生物油復(fù)配SBS再生瀝青高低溫性能研究

翟 龍 黃湘寧 高夕力

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

隨著路網(wǎng)密度增加、公路通車時(shí)間延長(zhǎng),以及交通量日益增長(zhǎng),我國(guó)公路發(fā)展方向逐漸由新建轉(zhuǎn)向養(yǎng)護(hù)及改擴(kuò)建。我國(guó)高等級(jí)公路大多采用瀝青路面,養(yǎng)護(hù)及改擴(kuò)建過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量舊瀝青混合料,如直接丟棄將會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,并造成資源浪費(fèi)。為此,相關(guān)研究人員提出再生技術(shù),通過(guò)再生劑恢復(fù)老化瀝青性能,并摻入適當(dāng)新集料和瀝青制備再生瀝青混合料,重新用于路面結(jié)構(gòu)鋪裝[1-2]。該技術(shù)可節(jié)約資源,符合綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展理念。

目前常用的瀝青再生劑以石油基類為主,該類再生劑屬不可再生資源,且具有污染大和致癌等缺點(diǎn)[3]。為此,相關(guān)研究人員嘗試提取植物、動(dòng)物和廢棄油脂生物油用于老化瀝青再生,研究結(jié)果表明,通過(guò)改變生物油摻量可使再生瀝青某方面性能恢復(fù)至老化前狀態(tài),但某一固定摻量下的再生瀝青綜合性能存在不足,因此有必要研究生物油復(fù)配改性劑用于老化瀝青再生,以提高再生瀝青性能均衡性[4-6]。

本文采用生物油復(fù)配SBS對(duì)老化瀝青進(jìn)行再生,對(duì)其高溫、低溫性能進(jìn)行分析,以期為生物油復(fù)配SBS再生瀝青的應(yīng)用提供必要的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

1) 瀝青。瀝青路面中SBS改性瀝青應(yīng)用廣泛,故選用SBS(I-C)改性瀝青作為原樣瀝青進(jìn)行試驗(yàn)研究,其主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

2) 生物油。選用木屑、桔桿、稻殼等農(nóng)作物廢料經(jīng)快速裂解和水熱液化而得的生物油作為再生劑進(jìn)行試驗(yàn)研究,其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 生物油主要技術(shù)指標(biāo)

3) SBS。選用韓國(guó)錦湖公司所產(chǎn)SBS改性劑進(jìn)行試驗(yàn)研究,其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 SBS改性劑主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 制備工藝

1) 長(zhǎng)期老化瀝青。將原樣瀝青置于165 ℃烘箱加熱至熔融狀態(tài),而后取樣置于163 ℃條件RTFOT中保溫85 min制得短期老化瀝青。將短期老化瀝青置于壓力老化箱(PAV)中保溫20 h制得長(zhǎng)期老化瀝青,試驗(yàn)溫度100 ℃,壓力2.1 MPa。

2) 再生瀝青。取按上文工藝制備的長(zhǎng)期老化瀝青置于165 ℃烘箱加熱至熔融狀態(tài),按比例摻入生物油、SBS改性劑,用玻璃棒以60 r/min速率攪拌5 min,進(jìn)而改用高速剪切機(jī)以5 000 r/min速率剪切30 min,即可制得再生瀝青。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1三大指標(biāo)

根據(jù)JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[7]規(guī)定,對(duì)瀝青進(jìn)行針入度、軟化點(diǎn)和延度試驗(yàn),以表征瀝青高低溫性能。

1.3.2DSR試驗(yàn)

采用DSR試驗(yàn)進(jìn)行瀝青高溫流變性能評(píng)價(jià),試驗(yàn)用試樣為直徑25 mm、厚度1 mm瀝青薄片,采用應(yīng)變控制模式,角頻率10 rad/s。通過(guò)試驗(yàn)獲得車轍因子(G*/sinδ)表征瀝青高溫流變性能,車轍因子越大,高溫性能越好,抗車轍能力越強(qiáng)。

1.3.3BBR試驗(yàn)

