利用生物废油改性沥青及其低温路用性能研究

卢　强

(重庆工程职业技术学院， 重庆　400074)



利用生物废油改性沥青及其低温路用性能研究

卢强

(重庆工程职业技术学院， 重庆400074)

[摘要]为提高沥青的低温性能且降低改性沥青的成本，采用经济环保的生物废油改性沥青技术。同时采用弯曲梁流变(BBR)试验和单边缺口梁(SENB)试验试验评估了油对沥青低温性能的影响。结果表明，当添加生物基和精炼废油后，沥青劲度降低，m值提高，沥青的断裂能增加，表明生物基和精炼废油提高了沥青的低温性能。此外，沥青混合料的约束试件温度应力试验(TSRST)结果表明，与基质沥青混合料相比，油改性沥青混合料的冻断温度更低，这进一步验证了所选用的油可以提高沥青低温性能。

[关键词]沥青； 油改性剂； 低温性能； 单边缺口梁试验； 约束试件温度应力试验

1概述

为了提高沥青路面的承载能力，减少由于极端气候条件、交通荷载和气候变化引起的沥青路面损伤，越来越多的研究者更加关注于提高沥青和沥青混合料的性能。为了满足沥青路用性能的要求，道路工作者进行了大量的工作，包括研究聚合物外加剂、橡胶粉和一些其他外加剂对胶结料的影响[1-3]。由于聚合物改性沥青及其混合料具有良好的路用性能，因而受到广泛使用。目前使用的大多数沥青改性剂能够显著提高沥青高温抗变形能力，但较少能够提高低温下的柔韧性。

低温引起的沥青路面开裂在寒冷气候地区是一个严重的问题。因此，提高胶结料低温断裂和劲度特性值得重点关注。众所周知，沥青分子结构可以分为油分、树脂和沥青质[4]，一些研究者也将沥青视为极性和非极性分子的混合物[5]。沥青质在沥青中的主要贡献为提高沥青抗变形能力；流动特性主要由油状分子贡献，且通常认为沥青具有较好的流动特性对于低温性能是有利的。因此，增加沥青中油分是提高胶结料低温特性一个可行的方法。

相关研究表明，油可以作为一种沥青改性剂。Villanueva等人[6]研究了润滑油对沥青低温性能的影响，通过弯曲梁流变(BBR)试验得到的m值发现改性沥青的低温等级并没有显著得到提高；Yousefi等人[7]研究了添加废轮胎回转窑热解油后聚合物改性沥青的特性，发现采用真空热裂解获得的10%热解油(H18)改性沥青具有良好的低温特性；Seidel等人[8]研究了大豆脂肪酸对胶结料流变特性的影响，且认为大豆脂肪酸有可能作为难以拌合结合料的助熔剂。Xiaoyang[9]评估了含有废机油残留物沥青胶结料的工程特性，发现废机油含量达5%时，显著改变了沥青胶结料的红外光谱和流变特性，从而导致了沥青低温性能的改善。Simon等人[10]通过沥青XRF光谱研究了废机油，且研究了废机油对沥青路面现场开裂的影响。他们认为废机油残留物可能引起物理硬化和容许应变的减少。邓坤耀[11]研究认为，采用地沟油用于沥青改性具有一定的可行性。

从以上文献综述可以看出，较少的论文讨论了油对沥青的影响，且大多数学者仅对部分种类的油进行了研究。随着越来越多的新油填充剂和改性剂引入，有必要研究三种新油改性剂或填充剂对沥青短期和长期性能的影响。本文将研究一些不同类别的油对胶结料低温特性的影响。

2材料和试验

2.1使用的材料

本研究中基质沥青为新疆地区常使用的克拉玛依产道路石油沥青(KLMY)，SHRP性能分级为PG 64-22。使用6种油作为改性剂，包括生物油、石油基油和精炼废油，详细的信息如表1所示。石蜡油1和石蜡油2区别在他们的化学成分比例不同。

表1 研究中使用的油改性Table1 Oilmodificationusedinthisstudy类别改性剂名称代码生物油木植物液体BO-1BO-2石油基油石蜡油1PP-1石蜡油2PP-2精炼废油芳香油PR-3废油RW

2.2胶结料制备

2.2.1拌合方法

为了研究油对沥青性能的影响，且使得油改性剂与沥青很好地混合，本研究中使用高速剪切拌合机将油改性剂与沥青进行混合。本研究中的高速剪切拌合机速度恒定在500 r/min左右。混合时间和温度分别控制在30 min和150±5 ℃。

2.2.2老化水平

目前沥青胶结料规范在沥青寿命中考虑3个阶段： ①未老化，其代表与集料拌合前沥青储存在罐中的状态； ②短期老化，代表拌合及压实过程中发生的状态；和③长期老化，代表用于现场经过多年现场服役后的状态。本研究中，根据ASTM D2872和AASHTO T240进行旋转薄膜烘箱(RTFO)试验以模拟短期老化，根据ASTM D6521和AASHTO R28进行压力老化箱(PAV)以模拟长期老化。

