基于流變分析的廢機(jī)油再生瀝青粘彈性評價

胡 琦,陳宇亮,李婷玉,任 毅

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015)

眾所周知，汽車交通運(yùn)輸領(lǐng)域消耗了大量的機(jī)油。隨著發(fā)動機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)油性能逐漸降低并最終被替換，成為廢棄機(jī)油(WEO)[1]。由于WEO與瀝青的分子結(jié)構(gòu)相似，基于相似相容原理，可將WEO與瀝青結(jié)合料相容制備改性瀝青，或?qū)EO添加到老化瀝青中制備再生瀝青[2]。據(jù)統(tǒng)計，我國每年僅交通行業(yè)就產(chǎn)生2 500～3 000萬t的WEO[3]，因此廢機(jī)油的充分利用將會起到資源節(jié)約、環(huán)境保護(hù)的功能[4]。

瀝青路面在使用過程中，不可避免地會發(fā)生老化現(xiàn)象，從而使瀝青結(jié)合料出現(xiàn)脆性增加、硬度增大和彈性降低現(xiàn)象[5]。而瀝青性能降低將會導(dǎo)致瀝青混合料在使用過程中發(fā)生疲勞開裂、溫度開裂和坑槽破壞[6-7]。此外，在拌和施工過程中也會出現(xiàn)和易性損失的狀況[8]。故在道路建設(shè)中使用老化瀝青替代部分基質(zhì)瀝青具有較大挑戰(zhàn)性。在瀝青混合料中摻加老化瀝青之前，有針對性提高老化瀝青的性能，可以使其利用效率更高，性能更為完善。

由于WEO具有降低瀝青粘度和軟化瀝青能力，因此可以起到再生劑的作用。VILLANUEVA[10]等人(2008)指出在瀝青中添加WEO會降低改性瀝青的軟化點(diǎn)。BORHAN[11]等(2009)在研究中表明WEO降低了改性瀝青的延展性和比重。最近，PALIUKAITE[12]等研究了在直餾和聚合物改性瀝青摻加WEO，試驗(yàn)結(jié)果顯示隨著WEO摻量的增加，改性瀝青的高低溫等級有不同程度的提高。趙培松[13]等對廢機(jī)油再生老化瀝青進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，摻加WEO可以提高瀝青的抗疲勞性能，且WEO的添加可以提高瀝青的標(biāo)號，從而具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

本研究旨在利用WEO作為混合瀝青的再生劑，研究WEO對中高溫瀝青結(jié)合料的粘彈性性能影響，從而尋求再生老化瀝青的最佳WEO摻量，進(jìn)而提高老化瀝青的利用率，從而有助于環(huán)境保護(hù)、減少能源消耗和降低建設(shè)成本。

1 材料和結(jié)合料制備

1.1 材料

瀝青選用京博70#基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。瀝青混合料舊料(RAP)選自濟(jì)青高速公路改擴(kuò)建濟(jì)南段路面銑刨回收舊料。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》要求[14]，使用三氯乙烯作為溶劑，通過離心抽提萃取技術(shù)從RAP料中回收抽提老化瀝青，并對瀝青進(jìn)行物理性能測試，不同指標(biāo)如表1所述。將抽提回收得到的老化瀝青儲存在容器中，密封保存。

表1 不同瀝青的基本性能指標(biāo)Table1 Basicperformanceindexofdifferentbitumen性能軟化點(diǎn)/℃針入度(25℃,5s,100g)/0.1mm布式粘度(135℃)/(mPa·s)閃點(diǎn)/℃70#瀝青46.972.5497275回收老化瀝青67.0807120300規(guī)范值>46.060.0～80.0->260.0

WEO取自山東某汽車4S維修店，為行駛里程在25 000萬km的轎車更換后的機(jī)油，WEO呈棕黑色，手捻無顆粒感；25 ℃動力粘度為54 mPa·s，閃點(diǎn)和比重分別為186 ℃和0.86。

1.2 瀝青制備

將250 g老化瀝青添加到1 000 g基質(zhì)瀝青(JB-70)中(比重為25%)，制作混合瀝青；在160 ℃溫度下，將WEO按照不同摻量，緩慢加入到混合瀝青中，并不斷攪拌30 min，直至混合均勻。參考以往研究經(jīng)驗(yàn)，確定本研究WEO摻量范圍為0%至7%。分別將摻有0%、1%、3%、5%和7%的廢機(jī)油再生瀝青記做JB-25-0、JB-25-1、JB-25-3、JB-25-5和JB-25-7。將不含老化瀝青和廢機(jī)油的基質(zhì)瀝青，記為JB-0-0。

