廢植物油再生瀝青的流變性能及再生效果評(píng)價(jià)

馮 暢,吳室諭，溫肖博

(1.重慶渝湘復(fù)線高速公路有限公司，重慶 401121；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210019)

0 引言

隨著我國(guó)公路建養(yǎng)工程對(duì)綠色發(fā)展的需求，再生瀝青混合料以其低成本、高效益的特點(diǎn)逐漸被廣泛應(yīng)用。再生瀝青混合料的使用能有效降低原生瀝青和石料的消耗，有助于解決能源消耗和環(huán)境污染問題[1]。舊料回收的關(guān)鍵目標(biāo)是恢復(fù)已老化瀝青的各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)，尋找合理、高效、經(jīng)濟(jì)效益好的再生劑是促進(jìn)老化瀝青性能修復(fù)的重要手段和研究熱點(diǎn)[2-3]。廢棄植物油是一種環(huán)保、易降解、性能穩(wěn)定的可再生材料，主要由脂肪酸酯油組成，加入老化瀝青中能增加其輕質(zhì)組分的含量，達(dá)到老化瀝青再生的目的[4]。

近年來(lái)，不少研究者聚焦植物油再生瀝青的各項(xiàng)性能研究。唐伯明等[5]重點(diǎn)關(guān)注大豆毛油再生瀝青的高溫與疲勞特性，研究表明再生瀝青擁有比基質(zhì)瀝青更高的彈性組分和抗疲勞性能。曹雪娟等[6]發(fā)現(xiàn)植物油再生劑能一定程度上還原老化瀝青的復(fù)數(shù)模量和相位角，降低低溫勁度模量。暢潤(rùn)田等[7]通過(guò)對(duì)比復(fù)配植物油再生瀝青的三大指標(biāo)和流變性能，認(rèn)為5%～6%的摻量具有較好的再生效果。曹芯芯等[8]則在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)13.4%的植物廢油能夠?qū)⒗匣癁r青的性能恢復(fù)至AH-70號(hào)基質(zhì)瀝青。滿琦[9]發(fā)現(xiàn)植物油再生劑雖然可以實(shí)現(xiàn)老化瀝青物理性能上的恢復(fù)，但無(wú)法修復(fù)瀝青在組分和官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的構(gòu)成。

綜上可知，前人研究多是對(duì)廢棄植物油再生瀝青的宏觀流變性能或再生機(jī)理的定性研究，缺乏評(píng)判廢植物油作為再生劑的再生效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。為此，本研究開展廢植物油再生瀝青的動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和彎曲梁流變?cè)囼?yàn)，探究再生瀝青的高低溫流變性能，進(jìn)一步提出一種基于臨界勁度溫度差的廢植物油再生劑再生效果評(píng)價(jià)指標(biāo)ΔT，更加直觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)再生劑的再生效果。

1 試驗(yàn)材料及制備工藝

1.1 原材料

本研究制備老化瀝青的原材料為70號(hào)基質(zhì)瀝青，其基本物理指標(biāo)見表1。采用的廢棄植物油再生劑為食物煎炸后的大豆油，對(duì)廢食用油進(jìn)行過(guò)濾處理，至無(wú)明顯分層及沉淀物質(zhì)，測(cè)試其密度、黏度、分解溫度等基本物理指標(biāo)，見表2。

表1 70號(hào)基質(zhì)瀝青物理指標(biāo)

表2 廢大豆油基本物理指標(biāo)

1.2 廢植物油再生瀝青的制備

按照J(rèn)TG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[10]的要求，首先通過(guò)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱加熱試驗(yàn)對(duì)70號(hào)基質(zhì) 瀝青進(jìn)行為期75 min的短期老化，然后取老化殘留物進(jìn)行為期20 h的壓力加速老化，得到長(zhǎng)期老化后的瀝青。取350 g左右經(jīng)長(zhǎng)期老化后的瀝青置于容器中，將老化瀝青加熱恒溫至135 ℃±5 ℃，分別按老化瀝青的質(zhì)量百分比(3%，5%，7%，9%)稱取廢棄植物油加入至老化瀝青中；采用高速剪切機(jī)進(jìn)行2 000 r/min的低速剪切，使混合物均勻分散10 min；然后將剪切轉(zhuǎn)速調(diào)至4 500 r/min，高速剪切30 min，使再生劑與老化瀝青充分反應(yīng)；最后停止剪切，保溫充分發(fā)育10 min，制備得到不同廢植物油摻量的再生瀝青。

2 試驗(yàn)方法

2.1 動(dòng)態(tài)剪切流變(DSR)試驗(yàn)

