植物油再生瀝青流變特性及機(jī)理分析

李永琴,梁春雨,高學(xué)凱

(1.山西工程科技職業(yè)大學(xué),山西 晉中 030619;2.吉林大學(xué) 交通學(xué)院,長春 130015;3.黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030032)

瀝青路面熱再生可以有效利用廢棄的瀝青混合料回收料(RAP),減少路面建養(yǎng)投資并恢復(fù)原路面使用性能,具有顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益[1-3]。熱再生技術(shù)實(shí)施的關(guān)鍵之一在于再生劑對(duì)RAP中老化瀝青的還原效果,這也是目前研究的前沿與熱點(diǎn)。

根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果,再生劑種類豐富多樣,但再生效果參差不齊。傳統(tǒng)的再生劑多以石化油為主要成分,其與老化瀝青相容性較好,但在瀝青老化程度較高或RAP摻量較大時(shí)再生效果無法滿足使用要求,且其造價(jià)較高導(dǎo)致再生路面經(jīng)濟(jì)效益不明顯[4-5]。近年來,研究發(fā)現(xiàn)植物油富含不飽和酸,可以補(bǔ)充老化瀝青所缺失的輕質(zhì)組分,而得到了道路工作者的青睞。目前,研究者已先后研制出大豆油、腰果殼油、菜籽油等植物油再生劑[6-10]。研究顯示,不同的植物油再生劑對(duì)瀝青低溫性能、疲勞性能及抗老化性能的恢復(fù)效果差異顯著,且不同種類植物油對(duì)老化瀝青的再生機(jī)理尚未明確,植物油再生劑在瀝青路面再生利用過程中具有廣闊的發(fā)展空間,以植物油作為主要成分制備再生劑仍需要深入探索。

本研究將廢棄的棕櫚油進(jìn)行過濾與脫水處理,并摻入增塑劑與抗老化劑制備了一種新型植物油再生劑。采用動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)(DSR)及小梁彎曲流變實(shí)驗(yàn)(BBR),分析了該植物油再生劑在不同摻量、實(shí)驗(yàn)溫度及加載頻率下瀝青的路用性能及黏彈行為。同時(shí),進(jìn)一步采用傅里葉紅外光譜實(shí)驗(yàn)(FTIR)揭示了該植物油再生劑對(duì)老化瀝青的再生機(jī)理。最后,通過再生瀝青混合料綜合路用性能實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該植物油再生劑在工程實(shí)踐的可行性。本文研究方法與結(jié)果可為植物油再生劑的科學(xué)評(píng)價(jià)與推廣應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

1.1.1 老化瀝青

本研究以山西某高速公路維修養(yǎng)護(hù)路段為依托,采用阿布森法從路面銑刨回收料中抽提得到老化瀝青,按照再生規(guī)范JTG T 5521—2019對(duì)其技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試,結(jié)果列于表1。

表1 RAP技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 再生劑

本研究將廢棄的棕櫚油進(jìn)行過濾與脫水處理后加熱至100 ℃,勻速攪拌并添加一定比例的增塑劑與抗老化劑,在保溫狀態(tài)下攪拌30 min至形成均勻液體,即得到一種新型植物油再生劑。按照再生規(guī)范JTG T 5521—2019測試其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 再生劑技術(shù)指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

再生劑黏度和摻量對(duì)老化瀝青流變性能影響顯著,由表2可知本文研制的再生劑粘度較低,屬于RA-1類型,參考已有相關(guān)再生劑的研究成果[11],本文以0%、9%、12%和15%的再生劑摻量(RAP中瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù))制備植物油再生瀝青,分別記為AA、RA_9%、RA_12%和RA_15%。分別采用動(dòng)態(tài)剪切流變實(shí)驗(yàn)(DSR)、彎曲梁流變實(shí)驗(yàn)(BBR)和傅里葉紅外光譜實(shí)驗(yàn)(FTIR)對(duì)再生瀝青進(jìn)行研究。

