植物油再生沥青流变特性及机理分析

李永琴,梁春雨,高学凯

(1.山西工程科技职业大学,山西 晋中 030619;2.吉林大学 交通学院,长春 130015;3.黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室,太原 030032)

沥青路面热再生可以有效利用废弃的沥青混合料回收料(RAP),减少路面建养投资并恢复原路面使用性能,具有显著的经济与社会效益[1-3]。热再生技术实施的关键之一在于再生剂对RAP中老化沥青的还原效果,这也是目前研究的前沿与热点。

根据现有研究结果,再生剂种类丰富多样,但再生效果参差不齐。传统的再生剂多以石化油为主要成分,其与老化沥青相容性较好,但在沥青老化程度较高或RAP掺量较大时再生效果无法满足使用要求,且其造价较高导致再生路面经济效益不明显[4-5]。近年来,研究发现植物油富含不饱和酸,可以补充老化沥青所缺失的轻质组分,而得到了道路工作者的青睐。目前,研究者已先后研制出大豆油、腰果壳油、菜籽油等植物油再生剂[6-10]。研究显示,不同的植物油再生剂对沥青低温性能、疲劳性能及抗老化性能的恢复效果差异显著,且不同种类植物油对老化沥青的再生机理尚未明确,植物油再生剂在沥青路面再生利用过程中具有广阔的发展空间,以植物油作为主要成分制备再生剂仍需要深入探索。

本研究将废弃的棕榈油进行过滤与脱水处理,并掺入增塑剂与抗老化剂制备了一种新型植物油再生剂。采用动态剪切流变实验(DSR)及小梁弯曲流变实验(BBR),分析了该植物油再生剂在不同掺量、实验温度及加载频率下沥青的路用性能及黏弹行为。同时,进一步采用傅里叶红外光谱实验(FTIR)揭示了该植物油再生剂对老化沥青的再生机理。最后,通过再生沥青混合料综合路用性能实验,验证了该植物油再生剂在工程实践的可行性。本文研究方法与结果可为植物油再生剂的科学评价与推广应用提供一定的理论基础。

1 实 验

1.1 原材料

1.1.1 老化沥青

本研究以山西某高速公路维修养护路段为依托,采用阿布森法从路面铣刨回收料中抽提得到老化沥青,按照再生规范JTG T 5521—2019对其技术指标进行测试,结果列于表1。

表1 RAP技术指标

1.1.2 再生剂

本研究将废弃的棕榈油进行过滤与脱水处理后加热至100 ℃,匀速搅拌并添加一定比例的增塑剂与抗老化剂,在保温状态下搅拌30 min至形成均匀液体,即得到一种新型植物油再生剂。按照再生规范JTG T 5521—2019测试其技术指标如表2所示。

表2 再生剂技术指标

1.2 实验方法

再生剂黏度和掺量对老化沥青流变性能影响显著,由表2可知本文研制的再生剂粘度较低,属于RA-1类型,参考已有相关再生剂的研究成果[11],本文以0%、9%、12%和15%的再生剂掺量(RAP中沥青质量分数)制备植物油再生沥青,分别记为AA、RA_9%、RA_12%和RA_15%。分别采用动态剪切流变实验(DSR)、弯曲梁流变实验(BBR)和傅里叶红外光谱实验(FTIR)对再生沥青进行研究。

1.2.1 DSR实验

采用动态剪切流变仪DHR-1对购置的传统石化油(记为RB)及本文制备的植物油再生沥青分别进行温度扫描实验与频率扫描实验,其中温度扫描实验条件为:实验温度46～82 ℃(间隔6 ℃),扫描频率10 Hz/s;频率扫描实验条件为:实验温度40～70 ℃(间隔10 ℃),频率扫描范围0.1～100 rad/s。

1.2.2 BBR实验

采用弯曲梁流变仪TE-BBR对购置的传统石化油及本文研制的植物油再生沥青进行弯曲蠕变实验,其实验条件为:实验温度-12～-24 ℃(间隔-6 ℃),980 mN加载240 s,卸载10 s。实验过程中由配套计算机采集沥青跨中挠度,经计算得到不同时刻沥青劲度模量(S)与蠕变速率变化率(m)。