2 試驗(yàn)

選用Brookfield粘度計測試再生瀝青老化前后在不同溫度下(110 ℃、135 ℃、150 ℃和180 ℃)的粘度。通過環(huán)球軟化點(diǎn)試驗(yàn)對不同WEO摻量的再生瀝青進(jìn)行軟化點(diǎn)測試。采用旋轉(zhuǎn)薄膜老化(RTFOT)對再生瀝青進(jìn)行短期老化，試驗(yàn)溫度設(shè)置為163 ℃。

采用傅立葉變換紅外光譜(FTIR)試驗(yàn)，通過測量材料的紅外吸收值，對瀝青再生前后化學(xué)鍵和化學(xué)結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行定性和定量分析。當(dāng)紅外射線照射樣品時，材料中的分子鍵以離散頻率振動或旋轉(zhuǎn)。而當(dāng)分子鍵進(jìn)行振動/旋轉(zhuǎn)時，一部分輻射被吸收，而另一部分則透過材料，經(jīng)由探測器測量后，給出相應(yīng)的吸收光譜，從而確定函數(shù)波長。由于每個分子結(jié)構(gòu)的光譜都是唯一的，因此可以方便準(zhǔn)確地識別材料中存在的官能團(tuán)。本研究使用Bruker-Alpha-FTIR光譜儀，波長范圍為500～4 000 cm-1。

使用Anton Paar MCR 102動態(tài)剪切流變儀(DSR)測量老化前后再生瀝青的復(fù)數(shù)模量和相位角。試驗(yàn)采用直徑為25 mm、厚度為1 mm的鋼板，應(yīng)變幅值為0.1%，頻率掃描范圍為0.01～10 Hz。為探究中高溫下再生瀝青的粘彈性能，試驗(yàn)溫度設(shè)置為36 ℃～60 ℃，以6 ℃為溫度增量。

高溫/低頻下的復(fù)數(shù)模量與高溫、重載條件下路面抵抗車轍性能有關(guān)[15]。在48 ℃參考溫度下，采用頻率-溫度掃描試驗(yàn)繪制WLF擬合曲線和sigmoidal函數(shù)曲線[16]。其中WLF方程用來表征瀝青移位因子aT和T溫度之間的關(guān)系，其表達(dá)式公式(1)：

(1)

式中:aT為移位因子；C1和C2為材料常數(shù)；T為試驗(yàn)溫度；Tg為目標(biāo)基準(zhǔn)溫度。

基于瀝青膠結(jié)料的物理性能使用sigmoidal模型對瀝青動態(tài)剪切模量主曲線進(jìn)行擬合。sigmoidal函數(shù)關(guān)系如(2)所示：

(2)

式中:G*代表動態(tài)剪切模量；δ為剪切模量最小值；α為剪切模量跨度值；β和γ為形狀參數(shù)。等式中4個參數(shù)確定了動態(tài)模量主曲線，使用SOLVER功能確定了4個參數(shù)的最佳數(shù)值，從而使計算和測量的方差值達(dá)到最小。

3 結(jié)果和討論

3.1 化學(xué)組分

如前所述，F(xiàn)TIR光譜用于研究WEO和再生瀝青老化前后官能團(tuán)的變化。不同摻量的WEO再生瀝青在未老化和短期老化后紅外光譜如圖1(b)和(c)所示。比較不同WEO摻量下瀝青吸收光譜，可以發(fā)現(xiàn)各峰之間存在顯著差異。對于某種特定瀝青，在短期老化前后也可以觀察到吸收光譜峰值的改變。這表明隨著WEO的摻入和短期老化進(jìn)行，官能團(tuán)發(fā)生了變化。比較老化前后的瀝青光譜圖，可以發(fā)現(xiàn)WEO的摻加導(dǎo)致波長小于1 400 cm-1的吸收光譜降低，從而表明了烯烴的變化。對于某種特定瀝青，與老化前相比，短期老化后在1 010 cm-1波數(shù)處有微小峰值出現(xiàn)(對應(yīng)于亞砜基)。在短期老化過程中，觀察到3 000～4 000 cm-1波數(shù)的吸光度下降。