1.2.1 DSR實(shí)驗(yàn)

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀DHR-1對(duì)購置的傳統(tǒng)石化油(記為RB)及本文制備的植物油再生瀝青分別進(jìn)行溫度掃描實(shí)驗(yàn)與頻率掃描實(shí)驗(yàn),其中溫度掃描實(shí)驗(yàn)條件為:實(shí)驗(yàn)溫度46～82 ℃(間隔6 ℃),掃描頻率10 Hz/s;頻率掃描實(shí)驗(yàn)條件為:實(shí)驗(yàn)溫度40～70 ℃(間隔10 ℃),頻率掃描范圍0.1～100 rad/s。

1.2.2 BBR實(shí)驗(yàn)

采用彎曲梁流變儀TE-BBR對(duì)購置的傳統(tǒng)石化油及本文研制的植物油再生瀝青進(jìn)行彎曲蠕變實(shí)驗(yàn),其實(shí)驗(yàn)條件為:實(shí)驗(yàn)溫度-12～-24 ℃(間隔-6 ℃),980 mN加載240 s,卸載10 s。實(shí)驗(yàn)過程中由配套計(jì)算機(jī)采集瀝青跨中撓度,經(jīng)計(jì)算得到不同時(shí)刻瀝青勁度模量(S)與蠕變速率變化率(m)。

1.2.3 FTIR實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步分析本文研制的植物油再生劑對(duì)老化瀝青的再生機(jī)理,采用傅里葉紅外光譜儀Nicolet iS5對(duì)再生瀝青的光信號(hào)進(jìn)行處理得到瀝青紅外吸收光譜圖,并對(duì)比再生前后瀝青官能團(tuán)及透光率的差異。

1.2.4 混合料路用性能實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證該植物油再生劑工程應(yīng)用的可行性,以擬定的再生劑摻量制備再生瀝青混合料,采用瀝青混合料60 ℃車轍實(shí)驗(yàn)、-10 ℃小梁彎曲實(shí)驗(yàn)、浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)及凍融劈裂實(shí)驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)再生混合料的路用性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 再生瀝青PG分級(jí)

美國SHRP研究計(jì)劃采用G*/sinδ評(píng)價(jià)瀝青高溫等級(jí),并要求G*/sinδ不小于1.0 kPa。DSR溫度掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)處理得到如圖1所示的再生瀝青車轍因子G*/sinδ。從圖1可以看出:再生瀝青車轍因子隨著再生劑摻量增加而降低;當(dāng)再生劑摻量為9%～15%時(shí),傳統(tǒng)石化油與植物油再生瀝青高溫等級(jí)分別為PG76～PG70、PG70～PG64,石化油再生瀝青高溫性能要強(qiáng)于該植物油再生瀝青。

圖1 再生瀝青高溫分級(jí)

由BBR實(shí)驗(yàn)得到不同溫度下再生瀝青勁度模量(S)和蠕變速率變化率(m),如圖2所示。SHRP計(jì)劃在劃分瀝青低溫等級(jí)時(shí)要求其在60 s時(shí)S小于300 MPa且m大于0.3[12]。從圖2可以看出,再生瀝青勁度模量S隨著再生劑摻量的增加而降低,而再生瀝青蠕變速率m的變化率隨著再生劑摻量的增加而增加,這表明再生劑的摻入降低了瀝青黏度,增強(qiáng)了其延展性。根據(jù)SHRP低溫等級(jí)要求,當(dāng)再生劑摻量為9%～15%時(shí),植物油再生瀝青低溫等級(jí)均為PG-28,而石化油再生瀝青的低溫等級(jí)為PG-22～PG-28,該植物油再生劑對(duì)老化瀝青低溫性能的改善顯著優(yōu)于石化油再生劑。

圖2 再生瀝青低溫等級(jí)

綜上所述,與傳統(tǒng)石化油再生劑相比,該植物油再生劑擁有更優(yōu)異的低溫抗裂恢復(fù)性能,這正是老化瀝青的薄弱環(huán)節(jié),雖然其高溫抗車轍能力稍差,但仍然優(yōu)于一般的改性瀝青。瀝青作為一種黏彈性材料,其性能等級(jí)的變化主要與其內(nèi)在黏彈比例的改變有關(guān)。因此,下文將結(jié)合再生瀝青實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本構(gòu)模型對(duì)其在高低溫過程中的黏彈性作進(jìn)一步分析。

