废植物油再生沥青结合料性能研究

肖庆一，赵 鹏，孙博伟，张 怡，丁 啸

(1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；2.天津市交通工程绿色材料技术工程中心，天津 300401；3.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；4.承德石油高等专科学校 化学工程系，河北 承德 067000；5.承德石油高等专科学校 计算机系，河北 承德 067000)

0 引 言

沥青路面在改造升级过程中会产生大量的废旧沥青混合料(reclaimed asphalt pavement，简称RAP)，在RAP中掺入一定量再生剂可以提高再生沥青混合料的性能[1-4]。传统再生剂多为矿物油，高温条件下其组分易散失，且作为石油产品其成本不低[5]。植物油富含不饱和脂肪酸和轻质油组分，可以补充老化沥青中失去的轻质组分。相比于矿物油，植物油沸点高，施工过程中不易散失[6]。研究表明[7-11]，废植物油(waste vegetable oil，简称WVO)可以实现老化沥青的再生，提高老化沥青的抗疲劳性能和低温性能，废植物油对老化沥青的性能改善效果较矿物油更明显。我国每年产生大量的废植物油[12]，充分认识废植物油对沥青再生的作用影响，实现废料的再生利用，对建设环境友好型社会具有重要意义。

研究选择煎炸后的大豆油，按不同比例添加到老化沥青中。通过研究常规物理性能、流变性能的变化规律和原子力显微镜技术，获得废植物油掺量对老化沥青再生效果的影响，为废植物油再生沥青技术的推广应用提供一定的理论基础。

1 试 验

1.1 试验材料

选择山东淄博A-90# 基质沥青，根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0610沥青旋转薄膜加热试验(RTFOT)和T0630压力老化容器加速沥青老化试验(PAV)制备老化沥青。基质沥青和老化沥青基本性能测试结果如表1。

表1 90# 基质及老化沥青性能Table 1 Performance of 90# matrix and aged asphalt

食用植物油的主要成分为不饱和脂肪酸，试验采用煎炸后的废大豆油，其物理指标如表2。

表2 废植物油物理性能Table 2 Performance of waste vegetable oil

1.2 试验方案

首先制备废植物油再生沥青。按质量分数(废植物油占沥青质量比)为3%、5%、7%和10%向老化沥青中加入废植物油进行高速剪切试验，试验温度为135 ℃，剪切机转速为3 000 r/min，剪切时间为20 min。

对制备的不同质量分数的废植物油再生沥青进行基本物理性能试验、动态剪切流变试验以及低温弯曲流变试验，分析废植物油对老化沥青再生效果。利用原子力显微镜观测再生沥青微观形貌特征，分析废植物油再生机理。

2 结果与讨论

2.1 基本物理性能指标

2.1.1 三大指标

软化点是表征沥青结合料高温性能的重要指标。通常情况下，软化点越高，沥青的高温稳定性越好，抗车辙能力越强。图1为不同废植物油掺量下再生沥青的软化点。由图1可以看出，PAV后沥青的软化点相对基质沥青明显升高，表明老化作用提高了沥青的高温稳定性。随着废植物油掺量的增加，再生沥青的软化点逐渐降低，说明废植物油的加入降低了老化沥青的高温性能。当废植物油掺量为10%时，再生沥青的软化点仍较基质沥青高0.7 ℃。

图1 再生沥青软化点Fig.1 Softening point of recycled asphalt

我国使用针入度划分沥青标号，针入度值越小，沥青越硬，稠度越大[8]。不同废植物油掺量下再生沥青的针入度如图2。由图2可知，PAV后沥青的针入度较基质沥青明显降低，因此老化作用会使沥青更硬。随着废植物油掺量的增加，再生沥青针入度逐渐提高，说明废植物油可以改善老化沥青的稠度[13]，使老化沥青软化。废植物油掺量为10%时，再生沥青针入度值可恢复至基质沥青的98.6%。

图2 再生沥青针入度Fig.2 Penetration of recycled asphalt

延度可以评估沥青的拉伸变形能力和延性，延度越大，沥青的低温抗裂性能越好。图3为不同废植物油掺量下的再生沥青延度。由图3可见，PAV后沥青的延度大幅降低，说明老化降低了沥青的延性，使沥青低温抗裂性能下降。随着废植物油掺量的增加，再生沥青的延度逐渐增大，此结果表明，废植物油能够提高老化沥青的延性，改善老化沥青的低温抗裂性。

