李寧利,王思宇,栗培龍
(1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院,天津 300401; 2. 長(zhǎng)安大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室,西安 710064)
生物質(zhì)油能夠降低瀝青的黏度及混合料施工溫度,改善瀝青的性能,并且價(jià)格低廉,綠色環(huán)??稍偕鶾1-4]。Fini 等[5]和Mills-Beale 等[6]研究發(fā)現(xiàn),豬糞類(lèi)生物質(zhì)油可以降低石油瀝青的黏度,提高了低溫韌性及高溫性能。Richardson 等[7]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),銀膠菊莖葉生物質(zhì)油提高了瀝青混合料水穩(wěn)定性。馬峰等[8]和曹衛(wèi)東等[9]研究發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)油能夠顯著降低橡膠瀝青黏度及瀝青混合料的生產(chǎn)溫度。張晗等[10]研究發(fā)現(xiàn),廢油類(lèi)生物質(zhì)油再生瀝青的抗疲勞性能和低溫性能與對(duì)應(yīng)基質(zhì)瀝青性能相似。唐伯明等[11]研究表明,大豆毛油類(lèi)生物質(zhì)油的摻加降低了老化瀝青中大、小分子含量,使得老化瀝青的分散度提高,流動(dòng)性增強(qiáng),黏度降低。雷勇[12]和高新文等[13]研究發(fā)現(xiàn),植物質(zhì)類(lèi)生物質(zhì)油能夠提高瀝青的針入度和延度,但對(duì)軟化點(diǎn)、力學(xué)敏感性及老化瀝青的部分自愈合性產(chǎn)生了不利影響。張佳運(yùn)等[14]研究發(fā)現(xiàn),地溝油生物質(zhì)油提高了瀝青的高、低溫性能。孫朝杰[15]研究發(fā)現(xiàn),廢棄油脂類(lèi)生物質(zhì)油提高了瀝青的施工和易性,降低了黏韌比和最大拉力。Cooper 等[16]研究了松木木屑類(lèi)生物質(zhì)油對(duì)瀝青混合料路用性能的影響,結(jié)果表明,松木木屑類(lèi)生物質(zhì)油的摻加提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性及低溫抗裂性能。Hajj 等[17]研究結(jié)果表明,生物質(zhì)油的摻加提高了RAP 混合料的低溫抗裂性能。
綜上所述,國(guó)內(nèi)外關(guān)于生物質(zhì)油的研究成果較多,主要集中在生物質(zhì)油對(duì)瀝青及瀝青混合料路用性能影響等方面,由此可知,生物質(zhì)油可以降低石油瀝青的黏度,為生物質(zhì)油用作溫拌劑奠定了基礎(chǔ),目前將生物質(zhì)油用作溫拌劑的研究成果較少,生物質(zhì)油溫拌瀝青制備工藝的研究還處于空白狀態(tài)。文中通過(guò)熵權(quán)Topsis法研究了生物質(zhì)油溫拌瀝青的制備工藝,分析了生物質(zhì)油溫拌瀝青的性能及溫拌機(jī)理,對(duì)生物質(zhì)油溫拌劑的應(yīng)用進(jìn)行了探索。
1)瀝青:90#、70#基質(zhì)瀝青,技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40—2004)的要求,如表1所示。
表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of asphalt
2)生物質(zhì)油:原料來(lái)源為地溝油,技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。
表2 生物質(zhì)油技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical indexes of biomass oil
首先,將盛有90#、70#基質(zhì)瀝青的容器分別放入恒溫烘箱中,將瀝青烘至流動(dòng)狀態(tài)后,取出容器,放置于電磁爐上;然后,以生物質(zhì)油作為瀝青的溫拌劑,分別以最佳摻量加入到2 種基質(zhì)瀝青中。(在初擬工藝的條件下,通過(guò)研究生物質(zhì)油摻量對(duì)90#基質(zhì)瀝青、70#基質(zhì)瀝青黏度及三大指標(biāo)的影響,分析90#基質(zhì)瀝青、70#基質(zhì)瀝青黏度、針入度、軟化點(diǎn)和延度的變化趨勢(shì),并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,最終確定生物質(zhì)油對(duì)90#基質(zhì)瀝青、70#基質(zhì)瀝青的最佳摻量分別為3.7%、3.5%)。
