废机油再生沥青的流变性研究*

2022-11-01崔亚楠杜春晓郭立典

功能材料 2022年10期

崔亚楠，杜春晓，郭立典

(1. 内蒙古工业大学土木工程学院，呼和浩特市，010051；2. 内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室，呼和浩特市，010051；3. 内蒙古电力(集团)有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯，010300)

0 引言

随着道路服役时间增加，沥青路面出现大量病害，道路的养护和改造都产生许多废旧沥青材料，沥青路面再生利用技术受到广泛重视，其再生效果成为研究热点之一。为了绿色环保以及践行可持续发展道路，充分利用废机油是必要的[1-2]。Liu等[3]探讨废机油(WEO)增强沥青混合料自愈合及其疲劳行为的可行性，将WEO沥青混合，发现WEO的加入提高了沥青混合料的疲劳性能和自愈性。李汝凯[4]研究废机油底渣对老化沥青低温性能的影响，当其掺量为10%时，研究发现沥青低温极限分级提高，而性能下降。Taherkhani[5]研究使用废机油(WEO)作为再生剂对含再生沥青路面(RAP)的沥青混合料部分工程性能的影响，发现使用WEO再生剂能够在回收的沥青混合料中使用更高的RAP含量。

目前大部分关于废机油再生沥青的研究多侧重于沥青混合料路用性能方面，对废机油再生沥青微观、再生机理研究较少，且很少将微观与宏观层面结合评价废机油的再生效果。本文以复合老化后的90#沥青为研究对象，采用废机油和XT-1再生剂来恢复老化沥青的性能。通过DSR试验和BBR试验研究再生前后沥青流变性质。采用AFM试验研究再生前后沥青的纳米模量和粘附力。通过宏微观试验结果共同评价废机油的再生效果，为废机油作为再生剂恢复沥青性能提供参考依据。

1 实验

1.1 再生剂选用

采用常州信拓路面改性材料有限公司生产的XT-1型沥青再生剂作为对比。废机油是大众捷达家庭车用，机油是为壳牌OW-40SN级合成技术机油，废弃机油是新车行驶约为5 000～6 000公里后换下来的。其基本的性能如表1所示。

表1 再生剂基本性能指标Table 1 Basic performance index of regenerant

1.2 沥青的制备

本文所用原料90#沥青的基本参数见表2。

表2 90#沥青的基本指标Table 2 Basic indicators of 90# asphalt

1.2.1 老化沥青的制备

热氧老化沥青采用现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0630方法RTFOT+PAV(20h)制老化的沥青。复合紫外(UV)老化沥青是将长期老化后沥青放入紫外老化箱中，温度为50 ℃时间为233 h来模拟室外沥青一年UV老化。复合水老化是根据呼和浩特一年降雨量，试验所用水量为8.5 mL，时长300 min，在压力老化前1/4阶段加入水以模拟长期水老化。

1.2.2 再生沥青的制备

采用300WJJ-1A型精密增力电动搅拌机机以2000r/min的速率均匀搅拌再生沥青，参考刘洋[6]、孙楚雨[7]、张燕[8]等的研究，确定了废机油掺量为3%～9%，老化沥青可以达到原样沥青状态，XT-1再生剂掺量根据厂家推荐的范围为4%～16%。拌合温度控制在135 ℃左右，搅拌15～20 min后置于110 ℃烘箱静置10 min，取出后继续搅拌。重复上述过程4～5次，然后静置24 h，使XT-1再生剂和废机油与老化沥青充分融合。

1.3 方法

1.3.1 动态剪切流变试验

采用美国TA公司的DHR-1动态流变剪切仪对原样、老化和再生沥青的流变性能进行研究测定，样品制备步骤及试验操作按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTGE20-2011)》中T0627-2011进行。

本文模拟的试验环境为北方地区，一年中路面在0 ℃以上的服役温度集中在10～40 ℃。因此重点考察了再生沥青在这一温度范围内车辙性能，疲劳性能，并且参考刘庆虎[9]，陈静云[10]等研究成果，确定了老化和再生沥青，在25、28、31和34 ℃温度条件下进行温度扫描，试验施加应变为1%，角频率参数设为10 rad/s。

1.3.2 弯曲梁流变试验

采用低温弯曲梁流变试验(BBR)对原样、老化和再生沥青进行试验，研究XT-1再生剂和废机油对老化沥青在温度-18、-24和-30 ℃时的性能恢复。样品制备步骤及试验操作流程严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTGE20-2011)》中T0627-2011执行。

图1 紫外老化后再生沥青改进车辙因子随温度的变化Fig.1 Change of improved rutting factor of recycled asphalt after UV aging with temperature