采用BBR試驗(yàn)進(jìn)行瀝青低溫性能評(píng)價(jià),試驗(yàn)用試樣為125 mm×6.35 mm×12.7 mm瀝青小梁。通過(guò)試驗(yàn)獲得加載時(shí)間60 s時(shí)的勁度模量和蠕變速率表征瀝青低溫流變性能,勁度模量越大,低溫下瀝青硬脆特征越明顯,越容易開裂,蠕變速率越大,低溫下瀝青應(yīng)力松弛性能越好,變形能力越強(qiáng)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 生物油再生瀝青3大指標(biāo)分析

采用原樣瀝青制備長(zhǎng)期老化瀝青后分別摻入3%,6%,9%,12%和15%生物油制備再生瀝青。對(duì)原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可知,生物油可恢復(fù)老化瀝青三大指標(biāo),但不同性能指標(biāo)對(duì)生物油摻量的敏感性不同。隨著生物油摻量的增加,老化瀝青針入度和延度逐漸增加,軟化點(diǎn)逐漸降低,老化瀝青性能逐漸恢復(fù),這是由于摻入生物油后瀝青中飽和分和芳香分比例提高的緣故。其中生物油摻量分別為6%,9%,12%時(shí),老化瀝青針入度、軟化點(diǎn)和延度指標(biāo)分別恢復(fù)至原樣瀝青水平,表明針入度指標(biāo)對(duì)生物油摻量最為敏感,其次是軟化點(diǎn),延度最差。

表4 生物油再生瀝青3大指標(biāo)

生物油用于恢復(fù)老化瀝青低溫性能時(shí)存在過(guò)渡軟化問(wèn)題,對(duì)高溫性能不利。生物油摻量達(dá)12%時(shí),老化瀝青延度指標(biāo)恢復(fù),但針入度已達(dá)100.3(0.1 mm),已發(fā)生過(guò)渡軟化,不利于瀝青高溫抗車轍性能。分析原因在于SBS改性瀝青的老化分為基質(zhì)瀝青和SBS的老化,生物油的摻入主要調(diào)節(jié)瀝青組分,恢復(fù)基質(zhì)瀝青性能,故低溫下SBS的抗裂作用僅能依托提高生物油摻量替代。

2.2 生物油復(fù)配SBS再生瀝青流變性能

針對(duì)生物油再生瀝青恢復(fù)低溫性能時(shí)存在的過(guò)渡軟化問(wèn)題,考慮摻入SBS復(fù)配進(jìn)行再生。制備生物油摻量為6%,SBS摻量分別為1%,2%,3%的再生瀝青分別進(jìn)行DSR試驗(yàn)和BBR試驗(yàn),分析其高低溫流變性能。

2.2.1高溫流變性能

52,58,64,70,76 ℃共5個(gè)試驗(yàn)溫度下不同類型瀝青車轍因子試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 瀝青車轍因子試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知,摻入生物油可恢復(fù)老化瀝青高溫性能,但摻量受試驗(yàn)溫度影響,實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)實(shí)際路面溫度情況選擇合適的生物油摻量。試驗(yàn)溫度為52,58,64 ℃時(shí),6%生物油摻量的再生瀝青車轍因子低于原樣瀝青,表明高溫流變性能已得到恢復(fù),但試驗(yàn)溫度升高至70,76 ℃時(shí),車轍因子高于原樣瀝青,表明上述試驗(yàn)溫度下恢復(fù)原樣瀝青高溫性能需繼續(xù)提高生物油摻量。

由圖1還可知,生物油復(fù)配SBS可提高再生瀝青高溫性能,且效果隨SBS摻量的增加而變好。生物油復(fù)配SBS后,各試驗(yàn)溫度下再生瀝青的車轍因子增加,且隨著SBS摻量的增大,增加值提高。

將車轍因子取對(duì)數(shù)后與溫度進(jìn)行線性相關(guān)分析,其示意見(jiàn)圖2。

圖2 瀝青車轍因子與溫度相關(guān)關(guān)系

由圖2可見(jiàn),生物油再生瀝青高溫性能溫度敏感性優(yōu)于原樣瀝青,且復(fù)配SBS后溫度敏感性進(jìn)一步改善,改善效果隨SBS摻量的增加而變好。6%生物油摻量的再生瀝青車轍因子隨溫度變化斜率絕對(duì)值為0.043 2,較原樣瀝青的0.044 7降低了3.4%,表明生物油再生瀝青車轍因子隨溫度升高的下降速率較原樣瀝青降低,高溫性能溫度敏感性改善,復(fù)配1%,2%,3%的SBS后,斜率絕對(duì)值分別降低至0.042 5,0.041 7,0.040 8(見(jiàn)表5),車轍因子隨溫度升高而下降的速率進(jìn)一步減小。