采用135 ℃黏度、針入度、延度、軟化點(diǎn)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),分別對(duì)不同工藝制備的生物質(zhì)油溫拌90#、70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行135 ℃黏度和三大指標(biāo)試驗(yàn),根據(jù)《瀝青混合料添加劑》(JTT 860.6-2016)中的規(guī)定,黏度試驗(yàn)溫度設(shè)定為135 ℃,轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子分別設(shè)定為20 r/min 和S27 號(hào)。針入度、延度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)具體操作按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中T 0604-2011 的要求進(jìn)行。由于篇幅的限制,以90#基質(zhì)瀝青為例,闡述生物質(zhì)油溫拌瀝青制備工藝的分析過(guò)程。
選用生物質(zhì)油溫拌瀝青制備過(guò)程中的4 個(gè)關(guān)鍵因素,即剪切溫度、剪切速率、剪切時(shí)間,發(fā)育時(shí)間擬定四因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),各因素及水平如表3 所示,正交試驗(yàn)方案如表4 所示。
表3 正交試驗(yàn)因素水平表Table 3 Factor level of orthogonal test
表4 正交試驗(yàn)方案Table 4 Orthogonal test scheme
黏度能夠評(píng)價(jià)溫拌瀝青的降黏效果,三大指標(biāo)的變化能夠在一定程度上衡量溫拌瀝青的高低溫性能,故采用135 ℃黏度、針入度、延度、軟化點(diǎn)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。按照表4 的不同工藝制備的生物質(zhì)油溫拌90#基質(zhì)瀝青,進(jìn)行135 ℃黏度和三大指標(biāo)試驗(yàn),每組方案進(jìn)行4 次平行試驗(yàn),當(dāng)某個(gè)測(cè)定值與平均值之差大于標(biāo)準(zhǔn)差的1.15 倍時(shí),則舍棄該值,取滿(mǎn)足誤差要求的試驗(yàn)結(jié)果,如表5 所示。
表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)表Table 5 Original data of evaluation indicators
采用賦權(quán)及逼近理想值解法(熵權(quán)Topsis 法)對(duì)生物質(zhì)油溫拌瀝青制備工藝進(jìn)行綜合考量,優(yōu)選出生物質(zhì)油溫拌瀝青最佳制備工藝。熵權(quán)法是通過(guò)計(jì)算各個(gè)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重來(lái)確定各個(gè)指標(biāo)差異程度的方法,可以有效消除人為因素、模糊隨機(jī)性因素等產(chǎn)生的影響,確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,Topsis 稱(chēng)為逼近理想解排序方法,通過(guò)對(duì)原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行歸一化處理,確定理想中的最佳方案和最差方案,求出各被評(píng)價(jià)方案與最佳方案和最差方案之間的加權(quán)歐氏距離,得到該方案與最佳方案的相對(duì)貼近度,并以此作為評(píng)價(jià)被評(píng)對(duì)象優(yōu)劣的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)[18]。熵權(quán)Topsis 法具體步驟如下:
1)建立指標(biāo)判斷矩陣
設(shè)有m個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象(實(shí)驗(yàn)方案),n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)),則各待評(píng)試驗(yàn)方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)值可組成矩陣A= (aij)m×n,即
2)評(píng)價(jià)指標(biāo)的矩陣規(guī)范化
效益型評(píng)價(jià)指標(biāo),令
成本型評(píng)價(jià)指標(biāo),令