图2 水老化后再生沥青改进车辙因子随温度的变化Fig.2 Change of improved rutting factor of recycled asphalt with temperature after water aging

1.3.3 原子力显微镜试验

利用原子力显微镜(AFM)在室温下对原样、老化和再生沥青的微观力学特性进行观察和测试，扫描面积为15μm×15μm，像素为512×512，采用的扫描模式QNM是Bruker公司推出的专利技术,可获得杨氏模量(DMT)、粘附力[11]。粘附力可用于评价沥青-集料界面的粘附性能，为宏观评价沥青混合料抗水损害性能提供参考。由于二氧化硅(SiO2)是集料的主要成分，因此采用硅探针模拟矿物集料与沥青的界面粘附特性[12]。

2 结果与讨论

2.1 动态剪切流变试验

2.2.1 改进车辙因子G*/(sinδ)9分析

车辙因子G*/sinδ是Superpave规范中评价沥青高温性能的一个指标。但近几年有一些学者认为使用G*/sinδ评价并不准确[13]。徐波等[14]提出改进的车辙因子G*/(sinδ)9可以更好地评价沥青高温下抗车辙能力，其值越大，高温抗车辙性能就越好。

随着温度的升高，相位角δ变大，与G*/Sinδ相比较，G*/(sinδ)9更为敏感。图1和2可以看出随着温度的升高沥青的G*/(sinδ)9在减小。因为温度升高，沥青变软，复数模量G*降低，δ变大，沥青分子间的相互作用力逐渐下降，从较低温度下的弹性体逐渐转变为较高温度下的粘性体，使得沥青材料的抗车辙性能减弱。

在两种老化方式下，温度相同时，随着XT-1再生剂和废机油掺量的增加，再生沥青的G*/(sinδ)9下降，且在废机油每个掺量下的G*/(sinδ)9都分别大于XT-1再生剂各个掺量时的G*/(sinδ)9。两种老化方式下，当XT-1再生剂掺量为12%，废机油掺量7%时，G*/(sinδ)9值基本接近原样沥青。因为废机油以提高芳香分的含量为主，且可能是由于废机油中含有耐高温剂和抗老化剂的作用使得再生的沥青中温性能更为优秀，所以废机油对于再生沥青高温抗变形能力的影响更明显。因此废机油再生沥青在25～34 ℃范围内高温抗车辙能力更好。

2.1.2 疲劳因子G*·sinδ分析

图3可知G*·sinδ在同一掺量下，都随温度的升高而减小，由此说明当温度较高时，老化沥青和再生沥青不易发生疲劳破坏，其抗疲劳开裂性能也逐步提高。同一温度下，随着再生剂和废机油掺量的增加，G*·sinδ减小，表明沥青的粘弹性模量中粘性成分增多，而弹性成分减小，使得沥青抗疲劳开裂能力提高，增强了再生沥青的柔性，疲劳性能更好[15]。

图3 再生沥青的疲劳因子G*·sinδFig.3 Fatigue factor G*·sinδ of recycled asphalt

在25 ℃时，紫外老化后加入3%废机油，G*·sinδ下降率为60.475%，而加入4%XT-1再生剂，G*·sinδ下降率为35.051%，水老化后加入3%废机油，G*·sinδ下降率为58.361%，而加入4%XT-1再生剂，G*·sinδ下降率为49.779%，这可能是由于废机油中含有耐高温剂和抗老化剂的作用使得再生的沥青中温性能更为明显。由此可得出废机油对于老化沥青的疲劳性能恢复效果大于XT-1再生剂。还可以发现在两种老化方式下都呈现同样的规律即XT-1再生剂掺量为12%，废机油掺量为7%时，再生沥青G*·sinδ值接近原样沥青。当再加大掺量，即XT-1掺量16%，废机油掺量9%时，对抗疲劳性能仍然可提高，但效果相对减弱。综上所述，废机油可以有效地提高沥青抗疲劳性能。

2.2 弯曲梁流变试验

用蠕变劲度和蠕变速率的比值进行分析(m/S)，可以更好地评价90#沥青的低温流变性，m/S值越大，沥青低温抗裂性能越好，反之会越差[16]。

从图4、5中看出随着再生剂和废机油掺量的增大，再生沥青在3个温度条件下m/S值逐渐增大，表明XT-1再生剂和废机油使得老化沥青弹性降低，粘性增强，应力松弛能力增强，低温变形能力升高。随着温度的下降，m/S下降速率逐渐减小，在-30 ℃时，经XT-1和废机油再生的沥青m/S随再生剂掺量变化不明显，说明在-30 ℃条件下再生沥青基本呈现弹性性质，故其m/S随再生剂掺量变化很小，因为在这一温度下沥青呈玻璃态，沥青分子链几乎被冻结，不能迅速地重新取向或移动[17]。

