廢機(jī)油再生瀝青的流變性研究*

崔亞楠，杜春曉，郭立典

(1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，呼和浩特市，010051；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特市，010051；3. 內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯，010300)

0 引 言

隨著道路服役時間增加，瀝青路面出現(xiàn)大量病害，道路的養(yǎng)護(hù)和改造都產(chǎn)生許多廢舊瀝青材料，瀝青路面再生利用技術(shù)受到廣泛重視，其再生效果成為研究熱點(diǎn)之一。為了綠色環(huán)保以及踐行可持續(xù)發(fā)展道路，充分利用廢機(jī)油是必要的[1-2]。Liu等[3]探討廢機(jī)油(WEO)增強(qiáng)瀝青混合料自愈合及其疲勞行為的可行性，將WEO瀝青混合，發(fā)現(xiàn)WEO的加入提高了瀝青混合料的疲勞性能和自愈性。李汝凱[4]研究廢機(jī)油底渣對老化瀝青低溫性能的影響，當(dāng)其摻量為10%時，研究發(fā)現(xiàn)瀝青低溫極限分級提高，而性能下降。Taherkhani[5]研究使用廢機(jī)油(WEO)作為再生劑對含再生瀝青路面(RAP)的瀝青混合料部分工程性能的影響，發(fā)現(xiàn)使用WEO再生劑能夠在回收的瀝青混合料中使用更高的RAP含量。

目前大部分關(guān)于廢機(jī)油再生瀝青的研究多側(cè)重于瀝青混合料路用性能方面，對廢機(jī)油再生瀝青微觀、再生機(jī)理研究較少，且很少將微觀與宏觀層面結(jié)合評價廢機(jī)油的再生效果。本文以復(fù)合老化后的90#瀝青為研究對象，采用廢機(jī)油和XT-1再生劑來恢復(fù)老化瀝青的性能。通過DSR試驗(yàn)和BBR試驗(yàn)研究再生前后瀝青流變性質(zhì)。采用AFM試驗(yàn)研究再生前后瀝青的納米模量和粘附力。通過宏微觀試驗(yàn)結(jié)果共同評價廢機(jī)油的再生效果，為廢機(jī)油作為再生劑恢復(fù)瀝青性能提供參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 再生劑選用

采用常州信拓路面改性材料有限公司生產(chǎn)的XT-1型瀝青再生劑作為對比。廢機(jī)油是大眾捷達(dá)家庭車用，機(jī)油是為殼牌OW-40SN級合成技術(shù)機(jī)油，廢棄機(jī)油是新車行駛約為5 000～6 000公里后換下來的。其基本的性能如表1所示。

表1 再生劑基本性能指標(biāo)Table 1 Basic performance index of regenerant

1.2 瀝青的制備

本文所用原料90#瀝青的基本參數(shù)見表2。

表2 90#瀝青的基本指標(biāo)Table 2 Basic indicators of 90# asphalt

1.2.1 老化瀝青的制備

熱氧老化瀝青采用現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T0630方法RTFOT+PAV(20h)制老化的瀝青。復(fù)合紫外(UV)老化瀝青是將長期老化后瀝青放入紫外老化箱中，溫度為50 ℃時間為233 h來模擬室外瀝青一年UV老化。復(fù)合水老化是根據(jù)呼和浩特一年降雨量，試驗(yàn)所用水量為8.5 mL，時長300 min，在壓力老化前1/4階段加入水以模擬長期水老化。

1.2.2 再生瀝青的制備

采用300WJJ-1A型精密增力電動攪拌機(jī)機(jī)以2000r/min的速率均勻攪拌再生瀝青，參考劉洋[6]、孫楚雨[7]、張燕[8]等的研究，確定了廢機(jī)油摻量為3%～9%，老化瀝青可以達(dá)到原樣瀝青狀態(tài)，XT-1再生劑摻量根據(jù)廠家推薦的范圍為4%～16%。拌合溫度控制在135 ℃左右，攪拌15～20 min后置于110 ℃烘箱靜置10 min，取出后繼續(xù)攪拌。重復(fù)上述過程4～5次，然后靜置24 h，使XT-1再生劑和廢機(jī)油與老化瀝青充分融合。

1.3 方 法

1.3.1 動態(tài)剪切流變試驗(yàn)

采用美國TA公司的DHR-1動態(tài)流變剪切儀對原樣、老化和再生瀝青的流變性能進(jìn)行研究測定，樣品制備步驟及試驗(yàn)操作按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程(JTGE20-2011)》中T0627-2011進(jìn)行。

