废机油底渣再生剂对老化沥青低温性能影响

李汝凯， 丁海波， 孙 潜

(1.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074； 2.西南交通大学 土木工程学院， 四川 成都 610031)

使用回收沥青路面材料(RAP)来铺筑新沥青路面具有显著的经济与环境效益，可降低建设成本和节约自然资源，既能充分利用废旧RAP料，还能减少环境污染.近年来，提高沥青混合料中RAP掺量已成为沥青再生技术研究的重点[1].当前RAP掺量较低的主要原因是随着RAP比例的增加，再生沥青混合料中所含的老化沥青同样增加，而高RAP掺量下的再生沥青混合料对疲劳、低温开裂非常敏感.使用再生剂是提高RAP掺量的重要途径之一，因此针对各种低成本沥青再生剂(废食用油、热解废轮胎油、葵花籽油等)的报道屡见不鲜[2-5].其中，将废润滑油再炼得到的废机油底渣由于价格低廉、来源广泛，且可起到资源再利用效果等原因，在国内外都有一定的研究与应用，相关论文及专利配方中均声称废机油底渣具有良好的再生效果[6-12].然而，加拿大安大略省北部近期对开裂严重的路面进行调查后发现，该路段检测到了大量废机油底渣中才含有的锌和钼等重金属，且通过与其他相近交通量、地理位置及不同改性技术的相同沥青胶结料等级的比较得出，采用废机油底渣是造成路面早期开裂的重要原因，因此安大略省已禁止使用废机油底渣[13]作为沥青再生剂.Hesp等[14]研究指出，废机油底渣可能含有大量汽车发动机磨耗金属，而这些金属可能作为催化剂加速了沥青的硬化及老化.另外，常规经验测试方法和Superpave胶结料性能表征方法存在诸多不足[15]，如现场沥青胶结料的破坏均在大应变的非线性范围内，但在Superpave沥青胶结料规范中，沥青的流变特性均要求在小应变线弹性范围内进行测试，致使两者存在差异，而这一差异有可能导致劣质沥青再生剂的使用.因此，有必要采用新方法来评估将再炼机油底渣作为再生剂时对老化沥青性能的影响，避免使用劣质再生剂对沥青路面耐久性产生不利影响.

鉴于此，本研究采用双边缺口拉伸(DENT)试验、扩展弯曲梁流变(Ex-BBR)试验、原子力显微镜(AFM)[16-17]，研究评估了废机油底渣作为沥青再生剂时对老化沥青胶结料低温性能的影响.

1 原材料及技术指标

1.1 废机油底渣(WEOB)

本文使用的废机油底渣为某润滑油公司将废机油依次通过真空蒸馏和常压蒸馏后回收得到的不能再次蒸馏的残渣，该残渣不含自由水，常温下为黑色黏稠液体，其物理化学特性如表1所示.

表1 废机油底渣的物理化学特性Table 1 Physical and chemical properties of waste engine oil bottom w/%

1.2 沥青胶结料

本研究采用90#基质沥青来制备老化沥青，其PG分级为PG-58～34.Yin等[18]研究表明，沥青胶结料通过室内20h长期老化(PAV)试验后仍处于非平衡状态，其老化程度轻于现场8～10a的自然老化程度.因此本文对老化步骤进行改善，将经过旋转薄膜烘箱老化(RTFOT)后的沥青再进行40h长期老化，以此来模拟沥青材料的现场老化情况.原样沥青和老化沥青的性能检测结果见表2.

表2 原样沥青和老化沥青性能检测结果Table 2 Performance test results of original and aged asphalts

将室内制备完成的老化沥青加热到175℃左右，然后缓慢添加废机油底渣，同时采用搅拌棒不断搅拌，使废机油底渣与老化沥青充分融合，得到以废机油底渣作为再生剂的再生沥青.

