掺配植物沥青的混合沥青老化性能试验研究

周玖庆

(新疆交投建设管理有限责任公司,乌鲁木齐 830099)

植物沥青以脂肪酸和植物醇为主要成分,是植物基化工醇下游产品炼制后产生的废料[1-2],具有环保和可再生的特点。在石油沥青中添加部分植物沥青,不仅可以降低污染,同时能够节省工程投资,因此这项技术是当前道路建设中的重点研究课题,也正在道路建设中被逐步应用[3]。当前,道路运营中沥青混凝土路面龟裂、块裂、松散等病害的出现,除了与交通荷载增加有关外,最主要的影响因素是道路沥青老化严重,加快了沥青路面病害的产生[4-5]。目前关于植物沥青的研究多从植物油掺量、性能提升机理等方面开展[6-7],而较少涉及混合植物沥青的老化性能研究。因此,本文对不同植物沥青掺配比例的混合沥青进行老化试验,并对老化后混合沥青的指标进行比较分析,对不同掺配比例的混合沥青进行老化试验后测试其针入度、软化点等技术指标,分析老化对植物沥青性能的影响规律,判断植物沥青在道路沥青路面建设中的应用前景,以期为沥青路面建设和环境保护事业做出贡献[8]。

1 原材料

植物沥青即植物油炼制后的废弃物,主要来源于植物基化工醇下游产品,是植物油经酸化、水解、蒸馏提取脂肪酸后产生的废弃物,因其色如沥青,故被称为植物沥青。植物沥青不属于多芳环复杂化合物,主要成分为脂肪酸及植物醇[9]。本文选用目前被广泛使用的长春某集团生产的植物沥青,植物沥青技术要求如表1 所示。基质沥青选用中国石油某分公司生产的90 号重交道路石油沥青。

表1 植物沥青技术要求

2 试验方案及初始结果

试验主要针对掺配了不同比例植物沥青的混合沥青进行老化试验及三大指标结果检测。根据工程实际,主要采用的掺配比例为0～20%,步长为5%,以上比例均表示植物沥青占全部混合物的比例。

先将石油沥青和植物沥青加热至130 ℃～140 ℃后,依次注入高速剪切设备中,以1 000～1 500 rpm 的转速搅拌30～45 min,制备出混合沥青。在25 ℃条件下对混合沥青的三大指标进行检测,掺配不同比例植物沥青的混合沥青试验结果如表2 所示。

表2 掺配不同比例植物沥青的混合沥青试验结果

从试验结果可知,随着植物沥青比例的不断增加,未老化的混合沥青的针入度不断提高,但软化点呈现先升后降的趋势,且在15%掺配比例时达到最高值。说明随着植物沥青掺配比例的提高,混合沥青的高温稳定性提升。这是因为植物沥青是天然的分子极性材料,与沥青有较好的相容性。

3 混合植物沥青老化试验分析

沥青属于有机高分子材料的一种,具有有机高分子材料的衰变与老化共性,沥青的老化会造成其基本特性的改变,即自身所特有的黏弹特性降低,进而影响沥青混合料的高、低温稳定性和水稳定性能。在沥青道路建设过程中,由于沥青混合料需要进行拌和、长距离运输、摊铺以及碾压,会在短期内发生老化;道路建设完成后,光照、雨水侵蚀,加上温度变化等自然因素影响,导致其发生氧化反应,进一步造成沥青的脱氢反应,并使其发生不可逆的长期老化,从而造成混合料的疲劳性能严重下降,这也是导致各类路面病害出现的重要原因之一。为了更好地研究掺配不同比例植物沥青的混合沥青的初期老化和长期老化情况,分别采用旋转薄膜加热试验和压力老化试验对其进行研究,并根据相应指标的变化判断沥青的抗老化性能。

3.1 初期老化试验

采用更符合沥青混合料拌和状态的RTFOT 进行短期老化研究,沥青厚度为5～10 μm,RTFOT 沥青针入度、软化点试验结果如表3 所示。

表3 RTFOT 沥青针入度、软化点试验结果

由表3 可知,经过RTFOT 后,随着植物沥青掺配比例的提高,混合沥青针入度不断增大,软化点在5%掺配比例时达到峰值,之后出现下降的现象,但下降规律不明显,且基本处于60 ℃～61 ℃。