根據(jù)式(1)和(2)將全部指標(biāo)均轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的、無(wú)量綱的效益型評(píng)價(jià)指標(biāo),最終得到標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)矩陣Y=(yij)m×n。135 ℃黏度越小,溫拌效果越好,黏度試驗(yàn)結(jié)果中最小值為最優(yōu)值;25 ℃針入度在80~100(0.1 mm)之間,在此范圍內(nèi),針入度最小值為最優(yōu)值;10 ℃延度越大,說(shuō)明瀝青的低溫性能越好,延度試驗(yàn)結(jié)果中最大值為最優(yōu)值;軟化點(diǎn)越高,說(shuō)明瀝青的高溫穩(wěn)定性越好,軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果中最大值為最優(yōu)值。根據(jù)式(1)和(2)將原始評(píng)價(jià)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化,得到規(guī)范化數(shù)據(jù)表,如表6 所示。
表6 規(guī)范化數(shù)據(jù)表Table 6 standardized data
3)熵權(quán)法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重
設(shè)制備工藝方案數(shù)為m,評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)為n,形成原始指標(biāo)矩陣A= (Aij)m×n,通過(guò)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化得到Y(jié)=(yij)m×n,對(duì)于某個(gè)指標(biāo)j,它的熵為
設(shè)第j項(xiàng)待評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)值為wj,則
由式(3)和式(4)可知,對(duì)于某個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),產(chǎn)生的變異程度越大,能夠提供更多的信息,在評(píng)價(jià)體系中就發(fā)揮著更大的作用,對(duì)應(yīng)的熵值就越小,同時(shí)權(quán)重值也就越大。在上式中,當(dāng)Pij為0 時(shí),為了使得式lnPij有意義,假設(shè)Pij= 0 時(shí),PijlnPij= 0,計(jì)算結(jié)果如表7 所示。
表7 權(quán)重?cái)?shù)據(jù)表Table 7 Weight data
最終計(jì)算得到指標(biāo)權(quán)重為:WS= (0.289,0.228,0.199 ,0.284 )。
w的確定取決于各待評(píng)路段的固有信息,稱(chēng)為客觀權(quán)重,作為T(mén)OPSIS 評(píng)價(jià)的權(quán)重系數(shù)確定出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重后,為主對(duì)角線(xiàn)上的元素構(gòu)造主對(duì)角矩陣W:
將各指標(biāo)的嫡權(quán)與標(biāo)準(zhǔn)決策矩陣相乘得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)決策矩陣u=(uij)m×n
4)確定評(píng)價(jià)對(duì)象的正理想解和負(fù)理想解
根據(jù)式(5)(6)確定評(píng)價(jià)方案的正理想解和負(fù)理想解,計(jì)算結(jié)果如表8 所示。
表8 正負(fù)理想解Table 8 Positive and negative ideal solutions
其中,
式中:J+為效益型評(píng)價(jià)指標(biāo),J-為成本型評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)指標(biāo)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化后都統(tǒng)一為效益型指標(biāo)。
5)計(jì)算理想點(diǎn)距離
計(jì)算各被評(píng)估工藝制備方案指標(biāo)數(shù)值與正理想解、負(fù)理想解的距離Si+和Si-。
式中,wj∈W= (w1,w2,…wn)為2.2 中計(jì)算得到的熵權(quán)值。
6)確定相對(duì)接近度
根據(jù)式(9)計(jì)算相對(duì)貼近度Ci,計(jì)算結(jié)果如表9 所示。
表9 相對(duì)貼近度數(shù)據(jù)表Table 9 Relative closeness data