(a))廢機(jī)油

為了進(jìn)一步解釋紅外光譜變化結(jié)果，采用不同官能團(tuán)指數(shù)進(jìn)行定量分析[17]。不同指數(shù)表達(dá)式如式(3)～式(6)所列。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：IAI代表脂肪族指數(shù)，IAr代表芳香族指數(shù)，IC=0代表羥基指數(shù)，IS=0代表亞砜基指數(shù)，Ia-b為波數(shù)acm-1到波數(shù)bcm-1的譜帶峰面積，∑A為波數(shù)500～4 000 cm-1之間譜帶峰面積之和。

圖2(a)、(b)、(c)和(d)分別是不同WEO摻量未老化瀝青與短期老化瀝青的脂肪族、芳香族、羥基和亞砜基指數(shù)。

(a)脂肪族

由圖2可知，芳香族、羥基、亞砜基指數(shù)具有相似的變化趨勢。在未老化時，當(dāng)WEO含量為1%至3%時，芳香族、羥基、亞砜基指數(shù)較未含WEO的瀝青有所下降。當(dāng)WEO含量達(dá)到5%及以上時，以上3個指數(shù)較未含WEO的瀝青有所增加。因此，對于未老化瀝青，當(dāng)WEO的摻量超過3%時，其再生效果并不理想。但在短期老化后，含有WEO的瀝青，各指標(biāo)均低于不含WEO的瀝青，且隨著WEO摻量的增加，芳香族指數(shù)逐漸增加而羥基和亞砜基指數(shù)逐漸降低。圖2(a)中也顯示，老化后的瀝青，其脂肪族指數(shù)隨芳香族指數(shù)增加大致呈降低的趨勢。這表明WEO對老化后瀝青的再生效果較對未老化瀝青的改性效果更加明顯，其他研究也得到了相似的結(jié)果[18]。

3.2 粘度

瀝青的粘度與溫度關(guān)系可用指數(shù)函數(shù)關(guān)系式描述，如公式(5)所列。

ω=C1×eC2×t

(5)

式中：ω代表瀝青某一溫度t下的粘度；C1代表了回歸方程的截距；C2代表了回歸方程的斜率。

采用回歸分析法確定回歸系數(shù)，從而將測量值與預(yù)測值的誤差平方和最小化。表2列出了不同瀝青的回歸系數(shù)(C)和相關(guān)系數(shù)(R2)值。對于所有的WEO改性瀝青，WEO的添加使C1(截距)下降，這表明摻加WEO會導(dǎo)致瀝青在不同溫度下粘度降低。比較所有再生瀝青可發(fā)現(xiàn)，隨著WEO摻量的增多，C2的絕對值降低，這說明WEO可以降低瀝青結(jié)合料的溫度敏感性。計算結(jié)果表明，負(fù)指數(shù)方程能較好地描述瀝青的粘溫關(guān)系。

表2 粘度-溫度關(guān)系的擬合方程參數(shù)Table2 Fittingequationparametersofviscosity-temperaturerelationship基礎(chǔ)再生瀝青未老化C1未老化C2未老化R2老化C1老化C2老化R2JB-0-0472.163-0.0480.98751154.821-0.0540.9875JB-25-0464.557-0.0450.98471356.724-0.0520.9821JB-25-1448.351-0.0430.9833895.346-0.050.9814JB-25-394.768-0.0420.9769546.287-0.0490.9804JB-25-578.432-0.040.9765502.467-0.0470.9789JB-25-735.158-0.0370.9485268.157-0.0460.9789

不同溫度條件下，短期老化前后的不同瀝青粘度值如圖3(a)和(b)所示。如圖3所示，對于某種特定的瀝青，隨著溫度的升高，該瀝青的粘度值下降。這也與表2中系數(shù)C2絕對值的變化趨勢相同。由圖3可知，在瀝青老化前后，不同溫度條件下，JB-25-0瀝青結(jié)合料的粘度值最高。分析該原因，可能是由于從RAP中抽提回收的老化瀝青本身的硬化效應(yīng)。

(a)未老化瀝青

在所有給定的溫度條件下，添加WEO都會使瀝青的粘度降低。試驗(yàn)結(jié)果表明，JB-25-1的再生瀝青具有和基質(zhì)瀝青(JB-0-0)相似的粘度。進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)，再生瀝青老化前后，當(dāng)WEO的摻量超過1%時，將會降低瀝青的粘度。分析該現(xiàn)象，可能的原因有二，一是WEO具有再生性能；二是基質(zhì)瀝青、WEO以及老化瀝青之間發(fā)生了物理或化學(xué)反應(yīng)。

3.3 軟化點(diǎn)

