植物废油对老化沥青流变性能影响规律研究

2019-09-02曹芯芯曹雪娟唐伯明李小龙

重庆交通大学学报(自然科学版) 2019年8期

曹芯芯，曹雪娟，唐伯明,，李小龙

(1. 重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074； 2. 重庆交通大学材料科学与工程学院，重庆 400074)

0 引言

回收沥青混合料(RAP)在新建路面中的应用具有较好的经济和环境效益。当RAP掺量在20%～50%之间时能够节约建设成本14%～34%[1]，还可以减少不可再生资源石料和沥青的开采，同时降低开采和运输中的能量消耗和污染排放[2]。在RAP掺量超过20%后路面的疲劳开裂和低温开裂等早期破坏逐步增加[3]，RAP中高黏度的老化沥青也会损害施工中的压实[4]。高掺量的再生混合料通常要使用再生剂，再生剂可以改善老化沥青性能以减少路面早期破坏[5]。再生剂种类主要有植物油和石油基提取油[6]，其中植物油以其可再生的优势近几年受到关注。

2012年H. ASLI等[7]通过单因素方差分析针入度、软化点、黏度与煎炸植物油掺量的关系，发现4%掺量的煎炸废油再生沥青与基质沥青性能没有明显差异；CHEN Meizhu等[8-9]采用煎炸废油再生老化沥青，研究表明煎炸大豆油显著改善了老化沥青疲劳性能和低温抗裂性能，但低温延度并未得到有效改善，高温性能也随着煎炸大豆油的增加而降低。

2016年张磊等[10]考察了9种植物油基与石油基再生剂对老化沥青低温抗裂性能的影响，表明再生剂可显著降低老化沥青玻璃化转变温度，增加再生沥青混合料断裂能；2017年张东等[11]评价了不同老化程度的大豆油对老化沥青流变性能的影响，研究表明老化程度越高的植物油具有更高的抗车辙性能。综上所述，植物油可以恢复老化沥青的针入度，改善老化沥青疲劳性能和低温抗裂性能，但高温抗车辙性能会降低，植物油在改性或进一步老化后可以改善其抗车辙性能。植物油提取脂肪酸后会产生约15%的副产物，命名该副产物为W-oil。W-oil是植物油酸化后高温蒸馏产生的副产物，其老化程度远大于植物油的煎炸过程，W-oil再生沥青抗车辙性能应好于煎炸废油。W-oil在我国产量大，目前主要的处理措施是燃烧，在燃烧过程中会产生刺鼻气味和温室气体污染环境，缺少一种环保的处理方式。

笔者的目的是考察W-oil对老化沥青的性能影响规律，分析W-oil作为沥青再生剂的应用潜力。这不仅提供一种处理W-oil较为环保的方法，还可以取代既有的不可再生的石油基沥青再生剂，促进可持续道路的发展。

1 材料与试验方法

1.1 材料

1.1.1 W-oil

W-oil从湖北某生物技术公司购买，其主要物理指标如表1。

表1 W-oil主要物理指标Table 1 The main physical properties of W-oil

1.1.2 沥青

1)基质沥青与老化沥青

基质沥青采用东海AH-70号沥青，老化沥青由AH-70沥青通过实验室模拟加速老化试验方法制备。具体试验方法参照JTGE20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》沥青旋转薄膜加热试验(RTFOT)和压力老化容器加速沥青老化试验(PAV)。基质沥青与老化沥青的技术指标如表2。

表2 基质沥青、老化沥青物理指标Table 2 Physical index of virgin and aged asphalt

2)W-oil再生沥青

分别将W-oil以5%、10%、15%和20%的掺量加入老化沥青，并命名为5%WRA、10%WRA、15%WRA和20%WRA。将老化沥青及W-oil混合物通过剪切机在135 ℃下以2 000转/min的速率剪切15 min，制备W-oil再生沥青。

1.2 测试方法

1.2.1 黏度测试(RV)

采用布氏旋转黏度仪，测试试样120、135、150、165、180 ℃下黏度。

1.2.2 多应力蠕变回复测试(MSCR)与温度扫描

沥青胶结料性能分级标准规范(AASHTO:M320—05)使用车辙因子(|G*|/sinδ)沥青高温性能指标。车辙因子可以很好的预测未改性沥青的高温性能，对于改性沥青的适用性尚存在争议[12]。MSCR试验可以反映改性沥青在较大应力下的非线性流变响应，不可回复蠕变柔量Jnr已被证实与改性沥青车辙性能具有较好的相关性[13]。沥青老化后物理与化学性质均发生较大变化，加入W-oil后的再生沥青与基质沥青存在差异。为了更准确的预测W-oil再生沥青的高温性能，选择MSCR实验的Jnr指标与温度扫描实验的车辙因子表征沥青高温性能，并分析两种指标之间的关系。