依據(jù)相對(duì)貼近度的大小對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)方案進(jìn)行排序,據(jù)此對(duì)各個(gè)制備方案進(jìn)行決策,Ci越大,說(shuō)明該制備方案越好。由表9 可知,這9 種方案中,方案6 的相對(duì)貼近度Ci最大,所以生物質(zhì)油溫拌90#基質(zhì)瀝青的最佳工藝為:剪切溫度130 ℃,剪切速率1 500 r/min,剪切時(shí)間10 min,發(fā)育時(shí)間15 min。
生物質(zhì)油溫拌70#基質(zhì)瀝青最佳工藝研究過(guò)程同上,分析可知最佳工藝為:剪切溫度130 ℃,剪切速率1 500 r/min,剪切時(shí)間10 min,發(fā)育時(shí)間15 min。
相位角δ越小,復(fù)數(shù)剪切模量G*、車(chē)轍因子G*/sinδ越大,則瀝青的高溫性能就越好。通過(guò)DSR 試驗(yàn)研究在最佳工藝下,90#原樣瀝青、70#原樣瀝青、90#溫拌瀝青、70#溫拌瀝青G*、δ與溫度的關(guān)系,結(jié)果如圖1 和圖2 所示。
圖1 90#瀝青 G*、δ、G*/sin δ 與溫度的關(guān)系Fig. 1 Relationship of 90# asphalt G*、δ、G*/sin δ with temperature
圖2 70#瀝青G*、δ、G*/sin δ 與溫度的關(guān)系Fig. 2 Relationship of 70# asphalt G*、δ、G*/sin δ with temperature
可以看出,隨著溫度的升高,90#、70#基質(zhì)瀝青,生物質(zhì)油溫拌90#、70#瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量G*均逐漸減小、相位角δ均逐漸增大,這是因?yàn)闉r青中的彈性部分受高溫影響逐漸轉(zhuǎn)化為黏性部分,從而削弱了變形恢復(fù)能力,影響了瀝青的抗變形能力。在相同的溫度下,生物質(zhì)油溫拌90#、70#基質(zhì)瀝青相比于90#、70#基質(zhì)瀝青,相位角δ升高,復(fù)數(shù)剪切模量G*降低,說(shuō)明生物質(zhì)油溫拌劑的摻入降低了90#、70#基質(zhì)瀝青的高溫性能。瀝青高溫性能降低的原因可能是生物質(zhì)油中的輕質(zhì)油分對(duì)瀝青起了稀釋作用,提高了瀝青流動(dòng)性,同時(shí)也使得瀝青變軟,導(dǎo)致瀝青高溫性能下降。這與軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果相符。
可以看出,在52~58 ℃的溫度范圍內(nèi),車(chē)轍因子G*/sinδ下降的速率較快;說(shuō)明在此溫度下,90#、70#基質(zhì)瀝青的高溫性能損失速率較快,在58~70 ℃的溫度范圍內(nèi),車(chē)轍因子G*/sinδ下降速率逐漸減慢;在溫度達(dá)到70 ℃時(shí),高溫性能逐漸趨于穩(wěn)定。在相同的溫度下,生物質(zhì)油溫拌90#、70#基質(zhì)瀝青相比于90#、70#基質(zhì)瀝青,車(chē)轍因子G*/sinδ變低,說(shuō)明生物質(zhì)油溫拌劑的摻加降低了90#、70#基質(zhì)瀝青的高溫性能,但對(duì)瀝青的高溫性能等級(jí)并沒(méi)有產(chǎn)生影響,說(shuō)明其對(duì)路用性能影響較小。
蠕變勁度S越小,蠕變速率m越大,瀝青的低溫性能就越好。通過(guò)BBR 試驗(yàn)研究在最佳工藝下,90#、70#基質(zhì)瀝青、溫拌瀝青的低溫性能,結(jié)果如表10 所示。
表10 BBR 試驗(yàn)結(jié)果Table 10 BBR test results
從表10 可以看出,在-6 ℃~18 ℃的溫度范圍內(nèi),隨著溫度的降低,90#、70#基質(zhì)瀝青、生物質(zhì)油溫拌90#、70#瀝青的蠕變勁度S值增加,蠕變速率m值降低,說(shuō)明溫度越低,瀝青的低溫抗裂性越差。在相同的溫度下,生物質(zhì)油溫拌90#、70#基質(zhì)瀝青相比于90#、70#基質(zhì)瀝青,蠕變勁度S減小,蠕變速率m增大,說(shuō)明生物質(zhì)油溫拌劑的摻加提高了90#、70#基質(zhì)瀝青的低溫性能,這與延度試驗(yàn)結(jié)果相符。
采用德國(guó)BRUKER TENSOR 27 型傅里葉變換紅外光譜儀研究瀝青試樣的官能團(tuán)分布情況,測(cè)試步驟為:將瀝青溶于三氯乙烯中(質(zhì)量分?jǐn)?shù)約5%),再蒸發(fā)掉三氯乙烯,得到瀝青薄膜即可進(jìn)行測(cè)試。特征峰對(duì)應(yīng)著官能團(tuán)的類(lèi)型,可以通過(guò)特征峰的形狀、數(shù)目等參數(shù)推測(cè)出瀝青中的官能團(tuán)的種類(lèi)。如圖3 所示,紅外光譜圖中可以分為2 個(gè)區(qū)域,其中,一個(gè)區(qū)域是4 000~1 350 cm-1,該區(qū)域內(nèi)的特征峰是由官能團(tuán)中分子鍵伸縮振動(dòng)引起的;另一個(gè)區(qū)域是1 350~650 cm-1,該區(qū)域中特征峰眾多或分子結(jié)構(gòu)稍有不同均能導(dǎo)致特征峰的不同,被稱(chēng)作指紋區(qū),可以通過(guò)該區(qū)域的特征峰進(jìn)行樣品鑒別[19]。
