容器(PAV)試驗后制得模擬老化瀝青.在150℃下，分別添加占老化瀝青質(zhì)量7%、5%的REOB和RA5，并以4000r/min的轉(zhuǎn)速高速剪切10min，制備出REOB再生瀝青和RA5再生瀝青，此時兩者的物理指標(biāo)及PG分級均恢復(fù)至接近原樣瀝青的水平.不同瀝青結(jié)合料的性能指標(biāo)見表3.

表3 不同瀝青結(jié)合料的性能指標(biāo)

1.1.3瀝青混合料

為準(zhǔn)確比較3種瀝青對瀝青混合料性能的影響，分別以REOB再生瀝青、RA5再生瀝青和70-A基質(zhì)瀝青作為AC-20瀝青混合料的膠結(jié)料，并采用馬歇爾設(shè)計法得到3種瀝青混合料的最佳油石比均為4.4%.

1.2 試驗方法

1.2.1延時TFOT試驗

標(biāo)準(zhǔn)TFOT試驗?zāi)苣M瀝青在拌和及攤鋪過程中的短期老化，PAV試驗?zāi)苣M路面服役5a后的瀝青老化，但研究發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)TFOT試驗未能使瀝青達到充分老化[10].因此，采用改進的延時TFOT試驗(老化時間分別為5、10、15、20、25h)來模擬瀝青壽命周期內(nèi)的老化.具體步驟參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的標(biāo)準(zhǔn)試驗，需注意的是在每老化5h后要用玻璃棒對試樣皿中的瀝青進行攪拌，以避免瀝青表面結(jié)膜，減緩氧氣進入瀝青內(nèi)部而降低其氧化速率[6].

1.2.2布氏黏度試驗與彎曲梁流變試驗

布氏旋轉(zhuǎn)黏度計型號為NDJ-1C，上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)；彎曲梁流變儀(BBR)型號為TE-BBR-F，美國CANNON設(shè)備公司生產(chǎn)；按照JTG E20—2011中相關(guān)方法測試瀝青黏度及其蠕變勁度、蠕變速率.

1.2.3加速加載試驗

為在較短時間內(nèi)快速模擬若干年內(nèi)實際交通荷載對路面的破壞情況，采用自主研發(fā)的回轉(zhuǎn)式加速加載試驗系統(tǒng)(RALT)[11]，在常溫和高溫下開展了路面加速加載試驗.RALT的外形尺寸為3360mm×2120mm×2526mm；最大軸載為10kN，輪胎壓力為0.8～1.2MPa，碾壓速度為10～35km/h(3000次/h～15000次/h)；有效加載長度為1m.RALT另設(shè)有溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可調(diào)溫度為-15～60℃.

1.2.4落錘式彎沉儀

落錘式彎沉儀能準(zhǔn)確捕捉路面在動荷載作用下的實際變形，用于反算路面結(jié)構(gòu)層模量，從而科學(xué)地評價路面的承載能力.采用荷蘭Grontmij公司生產(chǎn)的PRIMAX 1500落錘式彎沉儀進行路面結(jié)構(gòu)層的彎沉測試.

2 結(jié)果與分析

2.1 REOB的抗老化性

REOB作為再生劑，其自身的抗老化性直接關(guān)系到REOB再生瀝青及其混合料的抗老化性和耐久性.表4為REOB和RA5經(jīng)TFOT老化5h后的質(zhì)量損失和黏度比.由表4可見，REOB和RA5的質(zhì)量損失和黏度比均符合JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求，表明兩者的熱穩(wěn)定性和抗老化性良好，初步驗證了REOB作為再生劑的可行性.同時還可看出，在TFOT老化5h后，REOB的質(zhì)量損失和黏度比均小于RA5，說明此時REOB的抗老化性要好于RA5，尚未出現(xiàn)前人擔(dān)憂的將廢礦物油作為再生劑時其熱穩(wěn)定性和抗老化性差的現(xiàn)象[12].

表4 TFOT老化5h后REOB和RA5的老化指標(biāo)

2.2 REOB再生瀝青的抗老化性

2.2.1質(zhì)量損失

瀝青在熱氧老化過程中一方面由于氧化聚合反應(yīng)而增加質(zhì)量，另一方面則因輕組分揮發(fā)而損失質(zhì)量.考慮到REOB和RA5多富含芳香分，其老化中的揮發(fā)損失量將大于吸氧增重量.在延時TFOT老化時間下測定的3種瀝青質(zhì)量損失見圖1.

