植物油再生瀝青流變特性及機理分析

李永琴,梁春雨,高學凱

(1.山西工程科技職業大學,山西 晉中 030619;2.吉林大學 交通學院,長春 130015;3.黃土地區公路建設與養護技術交通行業重點實驗室,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),減少路面建養投資并恢復原路面使用性能,具有顯著的經濟與社會效益[1-3]。熱再生技術實施的關鍵之一在于再生劑對RAP中老化瀝青的還原效果,這也是目前研究的前沿與熱點。

根據現有研究結果,再生劑種類豐富多樣,但再生效果參差不齊。傳統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摻量較大時再生效果無法滿足使用要求,且其造價較高導致再生路面經濟效益不明顯[4-5]。近年來,研究發現植物油富含不飽和酸,可以補充老化瀝青所缺失的輕質組分,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瀝青低溫性能、疲勞性能及抗老化性能的恢復效果差異顯著,且不同種類植物油對老化瀝青的再生機理尚未明確,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。采用動態剪切流變實驗(DSR)及小梁彎曲流變實驗(BBR),分析了該植物油再生劑在不同摻量、實驗溫度及加載頻率下瀝青的路用性能及黏彈行為。同時,進一步采用傅里葉紅外光譜實驗(FTIR)揭示了該植物油再生劑對老化瀝青的再生機理。最后,通過再生瀝青混合料綜合路用性能實驗,驗證了該植物油再生劑在工程實踐的可行性。本文研究方法與結果可為植物油再生劑的科學評價與推廣應用提供一定的理論基礎。

1 實 驗

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護路段為依托,采用阿布森法從路面銑刨回收料中抽提得到老化瀝青,按照再生規范JTG T 5521—2019對其技術指標進行測試,結果列于表1。

表1 RAP技術指標

1.1.2 再生劑

本研究將廢棄的棕櫚油進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。按照再生規范JTG T 5521—2019測試其技術指標如表2所示。

表2 再生劑技術指標

1.2 實驗方法

再生劑黏度和摻量對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中瀝青質量分數)制備植物油再生瀝青,分別記為AA、RA_9%、RA_12%和RA_15%。分別采用動態剪切流變實驗(DSR)、彎曲梁流變實驗(BBR)和傅里葉紅外光譜實驗(FTIR)對再生瀝青進行研究。

1.2.1 DSR實驗

采用動態剪切流變儀DHR-1對購置的傳統石化油(記為RB)及本文制備的植物油再生瀝青分別進行溫度掃描實驗與頻率掃描實驗,其中溫度掃描實驗條件為:實驗溫度46～82 ℃(間隔6 ℃),掃描頻率10 Hz/s;頻率掃描實驗條件為:實驗溫度40～70 ℃(間隔10 ℃),頻率掃描范圍0.1～100 rad/s。

1.2.2 BBR實驗

采用彎曲梁流變儀TE-BBR對購置的傳統石化油及本文研制的植物油再生瀝青進行彎曲蠕變實驗,其實驗條件為:實驗溫度-12～-24 ℃(間隔-6 ℃),980 mN加載240 s,卸載10 s。實驗過程中由配套計算機采集瀝青跨中撓度,經計算得到不同時刻瀝青勁度模量(S)與蠕變速率變化率(m)。

1.2.3 FTIR實驗

為進一步分析本文研制的植物油再生劑對老化瀝青的再生機理,采用傅里葉紅外光譜儀Nicolet iS5對再生瀝青的光信號進行處理得到瀝青紅外吸收光譜圖,并對比再生前后瀝青官能團及透光率的差異。

1.2.4 混合料路用性能實驗

為驗證該植物油再生劑工程應用的可行性,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 ℃車轍實驗、-10 ℃小梁彎曲實驗、浸水馬歇爾實驗及凍融劈裂實驗綜合評價再生混合料的路用性能。

2 結果與分析

2.1 再生瀝青PG分級

美國SHRP研究計劃采用G*/sinδ評價瀝青高溫等級,并要求G*/sinδ不小于1.0 kPa。DSR溫度掃描實驗結果經處理得到如圖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;當再生劑摻量為9%～15%時,傳統石化油與植物油再生瀝青高溫等級分別為PG76～PG70、PG70～PG64,石化油再生瀝青高溫性能要強于該植物油再生瀝青。

