基于DSR 試驗(yàn)的生物重油再生瀝青流變性能評(píng)價(jià)

范世平， 朱洪洲，2，*， 鐘偉明

（1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué)交通土建工程材料國(guó)家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，重慶 400074；3.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410015）

對(duì)廢舊瀝青混合料的合理處置既節(jié)約成本又保護(hù)環(huán)境，符合綠色交通發(fā)展理念，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了大量研究，并取得顯著成效［1-6］.研究發(fā)現(xiàn)，將廢舊瀝青混合料循環(huán)再生后，可用于道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與養(yǎng)護(hù)，另外廢舊瀝青混合料還可以進(jìn)行多次再生［7］.瀝青的路用性能因老化而顯著降低，可使用再生劑對(duì)老化瀝青路用性能加以恢復(fù)［8］.

生物重油是柴油生產(chǎn)過(guò)程中的主要工業(yè)廢棄物，除少量被用于黏結(jié)劑、防水卷材及重質(zhì)燃料外，大多被堆放在戶外，給土壤和空氣帶來(lái)嚴(yán)重污染［9］.生物重油主要含碳?xì)浠衔锛捌溲苌?，含有大量的不飽和脂肪酸，?lèi)似于瀝青中的輕質(zhì)油分，可用于補(bǔ) 充 瀝 青 因 老 化 失 去 的 輕 質(zhì) 油 分［10］.Asli 等［11］和Zargar 等［12］研究表明生物重油可作為抗氧化劑用于再生老化瀝青.雖然生物重油可以改善老化瀝青的路用性能，但生物重油摻量不宜過(guò)多，否則將降低混合料的抗熱解能力［13-14］.生物重油用于再生老化瀝青具有重要的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益.

通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變（DSR）試驗(yàn)可以在特定應(yīng)力或應(yīng)變荷載重復(fù)作用下得到瀝青黏彈性參數(shù)（如復(fù)數(shù)剪切模量和相位角）隨加載次數(shù)的變化規(guī)律，能有效表征瀝青流變性能［15-18］.基于DSR 試驗(yàn)，本研究分析了生物重油對(duì)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（RTFOT）老化后的70#瀝青和SBS改性瀝青的再生效果，以及再生瀝青的流變性能，以期為生物重油再生瀝青的應(yīng)用提供必要的理論依據(jù).

1 原材料與方法

1.1 瀝青

原樣瀝青采用常用的AH-70#瀝青和殼牌SBS 改性瀝青（分別記為70#-O 和SBS-O），根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，測(cè)試原樣瀝青的基本性能，結(jié)果如表1 所示.表1 表明2 種原樣瀝青的基本性能均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求.

表1 瀝青基本性能Table 1 Basic properties of asphalts

1.2 生物重油

生物重油為生產(chǎn)柴油時(shí)的副產(chǎn)物，其物理性能和化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的組成、摻量等除特別注明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)和質(zhì)量比）如表2所示.生物重油中的C、H、O含量占總元素含量的98%以上，m（C）/m（H）為0.6，主要含芳香族碳?xì)浠衔锛捌銸、S、N衍生物.

表2 生物重油的理化性能Table 2 Physical and chemical property of heavy bio-oil［10］

1.3 瀝青老化

美國(guó)SHRP 計(jì)劃規(guī)定采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱（RTFOT）試驗(yàn)和壓力老化（PAV）試驗(yàn)?zāi)M瀝青的短期老化和長(zhǎng)期老化.將RTFOT 老化時(shí)間延長(zhǎng)到255 min，可近似等效為PAV 老化［19］.本研究選用延時(shí)RTFOT 方法制備老化瀝青，RTFOT 方法參照J(rèn)TG E20—2011 進(jìn)行，老化時(shí)間取為255 min，老化后的瀝青分別記為70#-A 和SBS-A.

1.4 生物重油再生瀝青的制備

參照文獻(xiàn)［10-12］，將生物重油摻量（w%）取為2%、4%、6%和8%，剪切溫度設(shè)為135 ℃，采用高速剪切乳化機(jī)制備生物重油再生瀝青.生物重油摻量不同的再生瀝青分別記為70#-A+w%和SBS-A+w%，其制備工藝如圖1 所示.

圖1 生物重油再生瀝青制備工藝Fig.1 Preparation process of heavy bio-oil recycled asphalt

1.5 基本性能試驗(yàn)

根據(jù)JTG E20—2011 對(duì)老化瀝青和再生瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn)，采用式（1）計(jì)算各指標(biāo)的變化率，分析生物重油對(duì)老化瀝青三大指標(biāo)的改善效果.

式中：IR 為再生瀝青的指標(biāo)變化率；I0為老化瀝青的指標(biāo)值；I為再生瀝青與I0相對(duì)應(yīng)的指標(biāo)值.

1.6 DSR 試驗(yàn)

本研究對(duì)原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青分別進(jìn)行DSR 溫度、時(shí)間和頻率掃描試驗(yàn)，分析瀝青的高溫穩(wěn)定性、疲勞性能和黏彈性能.DSR 試驗(yàn)參數(shù)如表3所示.