1.2.3 FTIR实验

为进一步分析本文研制的植物油再生剂对老化沥青的再生机理,采用傅里叶红外光谱仪Nicolet iS5对再生沥青的光信号进行处理得到沥青红外吸收光谱图,并对比再生前后沥青官能团及透光率的差异。

1.2.4 混合料路用性能实验

为验证该植物油再生剂工程应用的可行性,以拟定的再生剂掺量制备再生沥青混合料,采用沥青混合料60 ℃车辙实验、-10 ℃小梁弯曲实验、浸水马歇尔实验及冻融劈裂实验综合评价再生混合料的路用性能。

2 结果与分析

2.1 再生沥青PG分级

美国SHRP研究计划采用G*/sinδ评价沥青高温等级,并要求G*/sinδ不小于1.0 kPa。DSR温度扫描实验结果经处理得到如图1所示的再生沥青车辙因子G*/sinδ。从图1可以看出:再生沥青车辙因子随着再生剂掺量增加而降低;当再生剂掺量为9%～15%时,传统石化油与植物油再生沥青高温等级分别为PG76～PG70、PG70～PG64,石化油再生沥青高温性能要强于该植物油再生沥青。

图1 再生沥青高温分级

由BBR实验得到不同温度下再生沥青劲度模量(S)和蠕变速率变化率(m),如图2所示。SHRP计划在划分沥青低温等级时要求其在60 s时S小于300 MPa且m大于0.3[12]。从图2可以看出,再生沥青劲度模量S随着再生剂掺量的增加而降低,而再生沥青蠕变速率m的变化率随着再生剂掺量的增加而增加,这表明再生剂的掺入降低了沥青黏度,增强了其延展性。根据SHRP低温等级要求,当再生剂掺量为9%～15%时,植物油再生沥青低温等级均为PG-28,而石化油再生沥青的低温等级为PG-22～PG-28,该植物油再生剂对老化沥青低温性能的改善显著优于石化油再生剂。

图2 再生沥青低温等级

综上所述,与传统石化油再生剂相比,该植物油再生剂拥有更优异的低温抗裂恢复性能,这正是老化沥青的薄弱环节,虽然其高温抗车辙能力稍差,但仍然优于一般的改性沥青。沥青作为一种黏弹性材料,其性能等级的变化主要与其内在黏弹比例的改变有关。因此,下文将结合再生沥青实验结果与本构模型对其在高低温过程中的黏弹性作进一步分析。

2.2 再生沥青黏弹特性

2.2.1 基于CA模型的再生沥青中高温黏弹分析

在不同温度条件下对再生沥青进行频率扫描实验,得到复数模量和相位角如图3所示。

图3 频率扫描实验结果

从图3可以看出,再生沥青复数模量和相位角具有温度、频率依赖性。基于时-温等效原理和CA函数[13-14]可以将不同温度下再生沥青力学响应进行平移,得到再生沥青动态模量与相位角主曲线,进而分析其在宽频范围内的黏弹特性,CA函数的表达式为:

|G*|=Gg[1+(ωc/ω′)(log2)/R]-R/(log2)

(1)

δ=90/[1+(ωc/ω′)(log2)/R]

(2)

式中:|G*|为复数模量;Gg为玻璃剪切模量;ω′为缩减频率;ωc为转换频率;R为流变参数;δ为相位角。

(3)

式中:ω为实际加载频率;ΦT为位移因子。

位移因子的确定采用WLF方程,表达式为

(4)

式中:T为实际加载温度;T0为主曲线参考温度;D1和D2为拟合参数。

以50 ℃作为参考温度,不同温度及再生剂掺量下沥青的位移因子如表3所示。

表3 再生沥青位移因子

位移因子的大小可以表征沥青对温度的敏感性。位移因子越大,沥青对温度越敏感。由表3可以看出,在相同温度下,沥青位移因子随着再生剂含量的增加呈现递减趋势。这意味着植物油再生剂的加入降低了老化沥青的温度敏感性,有利于提高沥青的耐久性。