2 试验方法

2.1 双边缺口拉伸(DENT)试验

双边缺口拉伸试验是基于断裂力学中基本断裂功(EWF)理论的沥青胶结料抗延性拉伸性能测试方法.它是一种经过改进的延度试验方法，可模拟含微裂纹沥青胶结料在受约束条件下的抗拉伸断裂性能(见图1(a)).DENT试验中获得的裂纹尖端张开位移(CTOD)可用于表征沥青胶结料在延性状态下的容许应变.国内外通常采用基于动态剪切流变仪(DSR)的时间扫描循环加载模式进行沥青胶结料疲劳试验，但该方法测试时间长，不适用于沥青质量的验收评定；也有学者尝试采用单调加载模式的测试方法来表征沥青胶结料的疲劳性能，如胶结料屈服试验(AASHTO TP 123—16《Standard method of test for measuring asphalt binder yield energy and elastic recovery using the dynamic shear rheometer》)、线性振幅扫描试验(AASHTO TP 101—16《Standard method of test for estimating fatigue resistance of asphalt binders using the linear amplitude sweep》)和双边缺口拉伸试验(AASHTO TP 113—15《Standard method of test for determination of asphalt binder resistance to ductile failure using double-edge-notched tension(DENT) test》).研究结果表明：沥青路面疲劳开裂与沥青胶结料CTOD值之间具有最佳的相关性，CTOD值越高，沥青胶结料的抗疲劳性能越好[19].尽管DENT试验在表征沥青疲劳性能上存在瑕疵[20]，但依据CTOD值可有效排除抗拉伸断裂性能差的劣质沥青.因此，本文根据AASHTO TP 113—15，采用DENT试验来评价沥青的疲劳性能，测试温度为 15℃，拉伸速率为 5cm/min，设备采用常见的测力延度试验装置.试验原理图和试样实物图见图1.

图1 DENT试验原理示意图和试样实物图Fig.1 Diagram of DENT test principle and physical drawing of sample

2.2 扩展弯曲梁流变(Ex-BBR)试验

Evans等[21-22]研究指出，沥青胶结料快速冷却时，其分子链运动能力下降，材料处于非平衡状态；随着时间演化，其分子链网络结构通过分子链重排并逐渐趋向于平衡态.因此，沥青胶结料在长期低温环境下劲度增加而蠕变速率降低.然而，目前的Superpave规范AASHTO M320仅要求低温恒温养护 1h，此时材料仍处于非平衡态，物理硬化对沥青胶结料的低温分级具有不利影响.为此，本文根据AASHTO TP122—16《Provisional standard method of test for determination of performance grade of physically aged asphalt binder using extended bending beam rheometer(BBR) method》，使用Ex-BBR试验来确定沥青胶结料的性能分级.将沥青胶结料在PG低温分级以上10℃和20℃的低温环境下恒温养护3d，然后分别在PG低温分级以上 10℃ 和16℃测得其蠕变劲度(S)和蠕变速率(m)，再根据S和m值来反算其低温分级.该方法旨在表征沥青胶结料经过低温恒温养护后的残留劲度和松弛特性，可以更好地预估沥青胶结料的非荷载相关开裂.小梁试件采用自制硅胶模具制备，每种沥青均需制备12根小梁.

2.3 原子力显微镜(AFM)表征

沥青材料的宏观力学性能取决于其微观结构，因此了解原样沥青、老化沥青及采用废机油底渣作为再生剂的再生沥青微观结构可解释其宏观力学性能，进而可准确预估所采用沥青胶结料的长期路用性能.近年来，原子力显微镜在沥青胶结料微观结构表征中得到了广泛应用[23]，李波[24]采用原子力显微镜技术研究了温拌沥青的老化过程；Hossain等[25]采用原子力显微镜研究了工农业废弃物改性沥青的微观结构及纳米力学特性.本文采用原子力显微镜来表征原样沥青、老化沥青及再生沥青的微观结构特性.

3 试验结果与分析

3.1 双边缺口拉伸试验结果

沥青胶结料的抗裂性能评估准则主要有基于强度的准则以及基于变形的准则.SHRP中采用沥青胶结料的直接拉伸试验(DTT)来评估沥青胶结料的容许应变.然而，该测试方法存在诸多缺陷.首先，DTT试验设备价格昂贵，仪器生产商已经停止了对其系统的升级服务；其次，试验的重复性较低.为了更好地理解拉伸体几何形状的差异对沥青混合料试样中应力分布的影响，采用有限元(FEM)来模拟DTT和DENT试样，结果如图2所示.标准DTT试样中部的应力分布几乎保持恒定，这使得该试验无法准确预测破坏点，从而导致试验结果重复性较低；同时，标准DTT试样在拉伸过程中可能会断裂成几部分.而对DENT试样而言，可以清楚地看出该试样中部的应力集中非常明显，可以较好地模拟沥青混合料中因微裂缝而导致的应力集中现象.