图4、5可以看出当达到最大废机油掺量9%时的m/S值远远大于掺量为16%XT-1时的m/S值，由此可见废机油对于老化沥青中的沥青质具有良好的分散溶解能力，另外废机油中以胶质和芳香分为主，二者质量占比接近90%[18]，老化会导致沥青的饱和分、芳香分以及胶质的含量变少，致使其可塑性和延度降低，同时饱和分和芳香分一定条件下转化为高分子化合物(沥青质)，高分子化合物(沥青质)增加而小分子减少，废机油加入补充沥青老化过程中损失的小分子组分，改善老化沥青的相对分子质量分布，从而有效提高其低温抗裂性。由于XT-1再生剂含有增塑剂成分可增强再生沥青低温抗裂性能，而废机油作为轻质油，通过调整其化学组分和含量，补充老化沥青中的芳香分来恢复其低温延展性。综上所述废机油对于老化沥青低温性能恢复更有效。

图4 加入XT-I再生剂的m/S值Fig.4 m/S value of recycled asphalt added XT-I regeneration agent

图5 加入废机油的m/S值Fig.5 m/S value of recycled asphalt added waste oil

2.3 原子力显微镜(AFM)

2.3.1 老化和原样沥青的表面弹性模量(DMT模量)和粘附力

由表3可知，沥青老化导致DMT模量上升，Water老化后上升了36.8%，UV老化后上升了42%。而粘附力则表现出相反的规律，分别较原样沥青下降了11.3%和55.7%，由此可见随着老化程度的加深，沥青DMT模量增大而粘附力减小，这表明老化会促进沥青内部粘性成分转变为弹性成分，从而提高了沥青的弹性[19]。

表3 90#沥青老化前后的DMT模量和粘附力汇总

2.3.2 老化后再生沥青的DMT模量与粘附力

从图6、7中看出经过水老化和UV老化后再生沥青随着XT-1再生剂和废机油掺量的增加DMT模量减小，粘附力增加。从再生剂类型来看，相同老化条件下废机油再生的沥青DMT模量均小于XT-1再生剂再生的沥青，验证了沥青再生的组分调和机理，即老化会导致沥青质增加而芳香族组分减少，这使得沥青在高温时有低感温性，而低温时有好变形的溶-凝胶状态的沥青，逐步向粘度更高的凝胶型沥青转化，这过程导致沥青的非牛顿流动特征趋向显著，而沥青再生后再生沥青组分匹配和性能达到平衡，从而实现再生目的[20]。

图6 再生沥青的DMT模量Fig.6 DMT modulus of recycled asphalt

图7 再生沥青的粘附力Fig.7 Adhesion force of recycled asphalt

同时不同老化方式对再生沥青微观力学也会产生很大影响，经过UV老化后，再生沥青DMT模量随着掺量的变化幅度远低于经水老化后再生沥青，这种现象产生可能是由于UV老化后，因为有紫外光的照射，沥青中极性苯环结构分子增加，沥青质和胶质的分子逐渐变多，这样会有更多的极性组分团聚在一起导致体系内空隙减小，使得XT-1再生剂和废机油的轻质组分扩散进入老化沥青中的过程变得更为困难[21]，而经过水老化后，沥青组分中饱和分比例是大于UV老化沥青的，而沥青质含量低一些，沥青中饱和分这类油分在加入XT-1再生剂和废机油后会更易扩散，但是沥青质这类极性分子是不利于扩散的。因此导致在微观力学上表现为DMT模量随XT-1再生剂和废机油掺量的变化较小。

为了建立再生沥青微观力学特性与宏观性能之间的关系，对原样沥青和掺入废机油3%、5%、7%、9%的再生沥青的微观表面弹性模量(DMT模量)与蠕变速率(S)进行线性回归拟合。图8(a)可知，UV老化前后两者之间具有较好的线性关系，在-18、-24、-30 ℃下，相关性R2分别为0.98806、0.9591、0.99904；图8(b)中可以看出水老化前后两者同样有较好的线性关系，再生沥青前后S随微观DMT模量呈线性增加。这表明沥青微观DMT模量对沥青的S具有直接影响，随着XT-1再生剂和废机油增加，DMT模量减小，宏观上表现为沥青延度值上升，针入度增加，粘性增强，应力松弛能力增强，低温变形能力升高。