木屑基生物油再生老化沥青的疲劳特性研究

周 新 星

(1. 山西大学 资源与环境工程研究所,山西 太原 030031; 2. 武汉理工大学 硅酸盐建筑材料国家重点实验室,湖北 武汉 430070)

0 引 言

木屑基生物油和石油沥青的组成相近、物理化学特性相似,因此,生物油可部分或完全替代石油沥青[1-2]。同时,石油沥青属于不可再生资源,而生物油则属于可再生资源,在不久的将来,将生物油替代石油沥青应用于公路工程,势必会成为一种趋势[3]。R.ZHANG等[4]利用生物油再生老化沥青,发现生物油的添加显著改善了沥青的疲劳性能;A.HUANG等[5]研究了生物油部分替代石油沥青的物化性能,发现紫外老化严重损害生物油沥青的疲劳特性;高新文等[6]分析了生物油对老化沥青自愈合性能的影响及其愈合机理,认为愈合过程中存在最佳愈合时间和最佳愈合温度,生物油再生沥青的愈合行为包括粘黏性流动和弹性恢复。作者针对生物油和生物炭(生物质裂解产物)的综合利用问题作了大量的研究,包括生物炭改性生物沥青的化学变化和相分离、生物油炭改性生物沥青的全寿命周期评价等[7-8]。在生物油再生老化沥青的研究过程中,发现由木屑裂解制得的生物油含有大量有机酸、酮、醇、醛和苯酚酚类等高含氧量有机物[9],会严重损害沥青的使用性能,特别是疲劳特性。

疲劳特性是材料在重复荷载作用下抵抗变形破坏的能力,由疲劳特性变化产生的疲劳开裂也是沥青路面常见的损坏形式之一。沥青路面疲劳开裂一般产生于沥青胶浆内部或沥青与集料黏结界面。沥青疲劳特性的研究是沥青路面疲劳性能研究的重点。美国土木工程学会规定采用疲劳因子作为沥青疲劳性能的评价指标,但此指标通常只适用于评价普通基质沥青,无法评价改性沥青。目前广泛采用的沥青疲劳寿命评定指标Nf50是基于复数剪切模量的降低幅度[10]。同时,基于能量耗散理论的沥青疲劳特性指标Nfm应运而生[11]。单丽岩等[12]通过连续加载模式下不同应力对不同基质沥青疲劳性能的分析,认为不同加载应力对沥青疲劳寿命影响较大;陈浩浩等[13]采用动态剪切流变仪在Time-Sweep的应力控制模式下对多种沥青进行了重复剪切疲劳试验,认为沥青复数模量变化曲线拐点所对应的循环加载次数NfG*作为沥青疲劳性能的评价指标更为简单高效。各种疲劳寿命评价指标既存在一定的优势,又存在自身的局限性,并没有一个指标适用所有工况下改性沥青,特别是生物油再生老化沥青疲劳寿命的评价。采用多指标协同评价沥青或改性沥青的疲劳特性已是发展的趋势,如何评价生物油再生老化沥青的耐久性和疲劳特性是当前生物油再生老化沥青的研究重点。

为此,笔者采用DSR在Time-Sweep应力控制模式下对不同生物油含量、不同老化程度及不同应力水平的老化沥青及生物油再生老化沥青的疲劳特性进行研究,以Nf50、Nfm和NfG*为评价指标分析各指标对生物油老化沥青疲劳寿命的影响,并分析了疲劳过程中生物油再生老化沥青的官能团变化。

1 原材料和实验

1.1 原材料

生物油由实验室采用木屑自行高温裂解制备,裂解温度为500 ℃,N2作为保护性气体和流动驱使介质,裂解设备为生物质连续裂解炉。70#沥青来自盘锦北方沥青股份有限公司,软化点为45.0 ℃,25 ℃针入度为68 dmm。