废机油底渣掺量(质量分数，下同)不同时，沥青胶结料的延性拉伸性能试验结果见图3.由图3可见：废机油底渣掺量为2%的再生沥青CTOD值略高于老化沥青；随着废机油底渣掺量继续增加，再生沥青的CTOD值逐渐降低；当废机油底渣掺量增至8%、10%时，再生沥青的容许应变急剧降低，与老化沥青的CTOD值相比，废机油底渣掺量为10%的再生沥青CTOD值减少量高达50%.这表明就抗延性拉伸性能而言，废机油底渣不能使老化沥青恢复到未老化时的初始值，同时对老化沥青的抗延性拉伸性能也有不利影响.比较老化沥青及废机油底渣掺量为10%的再生沥青10mm韧带长度的力-位移曲线(见图4)可以看出，老化沥青比再生沥青具有更高的峰值荷载，这是因为沥青老化会使其硬度提高，屈服荷载也相应较高，而添加废机油底渣会起到软化沥青的效果，从而降低其屈服荷载.由图4(b)还可看出：当力接近零时，再生沥青10mm韧带长度的位移仍不断增加，有相当长的沥青细丝，从断裂功的角度来看，这部分伸长并没有增加沥青的抗断裂拉伸性能；采用双边缺口拉伸基本断裂功的原理可去除这部分细丝的影响，这也说明延度试验无法准确反映沥青胶结料的基本性质，反而有可能造成沥青性质的误判.根据基本断裂功理论，对不同韧带长度试样测得的力-位移曲线之间具有自相似性[26].因此，本文选取10mm韧带长度为代表，对其力-位移变化曲线进行详细分析；同理，5mm韧带长度和15mm韧带长度的力-位移变化曲线具有同样的规律.

图2 DTT与DENT试样的有限元模拟Fig.2 FEM simulation of the DTT and DENT samples

图3 不同WEOB掺量下沥青胶结料的DENT结果Fig.3 DENT results of asphalts with differentWEOB contents

图4 沥青胶结料力-位移曲线Fig.4 Force-displacement curves of asphalt binder

3.2 低温弯曲梁流变试验结果

沥青物理硬化的评价方法一直是国内外研究的焦点.硬化指数(24h蠕变劲度比)、平移因子法、伪空间位置图等虽然可以在一定程度上反映物理硬化对沥青的影响，但很难与实际沥青路面的性能建立联系.AASHTO TP122—16中采用分级损失作为评价沥青物理硬化可能性的指标.图5给出了根据LTPPbinderTM胶结料选择软件计算得到的路面无开裂损伤的可能性随服役年限变化的关系.可以看出，对PGXX-28气候区，当采用的沥青胶结料低温等级由PG-28变为PG-22(即分级损失为6℃)时，路面无开裂损伤发生的可能性随服役年限的增加而显著降低[17].

为了说明物理硬化对沥青性能的影响，将小梁试件养护不同时间后，进行弯曲蠕变试验.标准养护1h与延长养护72h小梁试件的蠕变劲度、蠕变速率这2个参数的临界失效温度分布如图6所示.由图6可见：养护1h小梁试件的蠕变劲度临界失效温度有大约72%的数据点大于其蠕变速率临界失效温度(去除明显发生偏移的数据点)，表明根据AASHTO M320标准试验方法，沥青胶结料的极限低温等级主要由蠕变劲度确定；当延长养护时间到72h时，各数据点的分布主要集中在等值线以下(93%)，表明此时小梁试件的蠕变速率临界失效温度高于其蠕变劲度临界失效温度，而沥青材料的临界失效温度考虑的是两者的最不利情况，因此养护72h的小梁试件临界失效温度主要由蠕变速率临界失效温度控制.换句话说，在经过72h延长低温养护后，沥青的松弛性能决定了其所能适应的PG低温分级，此时胶结料的劲度并非控制参数.

图5 典型PGXX-28区无损伤可能性与服役年限的关系曲线Fig.5 Relationship between service years and chance of no damage for typical PGXX-28 zone

图6 小梁试件的蠕变劲度和蠕变速率的临界失效温度分布Fig.6 Critical failure temperature distributions of creep stiffness and creep rate for beam samples