2.3性能测试

2.3.1基于弯曲梁流变仪(BBR)进行低温蠕变试验

根据ASTM D6648和AASHTO T313使用弯曲梁流变仪(BBR)测量了基质沥青和油改性沥青试样的低温流变特性以评估油改性沥青的低温特性。考虑到覆盖较宽的低温范围，选择在-12，-18，-24 ℃的温度下进行试验，且尝试控制测试温度在玻璃化转变温度(Tg)上下。

2.3.2基于单边缺口梁(SENB)进行低温断裂试验

目前沥青低温抗开裂评估方法(如BBR试验)很大程度上是基于小应变条件下的线粘弹力学来描述沥青的低温力学行为，很难使用这些方法全面描述沥青材料低温脆性状态下的开裂特性。为了更好地评估沥青材料的低温抗开裂性能，应当采用基于断裂力学的沥青试验。Hoare，Hesp，Chailleux，Mouillet and Bahia[12]采用单边缺口梁(SENB)试验评估了沥青的断裂特性，发现SENB试验可以有效地区分不同沥青的低温抗开裂性能，且与现场道路的性能具有良好的相关性。

本文中，在-12 ℃下采用SENB试验评估所有胶结料低温断裂特性。本文中使用的SENB试验设备与BBR设备相似，他们之间的差异在于SENB设备采用步进马达以位移作为控制参数，且另BBR采用荷载传感器以荷载作为参数控制。SENB试验荷载速率为0.01 mm/s且记录位移和荷载随时间的变化，采集速率为8 Hz。单边缺口梁(SENB)试验的示意图如图1所示。

图1　单边缺口梁(SENB)的示意图Figure 1　Schematic diagram of single edge notched beam(SENB)

通过该试验可以计算断裂荷载，断裂变形，断裂韧度(KIc)和断裂能(Gf)。KIc参数说明断裂模式为I型张开断裂，其中由于弯曲变形的开裂变形发生在拉伸模式中，可以采用下式计算：

(1)

(2)

通过计算整个荷载-变形曲线下的面积得到的断裂总功除以韧带的面积得到断裂能，如下所示：

(3)

式中：Wf=∫pdu；Alig为韧带的面积。

2.3.3沥青混合料的约束试件温度应力试验

(TSRST)

油改性沥青混合料的低温性能采用改进的TSRST试验进行评估，该试验已经证明是评估沥青混合料性能的最有效的方法之一[13]。本研究中，试样根据Superpave旋转压实仪(SGC)制备，使用石工行业的切割机，将17 cm旋转压实试样切割为5×5 cm横截面和15 cm长棱柱梁。然后将试样放置于30 ℃温控柜中，其后，在30 ℃下进行TSRST试验，冷却速率为1 ℃/min。通过TSRST可以得到四个参数：冻断温度、断裂强度、转变温度和斜率。本研究中，使用冻断温度评估沥青混合料的低温性能。

3结果和讨论

为了更好地比较不同油对沥青低温性能影响之间的差异，通过实验确定油含量以使得每个油改性沥青具有相同的高温等级。当满足以上条件的油含量如表2所示。

3.1油对沥青低温流变特性的影响

3.1.1油对劲度和m值的影响

表2 基质沥青的油含量Table2 Oilcontent%ofbasebinder沥青类别改性剂类别基质沥青的油含量/%高温(未老化)|G|/sinδ/kPaCLMYPG64-22VA01.48PP-171.03PP-2101.11PR-3111.19BO-161.15BO-271.09RW51.15 注:VA表示未添加任何改性剂的基质沥青。

沥青的流变特性采用弯曲梁流变仪(BBR)试验来表征。胶结料RTFO老化后采用PAV老化。试样在-12，-18，-24 ℃下进行测试，劲度和m值结果如图2所示。根据ASTM D7643-10计算每个胶结料的连续分级温度，以更好地评估油对胶结料低温特性的影响。

图2　沥青的劲度值和m值Figure 2　The stiffness and m-value of asphalt

如图2所示，添加油以后，沥青的劲度显著降低且m值增加。较小的劲度意味着当温度变化时，沥青中的温度应力水平较低，可减小沥青路面开裂的风险。较高的m值意味着更好地松弛能力。当沥青中存在温度应力时，由于油改性沥青与基质沥青相比具有更好地松弛能力，在温度骤变的情况下，开裂的风险也较小。也可以看出，10%PP-2和5%RW油改性沥青的劲度和m值具有最佳的低温性能排序。为了进一步研究油对沥青低温性能的影响，计算了连续分级温度，如图3所示。连续分级温度越低，低温性能越好。从图3可以看出：油可以显著降低连分级温度，最大温度降低达到9 ℃。这意味着油可以显著提高沥青的低温性能。