2.2 再生瀝青黏彈特性

2.2.1 基于CA模型的再生瀝青中高溫黏彈分析

在不同溫度條件下對(duì)再生瀝青進(jìn)行頻率掃描實(shí)驗(yàn),得到復(fù)數(shù)模量和相位角如圖3所示。

圖3 頻率掃描實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖3可以看出,再生瀝青復(fù)數(shù)模量和相位角具有溫度、頻率依賴性?；跁r(shí)-溫等效原理和CA函數(shù)[13-14]可以將不同溫度下再生瀝青力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行平移,得到再生瀝青動(dòng)態(tài)模量與相位角主曲線,進(jìn)而分析其在寬頻范圍內(nèi)的黏彈特性,CA函數(shù)的表達(dá)式為:

|G*|=Gg[1+(ωc/ω′)(log2)/R]-R/(log2)

(1)

δ=90/[1+(ωc/ω′)(log2)/R]

(2)

式中:|G*|為復(fù)數(shù)模量;Gg為玻璃剪切模量;ω′為縮減頻率;ωc為轉(zhuǎn)換頻率;R為流變參數(shù);δ為相位角。

(3)

式中:ω為實(shí)際加載頻率;ΦT為位移因子。

位移因子的確定采用WLF方程,表達(dá)式為

(4)

式中:T為實(shí)際加載溫度;T0為主曲線參考溫度;D1和D2為擬合參數(shù)。

以50 ℃作為參考溫度,不同溫度及再生劑摻量下瀝青的位移因子如表3所示。

表3 再生瀝青位移因子

位移因子的大小可以表征瀝青對(duì)溫度的敏感性。位移因子越大,瀝青對(duì)溫度越敏感。由表3可以看出,在相同溫度下,瀝青位移因子隨著再生劑含量的增加呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。這意味著植物油再生劑的加入降低了老化瀝青的溫度敏感性,有利于提高瀝青的耐久性。

以50 ℃為基準(zhǔn)溫度,采用表3中的位移因子將瀝青在其他溫度下的動(dòng)態(tài)模量及相位角平移,得到再生瀝青復(fù)數(shù)模量和相位角主曲線如圖4所示。

圖4 再生瀝青主曲線

從圖4可以看出,隨著頻率的增加,瀝青的復(fù)數(shù)模量增加而相位角減小,高頻與低溫具有一致性,瀝青的彈性性質(zhì)占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著再生劑含量的增加,瀝青的復(fù)數(shù)模量降低而相位角增大,由表2可知,該再生劑芳香分和飽和分總含量達(dá)77.3%,正是由于該再生劑補(bǔ)充了老化瀝青的輕質(zhì)油分,因而增加了瀝青中的粘性比例。

2.2.2 基于Burgers模型的再生瀝青低溫黏彈分析

上述BBR實(shí)驗(yàn)實(shí)質(zhì)上反映了瀝青的蠕變行為。結(jié)合Burgers模型和拉普拉斯變換,可以得到瀝青在BBR實(shí)驗(yàn)過程中勁度模量S(t)的表達(dá)式,見式(5)[15],各實(shí)驗(yàn)條件下擬合結(jié)果所得黏彈參數(shù)如表4所示。

表4 Burgers模型擬合參數(shù)

(5)