通过添加废机油底渣对老化沥青进行再生后，其低温极限分级结果如图7所示.由图7可见，就常规BBR试验而言，随着废机油底渣掺量的增加，沥青胶结料的低温极限分级呈线性降低趋势，当废机油底渣掺量为10%时，沥青胶结料的低温极限分级可以达到-34℃，即可恢复到原样沥青的低温分级(LTPG).这一结果确认了废机油底渣作为老化沥青再生剂可使老化沥青低温分级恢复到其初始状态，这也是目前广泛使用废机油底渣作为沥青再生剂的原因之一.而当采用考虑物理硬化作用的扩展弯曲梁流变试验对废机油底渣掺量不同的沥青胶结料进行测试后发现，无论废机油底渣的掺量如何，其测得的低温极限分级均高于常规BBR试验结果.0%～8%废机油底渣掺量的沥青胶结料低温极限分级相差不大，而当废机油底渣掺量进一步增加到10%时，沥青胶结料的低温极限分级明显提高，分级损失明显增加.根据石油化工行业的相关研究[27]，石蜡可使高沥青质含量原油中的沥青质发生沉淀.而润滑油主要由石蜡基础油制备，因此在高沥青质含量的老化沥青中添加废机油底渣后，在长期低温(温度恒定)作用下，废机油底渣中的石蜡会使老化沥青中的沥青质发生沉淀，形成抗低温性能较差的凝胶类沥青胶体结构，从而显著降低其低温可靠性.

图7 不同WEOB掺量下沥青胶结料的低温极限分级Fig.7 Low temperature limiting grade of asphalts withdifferent contents of WEOB

3.3 AFM微观形态试验结果

原样沥青、老化沥青及废机油底渣掺量为10%的再生沥青微观结构形态如图8所示.由图8(a)可见：原样沥青具有片状结构(直径平均小于2μm)的分散相散布于光滑基体相中；蜂状结构的出现是由于结晶蜡与剩余非结晶蜡沥青组分之间的相互作用.各种化学组分之间复杂的分子间相互作用可以体现在所形成的微观结构上.由图8(b)可见：经过老化后，原样沥青中较大尺寸的片状结构被较小尺寸的结构所取代，这是由于沥青中组分的老化形成了更多不溶于基体相的产物.由图8(c)可见：掺入10%废机油底渣的再生沥青中含有明显的椭圆形蜂状结构，根据相关文献[28]，出现蜂状结构是由于结晶蜡与剩余非结晶蜡沥青组分之间的相互作用，由此说明在老化沥青中添加废机油底渣会使其中的蜡含量增加.这与产生上述Ex-BBR试验结果的原因相似，即老化沥青中含有较高比例的沥青质，废机油底渣主要是由石蜡比例较高的基础油制备，而石蜡会使得沥青质含量较高的沥青发生沉淀.由于蜂状结构与其他相之间的相容性较低，且形成了更多的相界，而相界处易出现应力集中现象，这也解释了添加废机油底渣的老化沥青因物理硬化水平增加而使其低温性能降低的原因.早期研究已经表明，蜡的低温结晶、沥青质聚集和自由体积崩溃是沥青胶结料产生低温物理硬化的3个主要原因.然而由于原子力显微镜的局限性，无法捕获沥青胶结料中沥青质的聚集和自由体积崩溃现象.因此，为了深入了解采用废机油底渣作为再生剂的沥青体系性能，有必要采取多种微观分析及试验手段进行研究.

图8 沥青胶结料AFM微观结构形态Fig.8 AFM microstructural morphology of asphalt binder

4 结论

(1)废机油底渣对老化沥青的抗延性拉伸性能有不利的影响，添加废机油底渣会降低老化沥青的屈服荷载.废机油底渣掺量为2%的再生沥青容许应变略高于老化沥青；随着废机油底渣掺量继续增加，再生沥青的容许应变逐渐降低；与老化沥青的容许应变相比，废机油底渣掺量为10%的沥青胶结料容许应变减少量高达50%.

(2)常规BBR试验中，随着废机油底渣掺量的增加，沥青胶结料的低温极限分级呈线性降低趋势.在老化沥青中添加10%的废机油底渣后，可使其PG低温分级恢复到原样沥青的低温分级.采用长期低温养护的扩展弯曲梁流变试验时，0%～8%废机油底渣掺量的沥青胶结料极限低温分级相差不大；而当废机油底渣掺量增加到10%时，沥青胶结料的低温极限分级明显提高，分级损失明显增加.

(3)与原样沥青相比，老化沥青中存在更多的片状结构；废机油底渣掺量为10%的再生沥青中含有明显的椭圆形蜂状结构.这表明在老化沥青中添加废机油底渣可使其中的蜡含量增加，这是其低温及抗延性性能降低的重要原因.

(4)鉴于废机油底渣对沥青胶结料的潜在不利影响，为延长道路使用寿命及减少由于使用此类低成本再生剂造成的路面早期破坏，建议配合不同来源的废机油底渣，进一步对不同原油来源和不同老化程度的再生沥青进行系统研究，以合理控制废机油底渣的掺量.