图3　连续分级温度Figure 3　The continuous grading temperatures

3.1.2油对劲度主曲线的影响

为了研究劲度在较宽时间区域内变化趋势，根据时间-温度叠加原理(TTSP)生成了胶结料的劲度主曲线，且参考温度设为-18 ℃。结果如图4所示。

图4　主曲线的劲度Figure 4　The stiffness of master curve

如图4所示，添加油以后，胶结料的劲度显著降低，且与基质沥青相比，所有劲度随着时间降低的速率增加。这导致油改性胶结料的温度应力水平比基质沥青更低，当温度降低，且随着时间增加，油改性沥青较高的劲度降低速率，在相同时间内与基质沥青相比将会松弛更多的应力。因此添加油后，胶结料的低温性能能够得到改善。

3.2油对沥青低温断裂特性的影响

采用SENB试验评估沥青的低温断裂性能。SENB试验的结果见图5。

图5　从SEN试验中获得的力-变形关系曲线Figure 5　The force-deflection curve of asphalt obtained from SEN

图5表明：添加油降低了沥青的劲度模量和显著增加其低温下的变形能力，而这有利于沥青路面减少温度开裂。此外，从图5也可以得出：油改性剂通过提高沥青在低温条件下的延性来提高沥青的低温抗开裂能力。根据断裂能对沥青的低温性能进行排序，从好到差的顺序为：5%RW改性沥青>7%BO-2改性沥青>10%PP-2改性沥青>7%PP-1改性沥青>11%PR-3改性沥青>6%BO-1%改性沥青>基质沥青。

3.3沥青混合料的低温性能

为了研究油改性对沥青混合料低温性能的影响，3种油改性沥青(7% PP-1，6% BO-1和5% RW)和基质沥青用于制备沥青混合料。集料为花岗岩，集料的级配如表3所示。

表3 集料的级配Table3 Gradationofaggregate筛孔/mm通过率/%筛孔/mm通过率/%25100.01.1818.71999.70.612.913.278.90.37.89.564.50.154.94.7541.10.0753.22.3627.4

拌合温度为155 ℃，对所有的沥青混合料沥青用量为5.5%。采用Superpave旋转压实仪制备试样，试样的压实温度为145 ℃。试样的孔隙率控制在4±0.5%。沥青混合料的制备过程参考AASHTO T312和AASHTO R30规范。约束试件温度应力试验(TSRST)结果如图6所示。从图6可以看出，与基质沥青相比，油改性沥青混合料的冻断温度更低。与基质沥青相比，油改性沥青混合料冻断温度最小的增加百分比约为15%，最大的增加百分比为50%。如图6所示，RW油比其他的更能显著提高

沥青混合料的低温性能。这也表明，油改性沥青混合料与基质沥青混合料相比表现出更佳的低温性能，这与上述讨论的油对沥青低温性能的影响的结果相似。

图6　沥青混合料的冻断温度Figure 6　The fracture temperature of asphalt mixture

4结论

① 从BBR试验结果看出，添加油之后沥青的劲度显著降低且m值增加。油改性沥青的劲度主曲线位于基质沥青的下方，且劲度随着时间降低速率与基质沥青相比更高，这意味着油能够通过降低劲度和增加松弛速率显著提高沥青的低温性能，从而减少了沥青混合料开裂的可能。

② SENB试验结果表明，添加油可以显著增加沥青的断裂能，最大增加幅度约是基质沥青的三倍还多。这意味着某些油能够显著提高沥青低温抗开裂能力。

③ TSRST表明，油改性沥青混合料的冻断温度比基质沥青混合料更低。这意味着油改性沥青混合料与基质沥青混合料相比表现出更好的低温性能，这结果与油对沥青低温性能的影响的结果相同。

④ 油可以显著提高沥青的低温性能，但是其对高温性能产生不利的影响。因此接下来将进一步研究如何平衡油改性沥青的高温和低温性能，例如采用与聚合物进行复合改性。

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Study of Using Waste Oil Modified Asphalt to Enhance the Low Temperature of Asphalt

LU Qiang

(Chongqing Engineering Professional Technology Institute， Chongqing 400074， China)

[Abstract]To investigate the oil effect on the low temperature performance of asphalt，different oils，including bio-based and refined waste oil are used in this study，and Bending Beam Rheometer(BBR)test and Single Edge Notched Beam(SENB)test are employed to evaluate the effect of oil on low temperature performance of asphalt.It is found that the stiffness of asphalt decreased，m-value of asphalt increased，the fracture energy of asphalt increased after adding these oils.This means that these oils can improve the low temperature performance of asphalt.And in addition，Thermal Stress Restrained Specimen Test(TSRST)of asphalt mixture is used to verify the conclusion.The TSRST results show that the fracture temperature of oil modified asphalt mixture is much lower than neat asphalt mixture，which proves the conclusions of the advantages of oils used.

[Key words]asphalt； oil modifier； low temperature performance； single edge notched beam(SENB)test； thermal stress restrained specimen test(TSRST)

[收稿日期]2015-11-06

[基金项目]国家自然科学基金(51478211)

[作者简介]卢强(1982-)，男，四川营山人，讲师，研究方向为工程结构和工程施工。

[中图分类号]U 414.1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0074-04