图3 再生沥青延度Fig.3 Ductility of recycled asphalt

2.1.2 黏 度

布洛克菲尔德黏度计测量的沥青表观黏度，表征沥青在外力作用下的抗剪切变形能力，可以反映出沥青的黏性，对于施工的条件选择以及施工的安全性具有重要的意义。不同废植物油掺量下再生沥青的布式黏度如图4。结合基质沥青黏度，可以得出，相对基质沥青，老化沥青黏度升高了75.8%。随着废植物油掺量的增加，沥青黏度下降，表明废植物油使老化沥青的黏性成分增多，弹性成分减小[14]，老化沥青黏性成分得到恢复。废植物油掺量为10%时，再生沥青黏度仍较基质沥青高0.02 Pa·s。

图4 再生沥青布式黏度Fig.4 Brookfield viscosity of recycled asphalt

2.2 动态剪切流变试验

2.2.1 复数模量与相位角

复数剪切模量G*越大，沥青结合料劲度模量更大，抗高温变形能力就越强。相位角δ表示沥青结合料中黏弹性成分的变化关系。相位角越大，沥青结合料黏性成分越多，更易产生永久变形；相位角越小，沥青结合料的弹性成分越多，弹性恢复能力越好。由图5可知，老化沥青各温度下G*值最高，δ值最小，表明老化使沥青结合料劲度增大，弹性成分增多，抗变形能力提高。随着废植物油掺量的增加，G*值逐渐减小，δ值逐渐增大，说明废植物油能够降低沥青结合料的劲度，恢复老化沥青的黏弹性成分组成。废植物油掺量10%时，再生沥青δ值仍未恢复至基质沥青水平。质量分数为7%时，废植物油再生沥青G*值已经降至基质沥青原水平以下，此时再生沥青高温抗变形能力低于基质沥青。

图5 沥青结合料复数剪切模量G*与相位角δFig.5 G* & δ of asphalt binder

2.2.2 车辙因子

美国SHRP规范以G*/sinδ表示车辙因子，评价沥青结合料的高温性能。车辙因子越大，沥青结合料弹性体特性越明显，高温抗变形能力越强。由图6可看出，基质沥青老化后，车辙因子明显增大，说明老化作用使沥青弹性性质表现更明显，高温抗变形能力提高。随着废植物油掺量的增加，车辙因子逐渐减小。废植物油富含轻质油分和不饱和脂肪酸，这些组分的加入，在一定程度上改变了老化沥青的黏弹性成分组成，使沥青中黏性成分增多，弹性成分减少，高温抗车辙能力下降，这表明废植物油的加入对沥青高温稳定性不利。因此从沥青路面抗车辙能力方面考虑，应当控制废植物油的掺量。由图6可知，废植物油质量分数为7%时，再生沥青车辙因子基本恢复至基质沥青水平。

图6 沥青结合料车辙因子Fig.6 Rutting factor of asphalt binder

2.3 低温弯曲流变试验

低温弯曲流变(BBR)试验测得的沥青结合料的蠕变劲度模量S值和蠕变速率m值分别表征沥青结合料低温下抵抗开裂的能力和应力松弛能力。低温条件下，沥青结合料为弹性体，S值越大，表示沥青越趋于脆性，路面越易发生开裂破坏；m值越大，表示沥青劲度变化越快，应力松弛性能越好，抵抗路面开裂的能力越好。根据美国Superpave规范(AASHTO M320)，沥青结合料在参考温度下的蠕变劲度应不大于300 MPa，S值应不小于0.3。

图7为不同温度下老化沥青及废植物油再生沥青低温弯曲流变试验结果。由图7可知，老化沥青在-18 ℃时的蠕变劲度模量及蠕变速率已经不能满足规范要求，说明老化导致沥青变硬，脆性增加。随着废植物油掺量的增加，再生沥青蠕变劲度模量相对老化沥青逐渐降低，蠕变速率逐渐提高，表明废植物油的加入降低了老化沥青的蠕变劲度，增强了沥青结合料的韧性，同时沥青结合料应力松弛性能增强，抵抗路面开裂能力提高。废植物油掺量为3%和5%时，沥青在-18 ℃时蠕变劲度模量及蠕变速率仍未恢复至规范水平。因此，从提高沥青低温抗裂性能考虑，废植物油掺量不宜过低。

图7 沥青结合料低温弯曲流变试验结果Fig.7 BBR test results of asphalt binder

2.4 原子力显微镜试验

原子力显微镜(AFM)常用来观测沥青纳米级的相态形貌特征，是研究沥青微观结构的有效工具。将沥青结合料试样置于130 ℃烘箱中，同时取电控加热炉，将加热平台保持140 ℃左右，在加热平台上放置玻璃载玻片预热5 min。沥青加热至液态后，用玻璃棒蘸取少量沥青样品滴至载玻片中央，使沥青在加热平台作用下自然流淌，形成表面平整的沥青薄膜，厚度约为1 mm。随后将试样自然冷却至室温，置入干燥器中保存24 h后采用轻敲模式进行原子力显微镜试验。扫描面积为8 μm×8 μm，图像清晰度为512×512。