1.2 生物油再生老化沥青的制备

沥青选用70#基质沥青,将基质沥青经过163 ℃,5 h加热得到短期老化沥青。依据太原市紫外辐照强度及参考文献[14],将基质沥青放入紫外老化箱中经过56 w/m2紫外线,60 ℃老化7 d模拟得到太原市紫外辐照1年的紫外老化沥青。生物油再生老化沥青的制备:取400 g左右的紫外老化沥青放入不锈钢沥青提取器,加热至135 ℃,加入不同质量占比(0%、8%、10%、15%、20%)的生物油,然后以2 000 rmp速度高速剪切1 h。生物油再生老化沥青的基本技术指标如表1。Time-Sweep实验选用DSR设备在20 ℃,10 Hz,不同应力(0.05、0.10、0.15 MPa)、不同老化程度(短期老化和紫外老化)及不同生物油含量条件下进行。

表1 生物油再生老化沥青基本技术指标

1.3 生物油再生老化沥青Nf50疲劳寿命的判定方法

通常情况下,经验性指标Nf50疲劳寿命指标是指沥青复数模量降低至初始模量的50 %时的加载次数。通过同样的方法可评价生物油再生老化沥青的Nf50疲劳寿命指标。

1.4 生物油再生老化沥青Nfm疲劳寿命的判定方法

Nfm疲劳寿命判定方法相对复杂,是指耗散能变化率(RDEC)曲线在经过“平台区”后的明显拐点,拐点处横坐标即为Nfm疲劳寿命指标。

Ei=πεiσisin(δi)

(1)

(2)

(3)

1.5 生物油再生老化沥青NfG*疲劳寿命的判定方法

NfG*是指沥青复数模量变化曲线拐点所对应的循环加载次数,以此作为沥青疲劳寿命的评价指标。

2 结果与讨论

2.1 不同生物油含量对生物油再生老化沥青疲劳特性的影响

如图1(a),在短期老化沥青中添加不同含量的生物油,其疲劳特性参数Nf50显示随着生物油含量的增加,生物油再生老化沥青的疲劳特性参数Nf50呈现出先增加后减少的趋势;在0.05 MPa应力控制模式下,0%、8%、10%、15%、20%生物油再生老化沥青的疲劳曲线可分为2个阶段(平稳阶段和快速下降阶段),疲劳特性参数Nf50分别为15 205、52 231、61 202、74 258、67 315次。结果表明:当生物油含量≤15%时,其加入可提高老化沥青疲劳特性参数Nf50,改善老化沥青的疲劳寿命;当生物油含量超过15%时反而会恶化老化沥青的疲劳特性,降低老化沥青的疲劳特性参数Nf50,利用Nf50评价生物油再生老化沥青疲劳寿命时,生物油的最佳含量为15%;而且Nf50评价不同生物油含量再生老化沥青的疲劳寿命具有显著的辨识度。

如图1(b),沥青疲劳特性参数Nfm的耗散能变化率RDEC曲线在平台区域变形微弱,拐点处及后续曲线因生物油含量增加出现明显差异。0%,8%,10%,15%,20%生物油再生老化沥青的疲劳特性参数Nfm分别为19 715、56 782、58 650、69 250、64 218次;而且不同生物油含量再生老化沥青的疲劳特性参数Nfm相差较大。结果表明:利用Nfm评价生物油再生老化沥青疲劳寿命时,生物油的最佳含量为15%。

如图1(c),在0.05 MPa应力控制模式下,沥青疲劳特性参数NfG*随着生物油含量的变化也呈现递增趋势,变化幅度明显大于Nfm。0%,8%,10%,15%,20%生物油再生老化沥青的疲劳特性参数NfG*分别为22 505、61 526、69 204、78 512、84 250次,生物油的最佳掺量为20%。其中,虽然8%和10%生物油含量相差不大,但是其再生的老化沥青疲劳寿命却具有很好的辨识度(区分度),因此疲劳特性参数NfG*适用于区分生物油掺量差异性较小的生物油再生老化沥青的疲劳寿命。综合对比疲劳寿命特性参数发现,生物油再生老化沥青的疲劳寿命评价指标具有一致的排序性,即NfG*>Nfm>Nf50;生物油的最佳含量在15%～20%之间。