以50 ℃为基准温度,采用表3中的位移因子将沥青在其他温度下的动态模量及相位角平移,得到再生沥青复数模量和相位角主曲线如图4所示。

图4 再生沥青主曲线

从图4可以看出,随着频率的增加,沥青的复数模量增加而相位角减小,高频与低温具有一致性,沥青的弹性性质占据主导地位。随着再生剂含量的增加,沥青的复数模量降低而相位角增大,由表2可知,该再生剂芳香分和饱和分总含量达77.3%,正是由于该再生剂补充了老化沥青的轻质油分,因而增加了沥青中的粘性比例。

2.2.2 基于Burgers模型的再生沥青低温黏弹分析

上述BBR实验实质上反映了沥青的蠕变行为。结合Burgers模型和拉普拉斯变换,可以得到沥青在BBR实验过程中劲度模量S(t)的表达式,见式(5)[15],各实验条件下拟合结果所得黏弹参数如表4所示。

表4 Burgers模型拟合参数

(5)

式中:S(t)为沥青劲度模量;t为加载时间;E1和E2为弹性模量;η1和η2为黏性系数。

从表4可以看出:随着温度降低,E1、E2、η1、η2均呈现增大趋势,沥青劲度模量增加,抗变形能力增强;随着再生剂掺量增加,E1、E2、η1、η2均逐渐减小,沥青劲度模量减小,更容易产生流动变形而释放内部应力,这有助于提高沥青的低温抗裂性。由于弹性模量系数与黏性系数随温度、再生剂掺量均呈相同的变化趋势,无法表现其内在黏弹比例变化,因此,选用松弛时间(λ)与延迟时间(τ)来表征沥青在低温蠕变过程中的黏弹行为,松弛时间越长而延迟时间越短,沥青行为以弹性为主;松弛时间越短而延迟时间越长,沥青行为以黏性为主[16],两者的表达式为[17]:

(6)

(7)

通过计算得到再生沥青的松弛时间(λ)与延迟时间(τ),结果如图5所示。

图5 再生沥青松弛时间与延迟时间

不难看出,再生沥青松弛时间随温度的降低而升高,随再生剂掺量的增加而减少;再生沥青延迟时间随温度的降低而降低,随再生剂掺量的增加而增加。这表明,再生剂与高温条件对沥青的黏弹性影响具有相似作用,即掺入再生剂使得老化沥青由弹性向粘性逐渐转变,这对恢复沥青的低温抗裂性能是极为有利的。

2.3 植物油再生沥青再生机理分析

图6 FTIR实验结果

2.4 再生混合料路用性能

根据上述研究,当再生剂掺量为12%时,再生沥青等级为PG64-28,能够满足我国大部分区域的气候要求。故综合考虑再生沥青高低温性能及经济性,本文以12%再生剂掺量(RAP中沥青质量分数)制备沥青混合料并进行路用性能实验,结果如表5所示。

表5 再生混合料路用性能

从表5可以看出,该植物油再生混合料动稳定度较原沥青混合料降低了约23.8%,但仍然达到7 530次/mm,完全满足重载交通等级的抗车辙性能要求。同时,可以观察到,该再生剂最大的优势在于显著提升了沥青混合料的低温抗裂性能与水稳定性能,具体表现为破坏弯拉应变、残留稳定度及冻融劈裂强度比分别增加了约60.0%、14.6%、11.6%,这与再生沥青的性能实验相吻合,再次验证了该再生剂在恢复沥青流变性的突出优势。

3 结 论

1)随着再生剂掺量的增加,沥青高温性能减弱而低温抗裂性提升,建议根据再生混合料应用层位、交通荷载、气候条件等因素,综合考虑混合料性能需求,确定适宜的再生剂掺量。

2)采用CA函数可以构建再生沥青在宽频范围的复数模量与相位角主曲线。随着再生剂含量的增加,沥青的复数模量降低而相位角增大,沥青的位移因子随之呈递减趋势,再生剂的掺入改善了沥青的感温性。

3)利用Burgers模型可以仿真分析再生沥青低温粘弹性质变化。随着再生剂含量的增加,沥青的松弛时间缩短而延迟时间延长,再生剂的掺入提高了沥青的黏性比例,这主要与再生剂富含芳香分与饱和分有关。

4)该植物油再生剂与老化沥青混合未发生化学反应,主要通过调节组分比例恢复老化沥青的流变性能,且再生沥青混合料具有良好的高温抗车辙、低温抗开裂及抗水损坏能力,工程应用前景广阔。