MSCR试验采用AR 2000型动态剪切流变仪(DSR)：0%WRA、5%WRA样品采用8 mm转子，转子平行板间隙设置为2 mm；基质沥青、10%WRA、15%WRA和20%WRA样品采用25 mm转子，转子平行板间隙设置为1 mm。样品试验温度60 ℃，加载频率10 rad/s。分别在0.1 kPa和3.2 kPa应力水平下加载，加载过程为先加载1 s后卸载回复9 s，每种应力水平下重复100次加载与回复过程。温度扫描实验温度范围为40～85 ℃，但主要考察与MSCR实验对应的60 ℃条件下的车辙因子，加载频率10 rad/s，升温间隔为5 ℃，每个温度稳定6 min后进行测试。

1.2.3 时间扫描测试(TS)

SHRP研究计划提出了与沥青车辙因子相类似的疲劳因子(|G*|×sinδ)，作为沥青抗疲劳性能的控制指标。但疲劳因子并不能表征材料的疲劳损伤特性和抵抗疲劳荷载的能力，且与沥青混合料疲劳性能的相关性差。时间扫描试验得到的沥青疲劳寿命可以很好反映其对应沥青混合料的抗疲劳性能[14]。目前广泛采用以复数剪切模量降低至50%的荷载作用次数Nf50作为沥青疲劳判定依据[15]。研究将对样品进行时间扫描试验，通过Nf50指标评价样品疲劳性能。

TS测试采用与MSCR测试相同仪器，老化沥青、5%WRA样品采用8 mm转子，转子平行板间隙设置为2 mm；基质沥青、10%WRA、15%WRA和20%WRA样品采用25 mm转子，转子平行板间隙设置为1 mm。所有样品均采用5%应变控制模式，加载频率为10 rad/s，试验温度20 ℃。

1.2.4 弯曲梁流变仪测试(BBR)

测试仪器型号为TE-BBR，实验方法参照JTGE20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》沥青弯曲蠕变劲度试验，通过蠕变劲度S和蠕变速率m指标评价样品低温抗裂性能。

2 结果与分析

2.1 施工和易性

为保证沥青混合料的使用性能，沥青胶结料黏度需要控制在一定范围内。沥青黏度过高会造成沥青拌合与压实困难，沥青黏度过低沥青混合料易离析。我国JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中推荐了沥青胶结料在压实与拌合过程中的最佳黏度分别为280 mPa·S和170 mPa·S。图1为不同W-oil掺量下的再生沥青与基质沥青在120～180 ℃的黏温曲线。根据图1可见，温度升高使得沥青黏度下降，因而控制沥青最佳拌合与压实黏度是通过控制温度实现的。施工温度越低，加热过程中需要更少能量，施工和易性也就越好。基质沥青老化后黏度升高，在推荐拌合与压实黏度下老化沥青拌合与压实温度分别为180 ℃和168 ℃，相比基质沥青温度拌合与压实温度均提高25 ℃左右，沥青老化降低了施工和易性。随着W-oil在老化沥青中掺量的增加，再生沥青黏度迅速降低，表明W-oil可以改善老化沥青施工和易性。在W-oil掺量为20%时，再生沥青与基质沥青具有相近的黏温曲线，表明老化沥青施工和易性恢复到未老化前水平需要加入20%W-oil。20%WRA与基质沥青的黏温曲线还可以看出，基质沥青黏度的变化对温度更敏感，这表明W-oil可以恢复老化沥青黏度，但感温性能不能恢复至基质沥青水平。

图1 基质沥青与再生沥青黏温曲线Fig. 1 The viscosity-temperature curve of virgin and rejuvenatedasphalt

图2为不同W-oil掺量下的再生沥青拌合与压实温度，并对掺量与施工温度进行了回归。根据图2可见，随着W-oil掺量的增加，拌合与压实温度不断降低，W-oil改善了老化沥青施工和易性。对拌合、压实温度与W-oil掺量回归后发现，老化沥青施工和易性的改善水平与W-oil掺量成正比，且相关性较高。

图2 不同W-oil掺量下的再生沥青拌合与压实温度Fig. 2 The mixing and compacting temperature of recycled asphaltwith different W-oil content

2.2 高温性能

2.2.1 基于不可回复蠕变柔量指标的高温性能评价

图3为样品在0.1 kPa和3.2 kPa两种应力作用下的累积应变曲线，由图3可见，老化沥青累计变形最小，基质沥青累积变形远大于老化沥青，老化作用提高了沥青抗变形能力；加入W-oil增加老化沥青累积变形，且W-oil掺量越高抗变形能力越低；沥青老化后变形恢复能力增加，而加入W-oil降低了老化沥青变形恢复能力。在W-oil掺量15%时，0.1 kPa应力作用下基质沥青与15%WRA有相近的累积变形曲线，再生沥青抗变形能力与基质沥青相近。在W-oil掺量15%时，3.2 kPa应力作用下，基质沥青与15%WRA累积变形曲线有一定差异，表明不同应力水平下累计变形趋势也存在差异。

图3 基质沥青与再生沥青MSCR实验曲线Fig. 3 MSCR curve of virgin and rejuvenated asphalt

不可回复蠕变柔量Jnr可以较好地表征沥青的高温性能，Jnr越大高温性能越差，Jnr越小高温性能越好。图4为不同应力下再生沥青不可恢复蠕变柔量与W-oil掺量的回归曲线，由图4可见，老化沥青的Jnr远小于基质沥青，沥青老化使得沥青高温性能增强。W-oil掺量越高，再生沥青Jnr越大，W-oil降低了沥青高温性能。不同应力下计算的试样Jnr存在差异，但未发现较为明显的规律。