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)探究再生瀝青的高溫流變性能，進(jìn)行應(yīng)變控制式的溫度掃描試驗(yàn)，掃描溫度為40 ℃～76 ℃，間隔溫度6 ℃。所有樣品采用25 mm，平板間隙為1 mm，掃描頻率為10 rad/s，加載應(yīng)變?yōu)?2%。記錄測(cè)試所得參數(shù)復(fù)合剪切模量|G*|和相位角δ，采用車轍因子|G*|/sinδ評(píng)價(jià)廢棄植物油對(duì)再生瀝青高溫性能的影響，|G*|/sinδ越大，瀝青的高溫抗車轍性能越好。

2.2 彎曲梁流變(BBR)試驗(yàn)

為評(píng)價(jià)廢棄植物油再生劑對(duì)老化瀝青低溫性能的恢復(fù)效果，采用彎曲梁流變儀(BBR)測(cè)試再生瀝青的低溫抗裂特性。將不同廢棄植物油摻量的再生瀝青澆筑成127 mm×6.35 mm×12.7 mm的長(zhǎng)方體試件，在目標(biāo)試驗(yàn)溫度下保溫60 min，測(cè)試溫度為-9 ℃～-21 ℃，間隔溫度3 ℃。記錄60 s的蠕變勁度和蠕變速率(m值)。SHRP規(guī)范指出勁度模量應(yīng)小于300 MPa，m值大于0.3，從而使瀝青在低溫條件下具有較好的柔性松弛能力。

3 廢植物油再生瀝青的流變特性分析

3.1 高溫性能分析

圖1是廢棄植物油(WPO)再生瀝青的高溫掃描試驗(yàn)結(jié)果。由圖1可知，隨著試驗(yàn)溫度升高，車轍因子|G*|/sinδ逐漸減小，這是因?yàn)樵偕鸀r青在高溫狀態(tài)呈黏流狀態(tài)，高溫性能逐漸減弱。對(duì)比70號(hào)基質(zhì)瀝青和老化瀝青，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)長(zhǎng)期老化后的瀝青具有最大的|G*|/sinδ，其高溫抗車轍性能最佳，這是因?yàn)闉r青加速老化的過(guò)程中瀝青組分發(fā)生轉(zhuǎn)變，在宏觀上表現(xiàn)為材料變硬的趨勢(shì)，呈現(xiàn)|G*|/sinδ增大。另一方面，隨著WPO摻量的逐漸增大，再生瀝青的|G*|/sinδ逐漸減小。當(dāng)WPO摻量為9%時(shí)，|G*|/sinδ降至最低；當(dāng)WPO摻量為5%時(shí)，再生瀝青與70號(hào)基質(zhì)瀝青的|G*|/sinδ基本相同，且變化趨勢(shì)較為一致，此時(shí)再生瀝青恢復(fù)至與基質(zhì)瀝青相似的高溫性能，再生效果較好；當(dāng)WPO摻量大于5%時(shí)，再生瀝青的|G*|/sinδ與基質(zhì)瀝青相比顯著減小，其高溫抗車轍性能大幅降低。因此，從恢復(fù)老化瀝青的高溫性能且避免高溫性能大幅降低的角度來(lái)看，5%WPO作為再生劑具有最佳的再生效果。

3.2 低溫性能分析

圖2(a),圖2(b)是不同溫度條件下廢植物油再生瀝青的勁度模量和m值。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的降低，勁度模量均逐漸增大，m值整體上逐漸減小，再生瀝青的低溫松弛及抗裂能力具有較強(qiáng)的溫度敏感性。對(duì)比圖2(a)中老化瀝青和基質(zhì)瀝青的勁度模量，可以發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期老化后的瀝青具有更大的勁度模量，并且在低溫-18 ℃和-21 ℃下遠(yuǎn)超300 MPa，其更易在低溫條件下開裂。在各種低溫條件下，隨WPO再生劑摻量的增加，勁度模量逐漸減小，意味著WPO使老化瀝青具有更好的柔韌性，具有更強(qiáng)的蠕動(dòng)變形和應(yīng)力消散能力。當(dāng)WPO摻量為5%時(shí)，再生瀝青的勁度模量略小于基質(zhì)瀝青，其低溫性能已優(yōu)于基質(zhì)瀝青，再生效果較好；當(dāng)WPO摻量大于5%時(shí)，勁度模量繼續(xù)減小，低溫性能持續(xù)提高。

分析圖2(b)中再生瀝青m值的變化規(guī)律，可以看出老化瀝青具有最小的m值，蠕變速率越慢，應(yīng)力消散能力較弱。WPO作為再生劑能一定程度上提高老化瀝青的m值，增強(qiáng)其低溫下應(yīng)力消散能力。在各種低溫條件下，隨著WPO摻量的增加，m值逐漸增大。

4 基于臨界勁度溫度差ΔT的再生效果評(píng)價(jià)