本文模擬的試驗(yàn)環(huán)境為北方地區(qū)，一年中路面在0 ℃以上的服役溫度集中在10～40 ℃。因此重點(diǎn)考察了再生瀝青在這一溫度范圍內(nèi)車轍性能，疲勞性能，并且參考劉慶虎[9]，陳靜云[10]等研究成果，確定了老化和再生瀝青，在25、28、31和34 ℃溫度條件下進(jìn)行溫度掃描，試驗(yàn)施加應(yīng)變?yōu)?%，角頻率參數(shù)設(shè)為10 rad/s。

1.3.2 彎曲梁流變試驗(yàn)

采用低溫彎曲梁流變試驗(yàn)(BBR)對原樣、老化和再生瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，研究XT-1再生劑和廢機(jī)油對老化瀝青在溫度-18、-24和-30 ℃時的性能恢復(fù)。樣品制備步驟及試驗(yàn)操作流程嚴(yán)格按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程(JTGE20-2011)》中T0627-2011執(zhí)行。

圖1 紫外老化后再生瀝青改進(jìn)車轍因子隨溫度的變化Fig.1 Change of improved rutting factor of recycled asphalt after UV aging with temperature

圖2 水老化后再生瀝青改進(jìn)車轍因子隨溫度的變化Fig.2 Change of improved rutting factor of recycled asphalt with temperature after water aging

1.3.3 原子力顯微鏡試驗(yàn)

利用原子力顯微鏡(AFM)在室溫下對原樣、老化和再生瀝青的微觀力學(xué)特性進(jìn)行觀察和測試，掃描面積為15μm×15μm，像素為512×512，采用的掃描模式QNM是Bruker公司推出的專利技術(shù),可獲得楊氏模量(DMT)、粘附力[11]。粘附力可用于評價瀝青-集料界面的粘附性能，為宏觀評價瀝青混合料抗水損害性能提供參考。由于二氧化硅(SiO2)是集料的主要成分，因此采用硅探針模擬礦物集料與瀝青的界面粘附特性[12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 動態(tài)剪切流變試驗(yàn)

2.2.1 改進(jìn)車轍因子G*/(sinδ)9分析

車轍因子G*/sinδ是Superpave規(guī)范中評價瀝青高溫性能的一個指標(biāo)。但近幾年有一些學(xué)者認(rèn)為使用G*/sinδ評價并不準(zhǔn)確[13]。 徐波等[14]提出改進(jìn)的車轍因子G*/(sinδ)9可以更好地評價瀝青高溫下抗車轍能力，其值越大，高溫抗車轍性能就越好。

隨著溫度的升高，相位角δ變大，與G*/Sinδ相比較，G*/(sinδ)9更為敏感。圖1和2可以看出隨著溫度的升高瀝青的G*/(sinδ)9在減小。因?yàn)闇囟壬?，瀝青變軟，復(fù)數(shù)模量G*降低，δ變大，瀝青分子間的相互作用力逐漸下降，從較低溫度下的彈性體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檩^高溫度下的粘性體，使得瀝青材料的抗車轍性能減弱。

在兩種老化方式下，溫度相同時，隨著XT-1再生劑和廢機(jī)油摻量的增加，再生瀝青的G*/(sinδ)9下降，且在廢機(jī)油每個摻量下的G*/(sinδ)9都分別大于XT-1再生劑各個摻量時的G*/(sinδ)9。兩種老化方式下，當(dāng)XT-1再生劑摻量為12%，廢機(jī)油摻量7%時，G*/(sinδ)9值基本接近原樣瀝青。因?yàn)閺U機(jī)油以提高芳香分的含量為主，且可能是由于廢機(jī)油中含有耐高溫劑和抗老化劑的作用使得再生的瀝青中溫性能更為優(yōu)秀，所以廢機(jī)油對于再生瀝青高溫抗變形能力的影響更明顯。因此廢機(jī)油再生瀝青在25～34 ℃范圍內(nèi)高溫抗車轍能力更好。

2.1.2 疲勞因子G*·sinδ分析

圖3可知G*·sinδ在同一摻量下，都隨溫度的升高而減小，由此說明當(dāng)溫度較高時，老化瀝青和再生瀝青不易發(fā)生疲勞破壞，其抗疲勞開裂性能也逐步提高。同一溫度下，隨著再生劑和廢機(jī)油摻量的增加，G*·sinδ減小，表明瀝青的粘彈性模量中粘性成分增多，而彈性成分減小，使得瀝青抗疲勞開裂能力提高，增強(qiáng)了再生瀝青的柔性，疲勞性能更好[15]。