图4 不同W-oil掺量下再生沥青不可回复蠕变柔量Fig. 4 Non-recoverable creep compliance of recycled asphalt withdifferent W-oil content

2.2.2 基于车辙因子指标的高温性能评价

表3为基质沥青、老化沥青和不同W-oil掺量下的再生沥青在60 ℃时的车辙因子，沥青老化后车辙因子显著增加。在老化沥青中加入W-oil后，车辙因子降低。在W-oil掺量约13.8%时，再生沥青车辙因子恢复至基质沥青水平。

为了进一步分析车辙因子和不可回复蠕变柔量对W-oil再生老化沥青高温性能评价的相关性，研究对60 ℃下车辙因子与不可回复蠕变柔量进行回归，回归曲线与可决系数R-sqare见图5。不同应力下的不可回复蠕变柔量与车辙因子的可决系数均达到0.99，表明对于W-oil再生沥青MSCR和车辙因子两种高温性能的评价方法都是适用的。

图5 不同W-oil掺量下再生沥青不可回复蠕变柔量Fig. 5 Non-recoverable creep compliance of recycled asphalt withdifferent W-oil content

2.3 疲劳性能

图6为荷载作用次数对不同W-oil掺量再生沥青和基质沥青复数模量的影响。由图6可见，随着荷载作用次数的增加，沥青复数模量不断降低，表明荷载对沥青结构强度具有破坏作用。W-oil掺量越高，再生沥青初始模量越低，且复数模量下降趋势更加缓慢，表明W-oil改善了老化沥青的疲劳性能。基质沥青与10%WRA的模量变化曲线相近，W-oil掺量10%时可恢复老化沥青疲劳性能至基质沥青水平。但是，沥青胶结料性能不仅要考虑抗疲劳性能，还要保证高温性能即初始模量不能太低。因此，W-oil应控制最佳掺量以保证沥青的高温和疲劳性能。

图7为再生沥青疲劳寿命Nf50与W-oil掺量的回归曲线。由图7可见，随着W-oil掺量的增加，再生沥青疲劳寿命逐渐改善，且再生沥青疲劳寿命随掺量呈指数增加。

图6 复数模量在荷载作用下变化趋势Fig. 6 Change trend of complex modulus under loading

图7 不同W-oil掺量下的再生沥青疲劳寿命Fig. 7 Fatigue life of recycled asphalt with different W-oil content

2.4 低温性能

基质沥青与再生沥青在-12 ℃时蠕变劲度S和蠕变速率m如图8。沥青老化后蠕变劲度显著升高，蠕变速率显著下降，表明老化使得沥青硬化，低温下更易开裂。随着W-oil的加入，老化沥青蠕变劲度下降，蠕变速率升高，表明W-oil改善了老化沥青的低温抗裂性能，且W-oil掺量越高对老化沥青抗裂性的改善效果越好。在W-oil掺量为20%时，再生沥青试样因为太软，超过仪器量程，未能完成测试，图中S与m值分别定为0和1。在W-oil掺量8%、13%左右时再生沥青S、m分别恢复至基质沥青水平，表明W-oil对老化沥青的蠕变劲度影响大于蠕变速率。

图8 不同W-oil掺量下再生沥青的蠕变劲度与蠕变速率Fig. 8 Creep stiffness and creep rate of recycled asphalt with differentW-oil content

2.5 确定W-oil最佳掺量

黏度、多应力重复蠕变回复、时间扫描和弯曲梁流变测试分别表征了沥青的施工和易性、高温稳定性、疲劳性能和低温开裂性能。W-oil对再生沥青施工和易性、疲劳性能和低温开裂性能均有改善作用，且掺量越高改善作用越明显。W-oil对再生沥青的高温稳定性是不利的，W-oil掺量越高对再生沥青高温性能损害越严重。因此为了保证再生沥青具有较为均衡的路用性能，W-oil以Jnr恢复至基质沥青水平时的掺量为最佳掺量，分别计算3.2 kPa和0.1 kPa的Jnr恢复至基质沥青水平掺量为13.0%和13.7%，取平均值13.4作为W-oil最佳掺量。

图9为基质与13.4%W-oil再生沥青各项性能指标归一化图，基质沥青的各项指标值为1。如图9，以高温稳定性恢复至基质沥青水平确定了W-oil最佳掺量13.4%，该掺量下，再生沥青施工和易性略差于基质沥青，需进一步改善。再生沥青疲劳寿命优于基质沥青约33%。再生沥青m值与基质沥青相近，S值比基质沥青低47%，低温性能优于基质沥青。综上所述，W-oil在13.4%掺量下可以较好的改善老化沥青流变性质，施工和易性略低于基质沥青，高温性能与基质沥青相近，疲劳寿命和低温抗裂性能均优于基质沥青，W-oil作为沥青再生剂使用是非常有潜力的。