曲建濤,姚冬冬,周福全,宋文杰,趙培馨,馮振剛(通信作者)
(1煙臺公路材料保障中心 山東 煙臺 264000)
(2吉林省交通科學研究所 吉林 長春 130012)
(3長安大學公路學院 陜西 西安 710064)
隨著機動車等交通工具的劇增,我國每年僅在交通行業就產生約3 000萬t廢機油[1-2]。通過超濾、離心分離、分子蒸餾、絮凝處理和溶劑精制等工藝可將70%~80%廢機油生產成燃料油或潤滑油,剩余的20%~30%由于混入較多雜質無法進行有效回收而成為廢機油殘留物(re-refined engine oil bottoms,REOB)[3]。目前,廢機油的回收利用率正在不斷增加,同時也產生大量的REOB,這些REOB往往被直接焚燒處理,造成了嚴重的資源浪費和大氣污染[4-6]。因此,REOB的高效回收利用已成為我國亟需解決的問題。
在國外,REOB作為軟化劑或改性劑被用于調節道路瀝青的性能(PG)等級,以滿足某些地區氣候條件對瀝青路面的要求[7-10]。YOU等[7]發現添加REOB不會對瀝青混合料的車轍性能和水穩定性產生不利影響,而瀝青混合料的低溫抗裂性會隨著REOB含量的增加而逐漸降低。PALIUKAITE等[9]研究了REOB對基質瀝青和聚合物改性瀝青延展性的影響,研究發現REOB會降低瀝青的延展性。LI等[10]發現隨著REOB摻量的增加,REOB改性瀝青對水的敏感性更高,而REOB對瀝青低溫松弛、強度和斷裂性能的影響不大?,F有研究大多集中于利用REOB改性基質瀝青[11-12],而將REOB用于再生老化瀝青的相關研究較少,若將REOB用于老化瀝青的再生,不僅可實現REOB和廢舊瀝青混合料(reclaimed asphalt pavement,RAP)的回收利用,達到節約資源、保護環境的目的,并且可以提高瀝青路面的使用性能,降低成本,經濟、社會和環境效益十分顯著。
本文采用2種不同來源的REOB(REOB-1和REOB-2)對3種不同老化程度(輕度老化、中度老化和重度老化)的瀝青進行再生,利用薄膜烘箱試驗(thin film oven test,TFOT)模擬REOB再生瀝青的老化過程,評價了不同REOB再生瀝青的老化性能,并通過微觀形貌試驗探討了REOB對老化瀝青的作用機理。
基質瀝青為GS-70#,物理性能見表1。
表1 GS-70#瀝青的物理性能
選用2種不同來源的REOB(REOB-1和REOB-2),2種REOB的物理性能和化學組成見表2。
表2 2種REOB的物理性能與化學組成
老化瀝青的制備:將瀝青置于(163±1)℃的薄膜烘箱中分別老化5、18和36 h,老化瀝青的物理性能見表3,將老化5、18和36 h的瀝青分別定義為輕度、中度和重度老化瀝青。
表3 老化瀝青的物理性能
REOB再生瀝青的制備:通過熔融共混的方法制備REOB再生瀝青,將3種不同老化程度的瀝青預熱至150 ℃,在攪拌的過程中將2種REOB分別加入到老化瀝青中,REOB的摻量為瀝青質量的15%,然后在150 ℃下攪拌0.5 h確保REOB與老化瀝青混合均勻。
利用TFOT模擬REOB再生瀝青的短期熱氧老化,TFOT按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中T0609-2011的規定進行測試,試驗溫度為(163±1)℃,加熱時間為5 h。
按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中T0604-2011、T0605-2011、T0606-2011的規定測試REOB再生瀝青的針入度、延度和軟化點。
采用Bruker公司Nano ManVS型原子力顯微鏡(atomic force microscope,AFM)對不同瀝青試樣的微觀形貌進行觀測。將REOB再生瀝青加熱至130 ℃,取1滴熱瀝青滴于10 mm×10 mm×1 mm的銅片上,然后在5 ℃下冷卻24 h。AFM試驗選用輕敲成像模式,懸臂梁彈性常數為26 N/m,探針高度為11 μm,懸臂梁長度為160 μm,寬度為40 μm,曲率半徑為7 nm,共振頻率為300 kHz。
分別采用殘留針入度比(PRR)、軟化點增量(SPI)和延度保留率(DRR)評價REOB再生瀝青的老化性能,計算式表示為:
公式(1)~(3)中,P2、S2、D2分別為老化后瀝青的針入度、軟化點、延度;P1、S1、D1分別為老化前瀝青的針入度、軟化點、延度。一般地,殘留針入度比和延度保留率越大,軟化點增量越小,瀝青的抗老化性能越好。
2.1.1 殘留針入度比
不同REOB再生瀝青的PRR如圖1所示??梢钥闯?,2種REOB再生瀝青的PRR均大于基質瀝青,且瀝青老化程度越深,REOB再生瀝青的PRR越大,表明REOB再生瀝青的耐老化性能優于基質瀝青,且REOB對老化程度越嚴重的瀝青耐老化性能改善效果越顯著。對于輕度老化瀝青,REOB-1再生瀝青的PRR低于REOB-2再生瀝青,而對于中度老化瀝青和重度老化瀝青而言,REOB-1再生瀝青的PRR要高于REOB-2再生瀝青。這表明對于輕度老化瀝青而言,REOB-2再生瀝青的耐老化性能優于REOB-1再生瀝青;而對于中度老化瀝青和重度老化瀝青而言,REOB-1再生瀝青的耐老化性能優于REOB-2再生瀝青。
圖1 不同REOB再生瀝青的PRR
2.1.2 軟化點增量
不同REOB再生瀝青的SPI如圖2所示??梢钥闯?,對于不同老化程度的瀝青,REOB-1再生瀝青的SPI均低于基質瀝青的SPI;對于輕度老化瀝青而言,SPI(REOB-2再生瀝青)<SPI(REOB-1再生瀝青)<SPI(基質瀝青);而對于中度老化瀝青和重度老化瀝青而言,SPI(REOB-1再生瀝青)<SPI(基質瀝青)<SPI(REOB-2再生瀝青)。這表明REOB-1再生瀝青的耐老化性能要優于基質瀝青和REOB-2再生瀝青。對于輕度老化瀝青,REOB-2再生瀝青的耐老化性能優于REOB-1再生瀝青;對于中度老化瀝青和重度老化瀝青而言,REOB-1再生瀝青的耐老化性能優于REOB-2再生瀝青。
圖2 不同REOB再生瀝青的SPI
2.1.3 延度保留率
不同REOB再生瀝青的DRR如圖3所示??梢钥闯?,不同REOB再生瀝青的DRR均大于基質瀝青。REOB-1再生輕度老化瀝青的DRR低于REOB-2再生輕度老化瀝青,而REOB-1再生中度老化瀝青和重度老化瀝青的DRR高于REOB-2再生中度老化瀝青和重度老化瀝青。這再次表明REOB再生瀝青的耐老化性能優于基質瀝青。對于輕度老化瀝青而言,REOB-2再生瀝青的耐老化性能優于REOB-1再生瀝青。對于中度老化瀝青和重度老化瀝青而言,REOB-1對老化瀝青耐老化性能的改善作用優于REOB-2。
圖3 不同REOB再生瀝青的DRR
綜合考慮PRR、SPI和DRR這3個指標,對于輕度老化瀝青,REOB-2再生瀝青的耐老化性能優于REOB-1再生瀝青;對于中度和重度老化瀝青,REOB-1再生瀝青的耐老化性能優于REOB-2再生瀝青。
對不同老化程度的基質瀝青和REOB再生重度老化瀝青進行了AFM試驗,結果分別如圖4和圖5所示。由圖4可知,基質瀝青表面平滑,相態均勻。隨著老化時間的延長,瀝青表面逐漸變得粗糙,坑洞增多,重度老化瀝青表面的坑洞逐漸變為“蜂狀結構”。瀝青“蜂狀結構”的形成主要與瀝青質的團聚有關,在瀝青的老化過程中,芳香分轉化為膠質,膠質又轉化為瀝青質,導致瀝青質含量增多,破壞了瀝青的膠體結構。
圖4 不同老化程度瀝青的微觀形貌
圖5 REOB再生重度老化瀝青的微觀形貌
由圖5可知,在重度老化瀝青中加入REOB后,老化瀝青表面的“蜂狀結構”數量和尺寸減少,且在“蜂狀結構”附近可以看到有一圈油狀物質包裹著,“蜂狀結構”部分溶解,瀝青表面的粗糙度有所降低。這是由于REOB不僅能夠調節老化瀝青中輕質組分的含量,還能夠溶解老化瀝青中的瀝青質,調整其膠體結構,提高了老化瀝青膠體結構的穩定性。2種REOB再生重度老化瀝青相比,REOB-1再生重度老化瀝青的表面更加光滑和平整,這是因為REOB-1對重度老化瀝青中瀝青質的溶解作用強于REOB-2,因此REOB-1再生瀝青的耐老化性能優于REOB-2再生瀝青。
(1)REOB再生瀝青的抗老化性能優于基質瀝青,這可歸因于REOB不僅能夠調節老化瀝青中輕質組分的含量,還能夠溶解老化瀝青中的瀝青質,提高老化瀝青膠體結構的穩定性。
(2)對于輕度老化瀝青,REOB-2再生瀝青的耐老化性能優于REOB-1再生瀝青;對于中度和重度老化瀝青而言,REOB-1再生瀝青的耐老化性能優于REOB-2再生瀝青。