圖1 再生瀝青高溫分級

由BBR實驗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計劃在劃分瀝青低溫等級時要求其在60 s時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,增強了其延展性。根據SHRP低溫等級要求,當再生劑摻量為9%～15%時,植物油再生瀝青低溫等級均為PG-28,而石化油再生瀝青的低溫等級為PG-22～PG-28,該植物油再生劑對老化瀝青低溫性能的改善顯著優于石化油再生劑。

圖2 再生瀝青低溫等級

綜上所述,與傳統石化油再生劑相比,該植物油再生劑擁有更優異的低溫抗裂恢復性能,這正是老化瀝青的薄弱環節,雖然其高溫抗車轍能力稍差,但仍然優于一般的改性瀝青。瀝青作為一種黏彈性材料,其性能等級的變化主要與其內在黏彈比例的改變有關。因此,下文將結合再生瀝青實驗結果與本構模型對其在高低溫過程中的黏彈性作進一步分析。

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再生瀝青進行頻率掃描實驗,得到復數模量和相位角如圖3所示。

圖3 頻率掃描實驗結果

從圖3可以看出,再生瀝青復數模量和相位角具有溫度、頻率依賴性?；跁r-溫等效原理和CA函數[13-14]可以將不同溫度下再生瀝青力學響應進行平移,得到再生瀝青動態模量與相位角主曲線,進而分析其在寬頻范圍內的黏彈特性,CA函數的表達式為:

|G*|=Gg[1+(ωc/ω′)(log2)/R]-R/(log2)

(1)

δ=90/[1+(ωc/ω′)(log2)/R]

(2)

式中:|G*|為復數模量;Gg為玻璃剪切模量;ω′為縮減頻率;ωc為轉換頻率;R為流變參數;δ為相位角。

(3)

式中:ω為實際加載頻率;ΦT為位移因子。

位移因子的確定采用WLF方程,表達式為

(4)

式中:T為實際加載溫度;T0為主曲線參考溫度;D1和D2為擬合參數。

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溫度的敏感性。位移因子越大,瀝青對溫度越敏感。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遞減趨勢。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 ℃為基準溫度,采用表3中的位移因子將瀝青在其他溫度下的動態模量及相位角平移,得到再生瀝青復數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,瀝青的復數模量增加而相位角減小,高頻與低溫具有一致性,瀝青的彈性性質占據主導地位。隨著再生劑含量的增加,瀝青的復數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77.3%,正是由于該再生劑補充了老化瀝青的輕質油分,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實驗實質上反映了瀝青的蠕變行為。結合Burgers模型和拉普拉斯變換,可以得到瀝青在BBR實驗過程中勁度模量S(t)的表達式,見式(5)[15],各實驗條件下擬合結果所得黏彈參數如表4所示。

表4 Burgers模型擬合參數

(5)

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

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

(6)

(7)

通過計算得到再生瀝青的松弛時間(λ)與延遲時間(τ),結果如圖5所示。

圖5 再生瀝青松弛時間與延遲時間

不難看出,再生瀝青松弛時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變,這對恢復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理分析

圖6 FTIR實驗結果

2.4 再生混合料路用性能

根據上述研究,當再生劑摻量為12%時,再生瀝青等級為PG64-28,能夠滿足我國大部分區域的氣候要求。故綜合考慮再生瀝青高低溫性能及經濟性,本文以12%再生劑摻量(RAP中瀝青質量分數)制備瀝青混合料并進行路用性能實驗,結果如表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穩定度較原瀝青混合料降低了約23.8%,但仍然達到7 530次/mm,完全滿足重載交通等級的抗車轍性能要求。同時,可以觀察到,該再生劑最大的優勢在于顯著提升了瀝青混合料的低溫抗裂性能與水穩定性能,具體表現為破壞彎拉應變、殘留穩定度及凍融劈裂強度比分別增加了約60.0%、14.6%、11.6%,這與再生瀝青的性能實驗相吻合,再次驗證了該再生劑在恢復瀝青流變性的突出優勢。

3 結 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,建議根據再生混合料應用層位、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函數可以構建再生瀝青在寬頻范圍的復數模量與相位角主曲線。隨著再生劑含量的增加,瀝青的復數模量降低而相位角增大,瀝青的位移因子隨之呈遞減趨勢,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變化。隨著再生劑含量的增加,瀝青的松弛時間縮短而延遲時間延長,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。

4)該植物油再生劑與老化瀝青混合未發生化學反應,主要通過調節組分比例恢復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,工程應用前景廣闊。