2.4.1 沥青微观结构分析

图8为基质沥青、老化沥青及各质量分数废植物油再生沥青的原子力显微镜二维微观形貌。由图8可以看出，各沥青试样微观形态均存在明暗相间的典型“蜂形”结构。沥青表面的“蜂形”结构是沥青组分之间相互作用的反映[15]，老化对于沥青微观结构的影响可以通过“蜂形”结构的变化体现出来。“蜂形”结构数量、沥青试样表面最大高度及中值高度等三位形貌数据如表3。从由表3可知，老化沥青相对基质沥青，“蜂形”结构数量大幅减少，随着废植物油掺量的增加，“蜂形”结构数量逐渐恢复。基质沥青老化后，沥青表面最大高度和中值高度均明显降低；随着废植物油掺量的增加，再生沥青表面最大高度和中值高度逐渐提高。相对基质沥青及WVO再生沥青，PAV老化沥青微观结构发生了明显变化，沥青表面平坦，“蜂形”结构数量减少。因此，沥青的老化及废植物油的再生改变了沥青的组成成分，进而改变了其微观形态结构。

图8 不同沥青原子力显微镜形貌Fig.8 AFM topographic images of different asphalt

表3 沥青试样原子力显微镜三维形貌数据Table 3 AFM 3D topographic data of asphalt samples

(1)

(2)

式中：N为提取高度数据点的像素点个数(512×512)；Zi为像素点试样表面高度；i为像素点编号。

图9为基质沥青、老化沥青及不同质量分数的WVO再生沥青表面粗糙度计算结果。

图9 沥青结合料表面粗糙度Fig.9 Surface roughness of asphalt binder

由图9可知：无论是Ra还是Rq，均为基质沥青最大，老化沥青最小。随着废植物油掺量的增加，沥青表面粗糙度逐渐增大，沥青表面微观结构差异变大，这与沥青表面高度变化的研究结果一致，证实了沥青的老化及废植物油的再生确实改变了沥青的微观形态结构。

2.4.2 沥青微观结构与流变性能相关性分析

由2.4.1节可知，沥青在老化及再生过程中微观形态结构发生变化，沥青的老化及再生必然影响其宏观性能。根据2.3节沥青流变性能试验发现，老化导致沥青的复数剪切模量增大，相位角减小，车辙因子增大。研究表明[17]，沥青宏观流变性能的改变与微观结构特征的演变存在相关性。

选择算数均方根粗糙度Ra表征沥青表面微观结构特征。选择典型流变性能指标(52 ℃相位角δ、58 ℃复数剪切模量G*、-6 ℃劲度模量S值、-12 ℃蠕变速率m值)表征沥青宏观高低温流变性能，建立不同沥青材料微观结构特征与宏观流变性能之间的关系，如图10。由图10可以看出，沥青结合料宏观流变性能与微观结构特性存在相关性，相关性系数R2分别为0.973 3、0.976 8、0.989 8、0.943 9。此结果表明：沥青流变性能与微观结构特性密切相关；沥青的高低温性能受微观结构特性影响较大；相关关系可用幂函数模型表达，相关性系数接近1，拟合度较高。

图10 沥青表面粗糙度与流变性能相关性Fig.10 Correlation between surface roughness of asphalt and rheological properties

3 结 论

1)废植物油能够有效改善老化沥青的物理性能。随着废植物油掺量的增加，老化沥青的延度及针入度逐渐升高，软化点及布式黏度逐渐降低，但均不能将老化沥青恢复至基质沥青水平。

2)废植物油富含轻质油分和不饱和脂肪酸，能够调节老化沥青的黏弹性成分组成。随着废植物油掺量的增加，老化沥青相位角增大，复数剪切模量和车辙因子降低，沥青结合料高温抗车辙性降低。从沥青高温抗车辙性能考虑，废植物油掺量不宜过高。

3)废植物油能够改善沥青结合料的韧性，增强沥青结合料应力松弛性能，从而提高低温抗开裂能力。综合考虑再生沥青高低温性能，废植物油合理掺量应在7%～10%范围内。

4)老化作用及废植物油的再生作用改变了沥青的成分组成，使沥青表面微观结构特征发生显著变化。老化使沥青表面“蜂形”结构减少，表面高度差异减小，粗糙度降低，表面构造趋于平坦。随着废植物油掺量的增加，沥青表面结构逐渐发育，粗糙度升高，“蜂形”结构逐渐恢复。

5)沥青微观结构特性的演变与宏观高低温流变性能存在相关性，幂函数模型能够很好地表达沥青流变性能与沥青表面粗糙度的关系。