表3 DSR 試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Parameters of DSR test［15-18］

采用復(fù)數(shù)剪切模量（G*）和相位角（δ）表征瀝青抗變形能力和黏彈性，如圖2 所示.G*包括儲(chǔ)存模量（G′）和損耗模量（G″）兩部分，G*越大，抗剪切變形能力越強(qiáng).δ為評(píng)價(jià)瀝青結(jié)合料黏性（不可恢復(fù)部分）和彈性（可恢復(fù)部分）成分的比例指標(biāo)，δ越大，瀝青的黏性成分越大，越易發(fā)生不可恢復(fù)的永久變形；δ越小，瀝青彈性可恢復(fù)成分越多.G*/sinδ表示車(chē)轍因子，G*/sinδ越大，瀝青高溫性能越好.在SHRP 瀝青路用性能中，用疲勞因子（G*·sinδ）來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的抗疲勞性能，G*·sinδ越小，瀝青抗疲勞性能越好.

圖2 復(fù)數(shù)模量與相位角關(guān)系Fig.2 Relationship between complex modulus and phase angle

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 基本性能試驗(yàn)

原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青三大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果及其變化率如圖3 所示.由圖3 可見(jiàn)，未摻生物重油的老化瀝青70#-A 和SBS-A 的針入度為33、27（0.1 mm），軟 化 點(diǎn) 為57.6、81.8 ℃，延 度 為9.5、18.6 cm.針入度和延度均不滿足原樣瀝青限值要求（表1），這是由于老化使瀝青輕組分揮發(fā)，瀝青質(zhì)含量增多，瀝青變硬，從而導(dǎo)致其針入度和延度降低，而軟化點(diǎn)升高.

由圖3 還可見(jiàn)：（1）摻入4%生物重油后，再生瀝青70#-A+4%和SBS-A+4%的三大指標(biāo)值已接近原樣瀝青，這是因?yàn)樯镏赜涂梢匝a(bǔ)充瀝青因老化而揮發(fā)的輕質(zhì)組分并使瀝青軟化，從而提高瀝青的針入度和延度，降低軟化點(diǎn)；當(dāng)生物重油摻量為6%時(shí)，再生瀝青針入度較大，已超過(guò)原樣瀝青上限值要求，可能導(dǎo)致瀝青極軟，嚴(yán)重影響瀝青高溫性能，因此建議生物重油摻量不宜超過(guò)4%.（2）生物重油摻量相同時(shí)，70#再生瀝青的基本性能變化率大于再生SBS 改性瀝青，說(shuō)明生物重油對(duì)70#-A 瀝青性能的再生效果優(yōu)于SBS-A 瀝青，且生物重油摻量越大，2 種再生瀝青性能變化率差異越顯著，如70#-A+6%和SBS-A+6%再生瀝青針入度變化率分別為191%和93%，70#-A+8%和SBS-A+8%再生瀝青針入度變化率273%和141%.這可能是由于SBS 改性瀝青的老化除了瀝青成分的老化外，還有SBS 改性劑的老化，生物重油可補(bǔ)充瀝青因老化揮發(fā)的輕質(zhì)油分，但并不能改善因老化失效的SBS 改性劑，因此對(duì)SBS-A 的改善效果低于70#-A.

圖3 瀝青基本性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Basic properties test results of asphalts

2.2 DSR 溫度掃描

根據(jù)DSR溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果，得到原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青的G*和G*/sinδ與溫度（T）的關(guān)系曲線，如圖4、5所示.由圖4、5可知：各瀝青的G*和G*/sinδ均隨溫度的升高而下降，即升高溫度對(duì)瀝青抗剪切變形能力和抗車(chē)轍能力不利；與原樣瀝青相比，瀝青老化后，G*和G*/sinδ有所增加，在一定程度上提升了瀝青抗剪切變形能力和抗車(chē)轍能力；再生瀝青的G*和G*/sinδ隨著生物重油摻量的增加而降低，當(dāng)生物重油摻量為4%時(shí)，再生瀝青的G*和G*/sinδ接近原樣瀝青；當(dāng)生物重油摻量為6%和8%時(shí)，再生瀝青的G*和G*/sinδ已顯著低于原樣瀝青，對(duì)瀝青高溫穩(wěn)定性不利.

圖4 不同瀝青的G*與T 的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curves between G* and T of different asphalts