本研究測定了再生瀝青老化前后的軟化點(diǎn)，如表3、圖4所示。

圖4 不同WEO摻量和老化條件下軟化點(diǎn)變化趨勢

表3 不同WEO摻量的瀝青軟化點(diǎn)變化值Table3 Changevalueofsofteningpointofasphaltwithdiffer-entWEOcontents老化條件未老化短期老化JB-0-0 46.955.2JB-25-054.559.8JB-25-146.257.1JB-25-344.355.4JB-25-541.153.4JB-25-738.551.5

由表3中數(shù)據(jù)可知，與未老化瀝青相比，短期老化后瀝青軟化點(diǎn)明顯增加。這可以歸因于老化使得瀝青中輕質(zhì)組分發(fā)生揮發(fā)損失。

由于軟化點(diǎn)隨WEO含量的增加呈下降趨勢，因此對軟化點(diǎn)與WEO摻量的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，以找出最佳擬合函數(shù)。從圖中可以看出，當(dāng)使用回歸系數(shù)R2作為評價標(biāo)準(zhǔn)時，在兩種老化條件下，均能較好地擬合軟化點(diǎn)和WEO摻量的關(guān)系。式(6)和式(7)分別列出了未老化和短期老化后瀝青的最終擬合負(fù)指數(shù)函數(shù)。未老化和短期老化條件的回歸系數(shù)分別為0.968 7和0.997 1。負(fù)指數(shù)函數(shù)曲線表明，在低劑量時，添加WEO可以顯著降低軟化點(diǎn)，而在高劑量時，由于效果較小，可以忽略不計。

SPuna=53.782 e-0.045 x

(7)

SPa=59.685 e-0.016 x

(8)

式中：SPuna代表未老化的軟化點(diǎn)，SPa代表老化后軟化點(diǎn)，x代表WEO在瀝青中的摻量百分比。

3.4 復(fù)數(shù)模量和相位角

圖5(a)和(b)分別給出了48 ℃試驗(yàn)條件下未老化和短期老化后不同瀝青的復(fù)數(shù)模量和相位角(δ)主曲線。

(a)未老化瀝青

從圖5中可以看出，老化前后，隨著縮減頻率的增加，所有瀝青的復(fù)數(shù)模量值均呈上升趨勢，且JB-25-0再生瀝青在不同縮減頻率下的復(fù)數(shù)模量均最高。隨著WEO摻量的增多，瀝青的復(fù)數(shù)模量值在不同的縮減頻率下逐漸降低。這表明，WEO的摻入，使得含有老化瀝青的混合瀝青的硬度降低。在未老化和短期老化條件下，JB-0-0的主曲線分別接近JB-25-3和IB-25-1。且在老化前后，JB-25-5和JB-25-7的復(fù)數(shù)模量值在所有頻率下都很接近。這表明，超過一定水平的WEO添加可能起不到明顯的再生效果。

由圖5可知，縮減頻率與δ呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。且在最低縮減頻率下達(dá)到瀝青δ的90°極值。然而，在最高頻率下的極限δ取決于再生瀝青中WEO的摻量。對于某種特定瀝青，在所有的頻率條件下，未老化的瀝青δ都高于其短期老化后的值。再生瀝青老化前后，分別在JB-25-5和JB-25-7觀察到最大δ。不同縮減頻率條件下，JB-25-0具有最小的δ。此外，在未老化和短期老化條件下，JB-25-5 和JB-25-1再生瀝青與JB-0-0基質(zhì)瀝青的δ主曲線最為接近。

4 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了WEO在不同溫度下對混合瀝青(含基質(zhì)瀝青和RAP抽提回收瀝青)高溫性能和粘彈性的影響。研究得到結(jié)論如下所述：

a.化學(xué)組分分析結(jié)果表明，WEO對老化后瀝青的再生效果較對未老化瀝青的改性效果更加明顯，且當(dāng)WEO的摻量超過3%時，其再生效果并不理想。

b.WEO的摻加降低了混合瀝青的粘度和軟化點(diǎn)。負(fù)指數(shù)函數(shù)可以合理地描述粘溫關(guān)系。同時，該函數(shù)也能很好地擬合軟化點(diǎn)和WEO含量的關(guān)系。

c.在任何給定的溫度下，加入WEO會導(dǎo)致①復(fù)數(shù)模量降低；②在所有縮減頻率下相位角增加。

d.在未老化以及短期老化條件下，添加1%的WEO得到的復(fù)數(shù)模量和相位角主曲線與對照組主曲線相近。超過一定水平的WEO添加可能起不到明顯的再生效果。WEO的最佳用量定為1%～3%。