式中:S(t)為瀝青勁度模量;t為加載時(shí)間;E1和E2為彈性模量;η1和η2為黏性系數(shù)。

從表4可以看出:隨著溫度降低,E1、E2、η1、η2均呈現(xiàn)增大趨勢(shì),瀝青勁度模量增加,抗變形能力增強(qiáng);隨著再生劑摻量增加,E1、E2、η1、η2均逐漸減小,瀝青勁度模量減小,更容易產(chǎn)生流動(dòng)變形而釋放內(nèi)部應(yīng)力,這有助于提高瀝青的低溫抗裂性。由于彈性模量系數(shù)與黏性系數(shù)隨溫度、再生劑摻量均呈相同的變化趨勢(shì),無法表現(xiàn)其內(nèi)在黏彈比例變化,因此,選用松弛時(shí)間(λ)與延遲時(shí)間(τ)來表征瀝青在低溫蠕變過程中的黏彈行為,松弛時(shí)間越長而延遲時(shí)間越短,瀝青行為以彈性為主;松弛時(shí)間越短而延遲時(shí)間越長,瀝青行為以黏性為主[16],兩者的表達(dá)式為[17]:

(6)

(7)

通過計(jì)算得到再生瀝青的松弛時(shí)間(λ)與延遲時(shí)間(τ),結(jié)果如圖5所示。

圖5 再生瀝青松弛時(shí)間與延遲時(shí)間

不難看出,再生瀝青松弛時(shí)間隨溫度的降低而升高,隨再生劑摻量的增加而減少;再生瀝青延遲時(shí)間隨溫度的降低而降低,隨再生劑摻量的增加而增加。這表明,再生劑與高溫條件對(duì)瀝青的黏彈性影響具有相似作用,即摻入再生劑使得老化瀝青由彈性向粘性逐漸轉(zhuǎn)變,這對(duì)恢復(fù)瀝青的低溫抗裂性能是極為有利的。

2.3 植物油再生瀝青再生機(jī)理分析

圖6 FTIR實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 再生混合料路用性能

根據(jù)上述研究,當(dāng)再生劑摻量為12%時(shí),再生瀝青等級(jí)為PG64-28,能夠滿足我國大部分區(qū)域的氣候要求。故綜合考慮再生瀝青高低溫性能及經(jīng)濟(jì)性,本文以12%再生劑摻量(RAP中瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù))制備瀝青混合料并進(jìn)行路用性能實(shí)驗(yàn),結(jié)果如表5所示。

表5 再生混合料路用性能

從表5可以看出,該植物油再生混合料動(dòng)穩(wěn)定度較原瀝青混合料降低了約23.8%,但仍然達(dá)到7 530次/mm,完全滿足重載交通等級(jí)的抗車轍性能要求。同時(shí),可以觀察到,該再生劑最大的優(yōu)勢(shì)在于顯著提升了瀝青混合料的低溫抗裂性能與水穩(wěn)定性能,具體表現(xiàn)為破壞彎拉應(yīng)變、殘留穩(wěn)定度及凍融劈裂強(qiáng)度比分別增加了約60.0%、14.6%、11.6%,這與再生瀝青的性能實(shí)驗(yàn)相吻合,再次驗(yàn)證了該再生劑在恢復(fù)瀝青流變性的突出優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 論

1)隨著再生劑摻量的增加,瀝青高溫性能減弱而低溫抗裂性提升,建議根據(jù)再生混合料應(yīng)用層位、交通荷載、氣候條件等因素,綜合考慮混合料性能需求,確定適宜的再生劑摻量。

2)采用CA函數(shù)可以構(gòu)建再生瀝青在寬頻范圍的復(fù)數(shù)模量與相位角主曲線。隨著再生劑含量的增加,瀝青的復(fù)數(shù)模量降低而相位角增大,瀝青的位移因子隨之呈遞減趨勢(shì),再生劑的摻入改善了瀝青的感溫性。

3)利用Burgers模型可以仿真分析再生瀝青低溫粘彈性質(zhì)變化。隨著再生劑含量的增加,瀝青的松弛時(shí)間縮短而延遲時(shí)間延長,再生劑的摻入提高了瀝青的黏性比例,這主要與再生劑富含芳香分與飽和分有關(guān)。

4)該植物油再生劑與老化瀝青混合未發(fā)生化學(xué)反應(yīng),主要通過調(diào)節(jié)組分比例恢復(fù)老化瀝青的流變性能,且再生瀝青混合料具有良好的高溫抗車轍、低溫抗開裂及抗水損壞能力,工程應(yīng)用前景廣闊。