2.2 不同老化程度下生物油再生老化沥青的疲劳特性

为分析不同老化程度下生物油再生老化沥青的疲劳特性,选用短期老化沥青、紫外老化沥青作为标的物(生物油含量15%),研究其疲劳特性参数,结果如图2。

图2 生物油再生不同老化程度沥青的疲劳特性曲线

由图2(a)可知,生物油对短期老化沥青Nf50影响较小,对紫外老化沥青疲劳特性参数Nf50影响较大;生物油再生短期老化沥青Nf50大于生物油再生紫外老化沥青。结果表明:生物油对不同老化程度的沥青影响程度排序如下:未老化沥青<短期老化沥青<紫外老化沥青,生物油可显著提升紫外老化和短期老化沥青的疲劳寿命Nf50。

生物油对不同老化程度沥青的疲劳特性参数Nfm影响如图2(b),短期老化沥青、紫外老化沥青、生物油再生短期老化沥青及生物油再生紫外老化沥青的疲劳特性参数Nfm分别为18 520、14 210,59 680、56 782次。结果表明:生物油对紫外老化沥青疲劳寿命Nfm的影响最大,其次是短期老化,而且生物油对短期老化和紫外老化沥青的再生效果(耐久性的影响)都比较明显。

生物油对不同老化程度沥青的疲劳特性参数NfG*影响如图2(c),生物油再生未老化沥青、生物油再生短期老化沥青及生物油再生紫外老化沥青的疲劳特性参数NfG*分别为74 125、65 058、61 526次。由此可知,生物油对老化沥青疲劳特性参数NfG*的影响较大,而且对紫外老化沥青疲劳特性的影响最为显著。生物油对不同老化程度沥青疲劳特性的影响结果表明:不同测试条件下,生物油再生老化沥青的疲劳寿命评价指标具有一致的排序性,即NfG*>Nfm>Nf50,各指标中NfG*对再生沥青的疲劳性能评价区分度最大,Nf50最易得到。

2.3 不同应力水平对生物油再生老化沥青疲劳特性的影响

不同应力水平对生物油再生老化沥青疲劳特性的影响如图3(a),在选定的3个应力水平(0.05 0.10 ,0.15 MPa)下,随着循环加载次数的增加生物油再生短期老化沥青的疲劳特性参数Nf50快速降低,疲劳寿命(加载次数-复数模量)曲线分为两个阶段,不同应力水平下平稳阶段复数模量变化不大,快速下降阶段复数模量变化显著;同时,同一应力水平下,生物油再生紫外老化沥青的Nf50比生物油再生短期老化沥青的Nf50小,可能原因是紫外老化对沥青的影响程度较短期老化严重,导致即使通过生物油再生也无法使紫外老化沥青疲劳特性恢复的初始水平。随着应力水平的增加,生物油再生短期老化沥青的疲劳特性参数Nf50不断减少,2个应力水平下疲劳寿命参数Nf50之差不断增加。结果表明:应力会加速生物油再生老化沥青的疲劳破坏,特别是生物油再生紫外老化沥青的疲劳破坏。

图3 不同应力水平下生物油再生老化沥青疲劳特性曲线

如图3(b),不同的应力水平对生物油再生老化沥青疲劳特性参数Nfm影响较大,0.05、0.10、0.15 MPa应力作用下生物油再生短期老化沥青的疲劳特性参数Nfm分别为56 782、50 125、46 721次。结果表明:不同应力水平下疲劳特性参数Nf50和Nfm之差较大,用Nf50和Nfm评价不同应力水平下生物油再生老化沥青疲劳特性具有明显的辨识度。

2.4 生物油再生老化沥青的官能团变化

3 结 语

通过对不同生物油含量、不同老化程度及不同应力水平的生物油再生老化沥青疲劳寿命指数进行分析,得出主要结论:

不同测试条件下,生物油再生老化沥青的疲劳寿命评价指标具有一致的排序性,即NfG*>Nfm>Nf50;在生物油再生老化沥青体系中生物油的最佳含量在15%～20%之间。各指标中NfG*对再生沥青的疲劳性能评价区分度最大,Nf50最易得到。

生物油可降低老化沥青中亚砜基官能团的浓度,增加羰基官能团及低波数指纹区的浓度,促进老化沥青的再生,老化方式中仅紫外老化会对体系的亚砜基浓度产生明显影响。