表5 瀝青車轍因子與溫度線性擬合結(jié)果

2.2.2低溫流變性能

-12,-18,-24 ℃共3個(gè)試驗(yàn)溫度下不同類型瀝青勁度模量和蠕變速率試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖3、圖4。由圖3和圖4可見(jiàn),老化作用會(huì)明顯降低瀝青低溫性能,摻入6%生物油后可適當(dāng)恢復(fù),但未恢復(fù)至原樣瀝青水平。各試驗(yàn)溫度下老化瀝青勁度模量均高于原樣瀝青,蠕變速率均低于原樣瀝青,表明老化后瀝青低溫性能明顯降低,這是由于老化作用使瀝青中塑性成分減少,硬脆性特征更為明顯的緣故。摻入6%生物油后,各試驗(yàn)溫度下再生瀝青勁度模量和蠕變速率均介于原樣瀝青和老化瀝青之間,表明老化瀝青低溫性能得到部分恢復(fù)。

圖3 瀝青勁度模量試驗(yàn)結(jié)果

圖4 瀝青蠕變速率試驗(yàn)結(jié)果

圖3、圖4還表明,生物油復(fù)配SBS后可改善再生瀝青低溫性能,且改善效果隨SBS摻量增加而變好。摻入SBS進(jìn)行復(fù)配后,隨著SBS摻量增加,再生瀝青勁度模量逐漸降低,蠕變速率逐漸增加,當(dāng)SBS摻量達(dá)到2%時(shí),再生瀝青勁度模量低于原樣瀝青,蠕變速率高于原樣瀝青,表明老化瀝青低溫性能已恢復(fù)至原樣瀝青水平。此外,美國(guó)SHRP計(jì)劃PG分級(jí)規(guī)定,路面低溫下勁度模量應(yīng)不大于300 MPa,蠕變速率應(yīng)不小于0.3,根據(jù)上述要求,原樣瀝青、6%生物油復(fù)配1%,2%,3%的SBS再生瀝青的低溫PG分級(jí)均為-28 ℃,老化瀝青及6%生物油再生瀝青的低溫PG分級(jí)則為-22 ℃,表明生物油復(fù)配SBS后再生瀝青低溫下的適用溫度范圍已和原樣瀝青一致,且優(yōu)于純生物油再生瀝青。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)室內(nèi)模擬短期和長(zhǎng)期老化制備老化瀝青,采用生物油及復(fù)配SBS對(duì)老化瀝青進(jìn)行再生,通過(guò)三大指標(biāo)、DSR和BBR試驗(yàn)研究再生瀝青高低溫性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,主要結(jié)論如下。

1) 生物油能恢復(fù)老化瀝青三大指標(biāo),但恢復(fù)不同指標(biāo)的摻量有明顯差異,生物油摻量分別為6%,9%,12%時(shí),老化瀝青針入度、軟化點(diǎn)和延度指標(biāo)分別恢復(fù)至原樣瀝青水平。延度指標(biāo)恢復(fù)時(shí),針入度指標(biāo)已明顯低于原樣瀝青,高溫性能存在過(guò)渡軟化問(wèn)題。

2) DSR試驗(yàn)結(jié)果表明摻入約6%生物油可恢復(fù)老化瀝青高溫流變性能,但具體摻量受試驗(yàn)溫度影響。生物油復(fù)配SBS后,再生瀝青高溫流變性能及溫度敏感性均改善,且隨SBS摻量的增加改善效果逐漸變好。

3) BBR試驗(yàn)結(jié)果表明摻入6%生物油后老化瀝青低溫流變性能適當(dāng)恢復(fù),但未恢復(fù)至原樣瀝青水平。生物油復(fù)配SBS后,再生瀝青低溫流變性能改善,且隨SBS摻量的增加改善效果逐漸變好。SBS摻量達(dá)到2%時(shí),再生瀝青低溫流變性能已恢復(fù)至原樣瀝青水平。

4) 推薦采用6%生物油復(fù)配2% SBS用于老化瀝青再生,此時(shí)再生瀝青高低溫性能均優(yōu)于原樣瀝青。