由圖1可看出，在TFOT老化5h后，3種瀝青的質(zhì)量損失均遠遠小于JTG F41—2008要求的0.8%.另外，在老化時間不超過10h時，REOB再生瀝青的質(zhì)量損失小于RA5再生瀝青，表明此時REOB再生瀝青的抗老化性較RA5再生瀝青好，這與上述REOB自身的抗老化性一致；然而，當(dāng)老化時間達到15h及以上時，REOB再生瀝青的質(zhì)量損失均大于RA5再生瀝青，且兩者的差距隨著老化時間的延長而不斷加大，可能的原因是REOB自身在長期高溫下的熱穩(wěn)定性衰減速率要高于RA5，導(dǎo)致其揮發(fā)損失量大于RA5.由此表明，在長期高溫老化(TFOT老化時間不少于15h)下，REOB作為再生劑時的熱穩(wěn)定性及抗老化性差的弊端逐漸顯露.

圖1 3種瀝青質(zhì)量損失與老化時間的關(guān)系Fig.1 Relations between mass loss and TFOT aging time for three kinds of asphalt

2.2.2黏度老化指數(shù)

瀝青黏度能很好地反映瀝青質(zhì)在瀝青組分中的膠溶程度.瀝青老化過程中，因組分遷移而使瀝青質(zhì)增多，瀝青質(zhì)增多又造成瀝青黏度不斷增加，故黏度變化能很好地反映瀝青的老化程度[13].在延時TFOT老化時間下，測定3種瀝青的60℃黏度，結(jié)果見表5.

表5 延時TFOT老化時間下3種瀝青的60℃黏度

由表5可見，3種瀝青的初始黏度相差較大.因此，與采用黏度比這一老化指標(biāo)相比，采用黏度老化指數(shù)C能夠更好地表征不同瀝青的抗老化能力，其公式為：

C=lglgη2-lglgη1

(1)

式中：η2為經(jīng)過不同TFOT老化時間后的瀝青黏度(mPa·s)；η1為老化前(初始)的瀝青黏度(mPa·s).

圖2 3種瀝青黏度老化指數(shù)與老化時間的關(guān)系Fig.2 Relations between viscosity aging index and TFOT aging time for three kinds of asphalt

3種瀝青的黏度老化指數(shù)與老化時間的關(guān)系見圖2.由圖2可知，隨著TFOT老化時間的延長，3種瀝青的黏度老化指數(shù)均不斷增大，表明其抗老化能力在不斷下降.在TFOT老化5h后，黏度老化指數(shù)的大小順序為：RA5再生瀝青>基質(zhì)瀝青>REOB再生瀝青，表明此時REOB再生瀝青的抗老化性最好；在老化10h后，黏度老化指數(shù)的大小順序為：RA5再生瀝青>REOB再生瀝青>基質(zhì)瀝青，此時REOB再生瀝青的抗老化性已不如基質(zhì)瀝青，但仍優(yōu)于RA5再生瀝青；繼續(xù)延長TFOT老化時間，則REOB再生瀝青的黏度老化指數(shù)增長至高于另2種瀝青，且與另2種瀝青的差距隨著老化時間的延長而不斷增大，表明REOB再生瀝青的抗長期老化性(TFOT老化時間不少于15h)最差.原因可能是REOB中所含石蠟在長期高溫下加速了瀝青質(zhì)沉淀，并且所含金屬在長期高溫下易氧化，從而加劇了該種瀝青的老化硬化.

2.2.3蠕變勁度及蠕變速率

瀝青老化會使瀝青變硬變脆，勁度不斷增大，應(yīng)力松弛變小，從而易造成瀝青路面的低溫開裂，進而縮短瀝青路面的使用壽命[14].因此，可采用SHRP計劃提倡的低溫彎曲梁流變(BBR)試驗來評價延時TFOT老化對瀝青低溫抗裂性的影響.在延時TFOT老化時間下，3種瀝青在-12℃下的蠕變勁度S和蠕變速率m見圖3、4.

圖3 3種瀝青蠕變勁度與老化時間關(guān)系Fig.3 Relations between creep stiffness and TFOT aging time for three kinds of asphalt

圖4 3種瀝青蠕變速率與老化時間關(guān)系Fig.4 Relations between creep rate and TFOT aging time for three kinds of asphalt

由圖3可見，3種瀝青的蠕變勁度均隨著TFOT老化時間的延長而逐漸增大，表明瀝青在此過程中不斷硬化，低溫柔韌性不斷下降.TFOT老化5、10h后，3種瀝青的蠕變勁度增幅排序為：RA5再生瀝青>REOB再生瀝青>基質(zhì)瀝青，表明RA5再生瀝青的硬化速率最大，REOB再生瀝青的抗短期老化性能(TFOT老化時間不超過10h)優(yōu)于RA5再生瀝青，但不如基質(zhì)瀝青；當(dāng)TFOT老化時間達到15h及以上后，REOB再生瀝青的蠕變勁度增速均大于RA5再生瀝青和基質(zhì)瀝青，表明REOB再生瀝青的抗長期老化性能最差，這與上述質(zhì)量損失和黏度老化指數(shù)的變化規(guī)律一致.