4.1 勁度模量回歸分析

為了在更寬溫度域內(nèi)研究廢植物油再生瀝青的低溫特性，對(duì)勁度模量-溫度進(jìn)行指數(shù)函數(shù)回歸，擬合表達(dá)式為S=a×bT，其中,a,b均為回歸參數(shù)。廢植物油再生瀝青的勁度模量指數(shù)回歸曲線如圖3所示。由圖3可以看出，6條曲線的擬合R2均大于0.99，勁度模量隨溫度的變化規(guī)律符合負(fù)指數(shù)函數(shù)的形式。表3統(tǒng)計(jì)了回歸參數(shù)a和b，可以發(fā)現(xiàn)系數(shù)a對(duì)WPO摻量的影響較為敏感，其數(shù)值變化范圍較大，極差大于30；而底數(shù)b對(duì)WPO摻量的敏感程度較小，即參數(shù)b的變化范圍較小，約在0.82～0.88之間。因此可以推斷出，在同一溫度下，系數(shù)a較小的再生瀝青往往具有更小的勁度模量，其低溫抗裂性更好。

表3 勁度模量隨溫度變化的曲線回歸參數(shù)

4.2 再生效果評(píng)價(jià)

上述分析表明廢植物油作為再生劑對(duì)老化瀝青的低溫性能具有較好的提升效果，但僅從回歸參數(shù)進(jìn)行分析缺乏實(shí)際的物理意義。為進(jìn)一步量化評(píng)價(jià)廢植物油再生劑對(duì)老化瀝青低溫性能的再生效果，本研究提出了一項(xiàng)基于臨界勁度溫度差的廢植物油再生劑低溫再生效果評(píng)價(jià)指標(biāo)ΔT，其表達(dá)式如下：

ΔT=TWPO-T70號(hào)

(1)

其中，T70號(hào),TWPO分別指基質(zhì)瀝青和再生瀝青的勁度模量為300 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度。該指標(biāo)考慮了SHRP規(guī)范對(duì)低溫勁度模量的要求值，并以基質(zhì)瀝青為衡量基準(zhǔn)，以溫度差的形式表征了廢植物油再生瀝青對(duì)低溫抗裂性的恢復(fù)效果。

圖4呈現(xiàn)了再生瀝青的T300 MPa和ΔT。T300 MPa值越小意味著再生瀝青的低溫勁度模量達(dá)到300 MPa時(shí)的溫度更低，其抗低溫性能越好。ΔT為正值時(shí)，再生瀝青的低溫抗裂性劣于基質(zhì)瀝青，說(shuō)明瀝青此時(shí)仍處于老化狀態(tài)，其絕對(duì)值越大，瀝青的老化程度越高；ΔT為負(fù)值時(shí)，再生瀝青的低溫抗裂性優(yōu)于基質(zhì)瀝青，表明該再生瀝青已完全再生，其絕對(duì)值越大，再生程度越高。但需注意的是，再生程度越高并不意味著瀝青的綜合性能越好，再生程度恢復(fù)至基質(zhì)瀝青時(shí)可認(rèn)為其已具有較好的再生效果，因此|ΔT|趨近0時(shí)，瀝青的再生效果越佳。

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，老化瀝青具有最大的T300 MPa值，隨著廢植物油再生劑摻量的增加，T300 MPa值逐漸減小，低溫性能逐漸增強(qiáng)。從圖4中ΔT的變化規(guī)律可以看出，摻量為0%和3%的廢植物油再生瀝青的ΔT均大于0，表明二者比基質(zhì)瀝青的低溫抗裂性較差，3%的廢植物油再生效果較差。當(dāng)廢植物油的摻量為5%,7%和9%時(shí)，ΔT均小于0，說(shuō)明三者再生瀝青的低溫抗裂性優(yōu)于基質(zhì)瀝青，瀝青已獲得再生且其低溫性能得到很大程度的恢復(fù)。當(dāng)廢植物油的摻量為5%時(shí)，|ΔT|更接近0，其低溫性能的再生效果最佳。

5 結(jié)論

1)廢植物油作為再生劑會(huì)減弱老化瀝青的脆性，降低其高溫性能，但能夠較大幅度地增強(qiáng)其柔韌性，提高其低溫抗裂性能。2)當(dāng)廢植物油再生劑為5%時(shí)，再生瀝青具有與基質(zhì)瀝青相近的車轍因子、勁度模量和m值，兼具較好的高溫抗車轍和低溫抗裂性能。3)勁度模量隨溫度的變化符合負(fù)指數(shù)函數(shù)規(guī)律，系數(shù)a對(duì)廢植物油摻量的影響更加敏感，底數(shù)b的變化幅度較小。4)基于本研究提出的廢植物油再生劑再生效果新指標(biāo)ΔT，發(fā)現(xiàn)摻量為0%和3%的廢植物油再生瀝青的ΔT>0，二者的低溫性能較差，再生程度不足。當(dāng)廢植物油的摻量大于5%時(shí)，ΔT<0，再生瀝青的低溫性能得到完全恢復(fù)。當(dāng)廢植物油的摻量等于5%時(shí)，|ΔT|更接近0，老化瀝青的再生效果最佳。