圖6 為原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青的δ與T的關(guān)系曲線.由圖6可見(jiàn)：各瀝青的δ隨著溫度的升高而增加，這是由于瀝青在高溫下逐漸軟化，彈性成分降低，黏性成分增大；當(dāng)瀝青老化后，瀝青變硬，彈性恢復(fù)能力增強(qiáng)，δ降低；生物重油會(huì)顯著改善老化瀝青黏彈性比例，隨著生物重油摻量的增加，再生瀝青的δ增加；當(dāng)溫度小于60 ℃時(shí)，生物重油摻量為2%～8%的70#再生瀝青的δ均小于70#-O 瀝青；當(dāng)溫度超過(guò)60 ℃時(shí)，摻量為4%～8% 的70#再生瀝青的δ超過(guò)70#-O 瀝青，說(shuō)明該摻量和試驗(yàn)溫度下再生瀝青黏性成分較高，而在實(shí)際情況中，中國(guó)某些地區(qū)在夏季高溫時(shí)瀝青路面溫度可能達(dá)到65 ℃，因此高摻量的生物重油再生瀝青在荷載作用下易產(chǎn)生車(chē)轍病害.當(dāng)生物重油摻量為4%時(shí)，再生瀝青SBS-A+4%的δ基本恢復(fù)至SBS-O 瀝青，這與G*和G*/sinδ試驗(yàn)結(jié)果相同，且當(dāng)生物重油摻量為6%和8%時(shí)，再生瀝青的δ超過(guò)原樣瀝青，因此建議生物重油摻量不宜超過(guò)4%.

圖6 不同瀝青的δ 與T 的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves between δ and T of different asphalts

2.3 DSR 時(shí)間掃描

原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青的G*·sinδ與加載次數(shù)（N）的關(guān)系曲線如圖7 所示.由圖7 可知：隨著N的增加，各瀝青的G*·sinδ呈現(xiàn)先緩慢下降隨后快速下降的趨勢(shì)，即剪切過(guò)程中能量損失逐漸增大；70#-A 瀝青和SBS-A 瀝青的G*·sinδ有顯著提升，這是由于瀝青老化后，瀝青變硬變脆，在重復(fù)加載過(guò)程中，加載周期內(nèi)能量損失增大，瀝青疲勞性能降低；再生瀝青的G*·sinδ隨著生物重油摻量的增加而降低，說(shuō)明生物重油可以提高老化瀝青的疲勞性能，原樣瀝青的G*·sinδ介于生物重油摻量為2%～4%的再生瀝青之間，且再生瀝青的G*·sinδ開(kāi)始加速下降時(shí)的荷載作用次數(shù)明顯高于原樣瀝青.

圖5 不同瀝青的G*/sin δ 與T 的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curves between G*/sin δ and T of different asphalts

圖7 不同瀝青的G*·sin δ 與N 的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curves between G*·sin δ and N of different asphalts

2.4 DSR 頻率掃描

考慮到目前中國(guó)道路規(guī)定車(chē)輛正常行駛的速度范圍，本研究在60 ℃和0.1～100 rad/s 條件下，分析了不同瀝青的黏彈特性.原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青在不同頻率掃描后的tanδ與頻率（ω）的變化關(guān)系如圖8 所示.由圖8 可知：除原樣瀝青SBS-O 和再生瀝青SBS-A+6%、SBS-A+8%外，其他各瀝青在整個(gè)頻率掃描范圍內(nèi)的tanδ值隨著ω的增加而降低；在相同條件下，70#瀝青的tanδ均大于SBS 改性瀝青，說(shuō)明SBS 改性瀝青在荷載作用后的彈性恢復(fù)能力優(yōu)于70#瀝青；70#-A 瀝青和SBS-A 瀝青的tanδ值均小于原樣瀝青，這是因?yàn)槔匣篂r青變硬，彈性成分增加；再生瀝青的tanδ隨著生物重油摻量的增加而增大，是因?yàn)樯镏赜褪篂r青軟化，提高了瀝青的黏性，且當(dāng)ω較小時(shí)，瀝青均表現(xiàn)出較高的黏性性能，反映了在重載低速交通荷載下瀝青的黏性特征增加，易產(chǎn)生不可恢復(fù)變形并最終形成路面車(chē)轍病害.尤其當(dāng)ω小于1 rad/s 時(shí)，再生瀝青SBS-A+6%、SBS-A+8%的tanδ隨著ω增加而增大，瀝青的黏性增強(qiáng)，因此建議生物重油摻量不宜超過(guò)4%.

圖8 不同瀝青的tan δ 與ω 的關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curves between tan δ and ω of different asphalts

3 結(jié)論

（1）生物重油可顯著提高老化瀝青的針入度、延度和抗疲勞性能，降低軟化點(diǎn)和抗車(chē)轍能力.再生瀝青的G*、G*/sinδ和G*·sinδ隨著生物重油摻量的增加而降低.當(dāng)生物重油摻量為4%時(shí)，再生瀝青的三大指標(biāo)恢復(fù)至原樣瀝青；當(dāng)生物重油摻量超過(guò)4%時(shí)，瀝青的抗剪切變形能力和高溫穩(wěn)定性有所削弱.建議生物重油摻量不宜超過(guò)4%.

（2）隨著生物重油摻量的增加，老化瀝青中的黏性成分逐漸增大，接近原樣瀝青.生物重油對(duì)70#-A 瀝青的再生效果優(yōu)于SBS-A 瀝青，但再生SBS 改性瀝青在荷載作用后的彈性恢復(fù)能力優(yōu)于再生70#瀝青.在重載低速交通荷載下再生瀝青路面易產(chǎn)生不可恢復(fù)變形并最終形成路面車(chē)轍病害.