由圖4可知，隨著TFOT老化時間的延長，3種瀝青的蠕變速率不斷減小，表明其低溫應(yīng)力耗散能力逐漸減弱.TFOT老化5、10h后，REOB再生瀝青的蠕變速率降至低于基質(zhì)瀝青，而在TFOT老化15h 及以上后，REOB再生瀝青的蠕變速率又大幅降至低于RA5再生瀝青，即REOB再生瀝青的應(yīng)力松弛能力衰減至最差，從而極易在氣溫驟降時出現(xiàn)開裂.

2.3 REOB再生瀝青混合料試驗路的抗老化性

老化造成瀝青路面使用壽命減少的另一方面是抗疲勞性能衰減.瀝青路面老化使瀝青混合料的勁度增大，交通疲勞和溫度應(yīng)力疲勞的極限破壞應(yīng)變減小，疲勞破壞的次數(shù)減少，從而導(dǎo)致瀝青路面疲勞破壞[14].

為研究老化對瀝青路面抗疲勞性能及使用壽命的影響，本研究利用REOB再生瀝青混合料、RA5再生瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料，設(shè)計鋪筑了室內(nèi)足尺直道試驗路面層(試驗路示意圖見圖5)，利用回轉(zhuǎn)式加速加載試驗系統(tǒng)(RALT)，以10kN軸載、0.8MPa輪胎壓力及15km/h 加載速度，在常溫與高溫60℃下對3種路面結(jié)構(gòu)分別開展加速加載試驗.RALT每加載5萬次，用落錘式彎沉儀分別監(jiān)測3種路面結(jié)構(gòu)的彎沉值.由于每次測試時的環(huán)境溫度各有差異，需準(zhǔn)確記錄監(jiān)測時瀝青層溫度，以便將實際測得的彎沉值修正到標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃下的彎沉值，便于數(shù)據(jù)統(tǒng)一對比.圖6為標(biāo)準(zhǔn)溫度20℃下路面彎沉值與RALT加載次數(shù)的關(guān)系圖.

圖5 室內(nèi)足尺試驗路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural sketch of full-scale indoor test road(size：cm)

由圖6可知：隨著RALT加載次數(shù)的增加，3種瀝青路面的彎沉值不斷增加，表明瀝青路面的結(jié)構(gòu)承載力及使用壽命逐漸減小.另外，溫度升高明顯增大了路面的彎沉值，原因是溫度升高會使瀝青路面的抗變形能力下降，結(jié)構(gòu)模量衰減；同時根據(jù)時溫等效原則[15]，升高溫度等效于增加加載次數(shù)，故而在高溫下會進一步增加瀝青路面彎沉值.

圖6 路面彎沉值與RALT加載次數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relations between pavement deflection value and RALT loading cycles

REOB再生瀝青路面的彎沉值增長速率明顯大于RA5再生瀝青路面和基質(zhì)瀝青路面，而且高溫加速瀝青路面的老化后，REOB再生瀝青路面的彎沉值增長更加顯著，表明高溫老化加劇了瀝青路面在長期加載過程中承載力的衰減，使REOB再生瀝青路面更易發(fā)生疲勞破壞.

3 結(jié)論

(1)REOB符合瀝青再生劑質(zhì)量變化和黏度比的規(guī)范技術(shù)要求，且在TFOT老化5h后，REOB的抗老化性要好于RA5.

(2)從質(zhì)量損失和黏度老化指數(shù)來衡量，REOB再生瀝青的抗短期老化性能(TFOT老化時間不超過10h)優(yōu)于RA5再生瀝青；但REOB再生瀝青的抗長期老化性能(TFOT老化時間不少于15h)不及RA5再生瀝青.

(3)隨著TFOT老化時間的延長，3種瀝青的蠕變勁度不斷增加，蠕變速率不斷減小，說明其低溫抗裂性不斷下降.蠕變勁度對REOB再生瀝青的抗老化性評價與質(zhì)量損失和黏度老化指數(shù)一致，即REOB再生瀝青的抗短期老化性能較好，而抗長期老化性能最差.REOB再生瀝青的蠕變速率在延時TFOT老化中衰減顯著，易導(dǎo)致其在低溫下開裂.

(4)室內(nèi)足尺RALT試驗表明，增加加載次數(shù)和升高溫度均會增加瀝青路面的彎沉值，降低路面的承載能力和使用壽命.相比RA5再生瀝青路面和基質(zhì)瀝青路面，高溫老化明顯加劇了REOB再生瀝青路面在長期加載過程中承載力的衰減，使其更易發(fā)生疲勞破壞.