3.2 长期老化试验

相关研究表明[10-11],经过RTFOT 后的沥青残留物转到压力老化箱内进行PAV,其老化程度能够达到沥青路面使用7 年以上的状态。本项目采用90 ℃老化温度,充气压力为2.0 MPa,试验时间为20 h,RTFOT+PAV 沥青针入度、软化点试验结果如表4 所示。

由表4 可知,经过RTFOT +PAV 后,随着植物沥青掺配比例的提升,针入度不断增大,软化点在15%掺配比例时达到峰值,之后出现下降的现象,但下降幅度不显著。

表4 RTFOT+PAV 沥青针入度、软化点试验结果

4 老化对沥青的影响

4.1 老化对针入度的影响

沥青老化后会变硬,针入度也会降低,试验中采用掺配不同比例植物沥青的混合沥青老化前后针入度的变化及残留针入度比(PRR)评价其抗老化特性,比值越大,则抗老化性能越优。PRR=P/P0×100%,其中P0、P分别表示老化前后的针入度(0.1 mm)。根据表2～表4 试验结果进行统计,老化试验后针入度统计结果如表5 所示。

表5 老化试验后针入度统计结果

根据表5 可知:

(1) RTFOT 后即初期老化后,植物沥青掺配比例0～20%下的混合沥青RTFOT 后与RTFOT 前针入度的比值始终呈现提升的态势,且均大于60%。

(2) RTFOT+PAV 长期老化后,RTFOT +PAV后与RTFOT+PAV 前针入度的比值出现了明显的下降,但呈现的变化规律与RTFOT 后的规律一致,随着掺配比例增加依旧出现比值提升的情况,且掺配比例超过10%以后,RTFOT+PAV 后与RTFOT+PAV 前针入度的比值均超过了30%。

(3) 根据统计结果可知,无论植物沥青掺配比例多少,RTFOT 后与RTFOT +PAV 后,植物沥青的加入均提高了原样沥青的抗老化性能。

4.2 老化对软化点的影响

沥青老化后软化点会升高,这主要是由于胶质和沥青质的增多。试验采用软化点增量(SPI)评价其抗老化特性,软化点增量越大,则抗老化性能越差。SPI(℃)=SP-SP0,其中SP0、SP分别表示老化前后软化点(℃)。根据表2～表4 试验结果进行统计,混合沥青老化试验后软化点统计结果如表6 所示。

表6 混合沥青老化试验后软化点统计结果

根据统计结果可知:

(1) RTFOT 后即初期老化后,植物沥青掺配比例为0～20%的混合沥青RTFOT 前后软化点增量呈现先降后升的情况,且在15%掺配比例下达到谷值。

(2) RTFOT+PAV 长期老化后,软化点前后增量出现了先降后升的规律,且变化规律与RTFOT 后的规律一致。但RTFOT+PAV 长期老化作用下,软化点增量变化程度不显著,说明植物沥青的加入对长期老化性能软化点的影响不大。

(3) 根据统计结果可知,无论植物沥青掺配比例多少,RTFOT 后与RTFOT +PAV 后,植物沥青的加入均提高了沥青的抗老化性能,但对长期老化下沥青的软化点的影响不显著。

综上所述,植物沥青掺加比例在15%左右时,混合沥青各项性能均能满足技术规范要求。植物沥青成本约为2 000 元/吨,而普通石油沥青的成本约为4 000元/吨,因此使用植物沥青替代部分石油沥青制备混合沥青可节约一定的材料成本。

5 结论

(1) 随着植物沥青掺配比例的增加,未老化的混合沥青的针入度不断增大,软化点在15%时达到峰值。

(2) 经过RTFOT,随着植物沥青掺配比例的增加,混合沥青针入度不断增大,软化点变化规律不明显,基本处于60 ℃～61 ℃。经过RTFOT+PAV,混合沥青针入度不断增大,软化点在15%掺配比例时达到峰值,之后开始下降,但下降幅度不显著。

(3) RTFOT 后即初期老化后,混合沥青针入度与RTFOT 前的比值均大于60%,RTFOT +PAV 长期老化后,植物沥青掺配比例超过10% 以后,RTFOT+PAV 后混合沥青针入度与RTFOT+PAV前的比值均超过了30%。

(4) RTFOT 后即初期老化后,混合沥青软化点在植物沥青掺配比例15%时达到谷值。RTFOT +PAV 长期老化作用下,混合沥青软化点增量变化程度不显著,说明植物沥青的加入对混合沥青长期老化性能软化点的影响不大。