圖3 再生瀝青的疲勞因子G*·sinδFig.3 Fatigue factor G*·sinδ of recycled asphalt

在25 ℃時，紫外老化后加入3%廢機(jī)油，G*·sinδ下降率為60.475%，而加入4%XT-1再生劑，G*·sinδ下降率為35.051%，水老化后加入3%廢機(jī)油，G*·sinδ下降率為58.361%，而加入4%XT-1再生劑，G*·sinδ下降率為49.779%，這可能是由于廢機(jī)油中含有耐高溫劑和抗老化劑的作用使得再生的瀝青中溫性能更為明顯。由此可得出廢機(jī)油對于老化瀝青的疲勞性能恢復(fù)效果大于XT-1再生劑。還可以發(fā)現(xiàn)在兩種老化方式下都呈現(xiàn)同樣的規(guī)律即XT-1再生劑摻量為12%，廢機(jī)油摻量為7%時，再生瀝青G*·sinδ值接近原樣瀝青。當(dāng)再加大摻量，即XT-1摻量16%，廢機(jī)油摻量9%時，對抗疲勞性能仍然可提高，但效果相對減弱。綜上所述，廢機(jī)油可以有效地提高瀝青抗疲勞性能。

2.2 彎曲梁流變試驗(yàn)

用蠕變勁度和蠕變速率的比值進(jìn)行分析(m/S)，可以更好地評價90#瀝青的低溫流變性，m/S值越大，瀝青低溫抗裂性能越好，反之會越差[16]。

從圖4、5中看出隨著再生劑和廢機(jī)油摻量的增大，再生瀝青在3個溫度條件下m/S值逐漸增大，表明XT-1再生劑和廢機(jī)油使得老化瀝青彈性降低，粘性增強(qiáng)，應(yīng)力松弛能力增強(qiáng)，低溫變形能力升高。隨著溫度的下降，m/S下降速率逐漸減小，在-30 ℃時，經(jīng)XT-1和廢機(jī)油再生的瀝青m/S隨再生劑摻量變化不明顯，說明在-30 ℃條件下再生瀝青基本呈現(xiàn)彈性性質(zhì)，故其m/S隨再生劑摻量變化很小，因?yàn)樵谶@一溫度下瀝青呈玻璃態(tài)，瀝青分子鏈幾乎被凍結(jié)，不能迅速地重新取向或移動[17]。

圖4、5可以看出當(dāng)達(dá)到最大廢機(jī)油摻量9%時的m/S值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于摻量為16%XT-1時的m/S值，由此可見廢機(jī)油對于老化瀝青中的瀝青質(zhì)具有良好的分散溶解能力，另外廢機(jī)油中以膠質(zhì)和芳香分為主，二者質(zhì)量占比接近90%[18]，老化會導(dǎo)致瀝青的飽和分、芳香分以及膠質(zhì)的含量變少，致使其可塑性和延度降低，同時飽和分和芳香分一定條件下轉(zhuǎn)化為高分子化合物(瀝青質(zhì))，高分子化合物(瀝青質(zhì))增加而小分子減少，廢機(jī)油加入補(bǔ)充瀝青老化過程中損失的小分子組分，改善老化瀝青的相對分子質(zhì)量分布，從而有效提高其低溫抗裂性。由于XT-1再生劑含有增塑劑成分可增強(qiáng)再生瀝青低溫抗裂性能，而廢機(jī)油作為輕質(zhì)油，通過調(diào)整其化學(xué)組分和含量，補(bǔ)充老化瀝青中的芳香分來恢復(fù)其低溫延展性。綜上所述廢機(jī)油對于老化瀝青低溫性能恢復(fù)更有效。

圖4 加入XT-I再生劑的m/S值Fig.4 m/S value of recycled asphalt added XT-I regeneration agent

圖5 加入廢機(jī)油的m/S值Fig.5 m/S value of recycled asphalt added waste oil

2.3 原子力顯微鏡(AFM)

2.3.1 老化和原樣瀝青的表面彈性模量(DMT模量)和粘附力

由表3可知，瀝青老化導(dǎo)致DMT模量上升，Water老化后上升了36.8%，UV老化后上升了42%。而粘附力則表現(xiàn)出相反的規(guī)律，分別較原樣瀝青下降了11.3%和55.7%，由此可見隨著老化程度的加深，瀝青DMT模量增大而粘附力減小，這表明老化會促進(jìn)瀝青內(nèi)部粘性成分轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥猿煞郑瑥亩岣吡藶r青的彈性[19]。