圖3 紅外光譜圖Fig. 3 infrared spectrum
可以看出,摻加生物質(zhì)油溫拌劑后的90#瀝青與未摻加生物質(zhì)油溫拌劑的90#基質(zhì)瀝青圖譜相比,在842 cm-1、933 cm-1、1 377 cm-1、1 460 cm-1、2 853 cm-1、2 924 cm-1處的特征峰強(qiáng)度略有差別。摻加生物質(zhì)油溫拌劑后的70#基質(zhì)瀝青與未摻加生物質(zhì)油溫拌劑的70#基質(zhì)瀝青圖譜相比,在1 377 cm-1、1 460 cm-1、2 853 cm-1、2 924 cm-1處特征峰強(qiáng)度略有差別。出現(xiàn)以上差別的原因與測(cè)定樣品時(shí)的溶劑及溫度有關(guān),在進(jìn)行紅外光譜試驗(yàn)時(shí),樣品的外部客觀條件難以嚴(yán)格控制,導(dǎo)致相同位置特征峰的強(qiáng)度不同[20]。
摻加生物質(zhì)油溫拌劑后的90#、70#基質(zhì)瀝青均未出現(xiàn)新的特征峰,主要特征峰出現(xiàn)的位置與原樣瀝青相比基本沒(méi)有變化,即生物質(zhì)油溫拌劑與90#、70#基質(zhì)瀝青混合過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)新的官能團(tuán),因此,生物質(zhì)油溫拌劑與90#、70#基質(zhì)瀝青混合過(guò)程主要為物理變化。
通過(guò)瀝青四組分法,對(duì)生物質(zhì)油,3 種石油瀝青,摻加生物質(zhì)油70#、90#石油瀝青進(jìn)行成分組成分析,將其分成連續(xù)的4 個(gè)組分,飽和分、芳香分、膠質(zhì)、瀝青質(zhì),通過(guò)組分的變化分析生物質(zhì)油作用機(jī)理,結(jié)果如表11所示。采用上海昌吉SYD-0618B 型四組分試驗(yàn)儀器測(cè)定瀝青的四組分含量,具體試驗(yàn)操作按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中T 0619-1993 的要求進(jìn)行。
表11 四組分分析結(jié)果Table 11 Four component analysis results
為了更好地研究生物質(zhì)油對(duì)瀝青性能的影響,引入膠體模型,具體如下:Pfeiffer 認(rèn)為膠束中心為極性最強(qiáng)的瀝青質(zhì),其內(nèi)部或表面吸附有可溶質(zhì),可溶質(zhì)中分子量越大、芳香性越強(qiáng)的分子質(zhì)點(diǎn)越靠近膠束中心,周?chē)治揭恍┹p質(zhì)組分,連續(xù)地過(guò)渡到膠束間相,瀝青中親液的膠質(zhì)包圍著憎液的瀝青質(zhì)形成膠團(tuán),其中膠質(zhì)的極性部分朝向?yàn)r青質(zhì)核,非極性部分朝向外圍。
根據(jù)表11 分析可知,生物質(zhì)油作用機(jī)理為:生物質(zhì)油中含有較多的飽和分,特點(diǎn)是分子量小、極性低,生物質(zhì)油與基質(zhì)瀝青混合后,生物質(zhì)油中低極性成分使得瀝青膠團(tuán)體系周?chē)蜆O性區(qū)域面積增大,瀝青膠團(tuán)外圍的非極性部分與生物質(zhì)油中低極性成分相溶趨勢(shì)大于原瀝青中的芳香分、飽和分,使得瀝青膠團(tuán)體系引力場(chǎng)變小,瀝青膠團(tuán)體系的分散程度增大,瀝青膠團(tuán)變得分散,從而導(dǎo)致瀝青流動(dòng)性增強(qiáng),黏度降低。同時(shí),也使得90#瀝青組分之間重新分配,宏觀表現(xiàn)為物理性能指標(biāo)的改變,即黏度、軟化點(diǎn)減小,針入度、延度增大。
采用正交試驗(yàn)及熵權(quán)Topsis 分析法,研究生物質(zhì)油溫拌90#、70#基質(zhì)瀝青的制備工藝,并對(duì)生物質(zhì)油溫拌瀝青的路用性能和溫拌機(jī)理進(jìn)行了分析,結(jié)論如下:
1)生物質(zhì)油溫拌90#、70#基質(zhì)瀝青的最佳制備工藝均為:剪切溫度130 ℃,剪切速率1 500 r/min,剪切時(shí)間10 min,發(fā)育時(shí)間15 min。
2)摻加生物質(zhì)油溫拌劑后,90#、70#基質(zhì)瀝青高溫性能均降低,但低溫抗裂性能均提高。
3)生物質(zhì)油與90#、70#基質(zhì)瀝青混合的過(guò)程主要為物理變化。
4)生物質(zhì)油具有較高含量的飽和分,瀝青膠團(tuán)體系周?chē)霈F(xiàn)了非極性區(qū)域,削弱了瀝青膠團(tuán)體系的引力場(chǎng),增加了瀝青膠團(tuán)的分散度,使得瀝青膠團(tuán)分散,從而增強(qiáng)了瀝青流動(dòng)性,降低黏度。