表3 90#瀝青老化前后的DMT模量和粘附力匯總

2.3.2 老化后再生瀝青的DMT模量與粘附力

從圖6、7中看出經(jīng)過水老化和UV老化后再生瀝青隨著XT-1再生劑和廢機(jī)油摻量的增加DMT模量減小，粘附力增加。從再生劑類型來看，相同老化條件下廢機(jī)油再生的瀝青DMT模量均小于XT-1再生劑再生的瀝青，驗(yàn)證了瀝青再生的組分調(diào)和機(jī)理，即老化會導(dǎo)致瀝青質(zhì)增加而芳香族組分減少，這使得瀝青在高溫時有低感溫性，而低溫時有好變形的溶-凝膠狀態(tài)的瀝青，逐步向粘度更高的凝膠型瀝青轉(zhuǎn)化，這過程導(dǎo)致瀝青的非牛頓流動特征趨向顯著，而瀝青再生后再生瀝青組分匹配和性能達(dá)到平衡，從而實(shí)現(xiàn)再生目的[20]。

圖6 再生瀝青的DMT模量Fig.6 DMT modulus of recycled asphalt

圖7 再生瀝青的粘附力Fig.7 Adhesion force of recycled asphalt

同時不同老化方式對再生瀝青微觀力學(xué)也會產(chǎn)生很大影響，經(jīng)過UV老化后，再生瀝青DMT模量隨著摻量的變化幅度遠(yuǎn)低于經(jīng)水老化后再生瀝青，這種現(xiàn)象產(chǎn)生可能是由于UV老化后，因?yàn)橛凶贤夤獾恼丈?，瀝青中極性苯環(huán)結(jié)構(gòu)分子增加，瀝青質(zhì)和膠質(zhì)的分子逐漸變多，這樣會有更多的極性組分團(tuán)聚在一起導(dǎo)致體系內(nèi)空隙減小，使得XT-1再生劑和廢機(jī)油的輕質(zhì)組分?jǐn)U散進(jìn)入老化瀝青中的過程變得更為困難[21]，而經(jīng)過水老化后，瀝青組分中飽和分比例是大于UV老化瀝青的，而瀝青質(zhì)含量低一些，瀝青中飽和分這類油分在加入XT-1再生劑和廢機(jī)油后會更易擴(kuò)散，但是瀝青質(zhì)這類極性分子是不利于擴(kuò)散的。因此導(dǎo)致在微觀力學(xué)上表現(xiàn)為DMT模量隨XT-1再生劑和廢機(jī)油摻量的變化較小。

為了建立再生瀝青微觀力學(xué)特性與宏觀性能之間的關(guān)系，對原樣瀝青和摻入廢機(jī)油3%、5%、7%、9%的再生瀝青的微觀表面彈性模量(DMT模量)與蠕變速率(S)進(jìn)行線性回歸擬合。圖8(a)可知，UV老化前后兩者之間具有較好的線性關(guān)系，在-18、-24、-30 ℃下，相關(guān)性R2分別為0.98806、0.9591、0.99904；圖8(b)中可以看出水老化前后兩者同樣有較好的線性關(guān)系，再生瀝青前后S隨微觀DMT模量呈線性增加。這表明瀝青微觀DMT模量對瀝青的S具有直接影響，隨著XT-1再生劑和廢機(jī)油增加，DMT模量減小，宏觀上表現(xiàn)為瀝青延度值上升，針入度增加，粘性增強(qiáng)，應(yīng)力松弛能力增強(qiáng)，低溫變形能力升高。

圖8 再生瀝青微觀表面彈性模量(DMT)與勁度模量(S)的關(guān)系Fig.8 Relationship between elastic modulus (DMT) and stiffness modulus (S) of recycled asphalt

3 結(jié) 論

(1)溫度一定時，隨著XT-1再生劑和廢機(jī)油摻量的增大，再生瀝青的G*/(sinδ)9和G*·sinδ均減小，對比發(fā)現(xiàn)廢機(jī)油可以更有效地提高老化瀝青的抗車轍性能和抗疲勞性能。

(2)通過BBR試驗(yàn)評價瀝青低溫抗裂性能，隨著XT-1再生劑和廢機(jī)油摻量的增大，再生瀝青在3個溫度條件下m/S值逐漸增大，說明XT-1再生劑和廢機(jī)油具有恢復(fù)老化瀝青低溫變形能力，而廢機(jī)油對于老化瀝青低溫性能的恢復(fù)更加有效。

(3)隨著XT-1再生劑和廢機(jī)油摻量的增加，DMT模量下降，粘附力增加。對再生瀝青微觀DMT模量與S進(jìn)行線性回歸擬合，表明再生瀝青微觀DMT模量與S之間存在線性關(guān)系，再生瀝青微觀表面彈性模量會直接影響瀝青的蠕變速率即瀝青的微觀力學(xué)性能可以體現(xiàn)到瀝青的宏觀層面上。