李 寧 利, 馮 麗 平, 栗 培 龍

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 天津 300401;2.長(zhǎng)安大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064)

0 引 言

瀝青老化是道路耐久性所面臨的巨大問(wèn)題,道路因老化出現(xiàn)坑槽、裂縫等病害,維修養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生了大量的廢舊瀝青混合料[1-2].由于傳統(tǒng)的再生劑多為礦物油,易對(duì)人體與環(huán)境造成危害,且價(jià)格較高[3],導(dǎo)致廢舊瀝青混合料再生利用率較低.生物質(zhì)油由生物質(zhì)經(jīng)過(guò)壓榨與萃取、熱解、酸解、醇解等工藝制得[4],根據(jù)來(lái)源的不同,可分為3類:豬糞等動(dòng)物糞便類;木屑、秸稈等植物類;餐飲廢油、廢棄油脂等地溝油類[5].生物質(zhì)油不僅來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉,而且所含的化學(xué)元素與石油瀝青相似,二者具備相似相溶性和穩(wěn)定性[6].近年來(lái),研究人員對(duì)生物質(zhì)油再生老化瀝青的可行性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)油能顯著提高老化瀝青的針入度與延度,降低其軟化點(diǎn)與黏度[7-9].Fini等[10-11]、Hill等[12]、Oldham等[13]利用豬糞制備生物質(zhì)油,發(fā)現(xiàn)其能夠改善老化瀝青的流變性能,提高低溫性能.Lo Presti等[14]和Borghi等[15]研究了松木油對(duì)老化瀝青再生性能的影響,發(fā)現(xiàn)松木油能夠恢復(fù)老化瀝青的物理性能與流變性能.曾夢(mèng)瀾等[16]發(fā)現(xiàn)隨著蓖麻油摻量的增加,再生瀝青針入度增大,軟化點(diǎn)降低,肖慶一等[17]亦發(fā)現(xiàn)植物油具備相同的規(guī)律.Zargar等[18]和Nciri等[19]研究發(fā)現(xiàn)廢食用油與廢棄油脂能提高老化瀝青的針入度與延度,降低其軟化點(diǎn)與黏度;Zahoor等[20]亦綜述廢食用油再生瀝青的可行性,發(fā)現(xiàn)了相同的再生規(guī)律,但油的酸值及含水量對(duì)再生效果有不利影響.張雪飛等[21-22]和彭樣[23]研究了木焦油基和桐油再生瀝青,發(fā)現(xiàn)二者具有較好的抗老化性.李君峰[24]亦發(fā)現(xiàn)蓖麻油再生瀝青的抗老化性不低于原樣瀝青,表明生物質(zhì)油能提高瀝青的抗老化性.

綜上所述,研究人員對(duì)生物質(zhì)油再生老化瀝青進(jìn)行了大量研究,但缺乏對(duì)不同種類生物質(zhì)油再生效果的綜合對(duì)比,對(duì)生物質(zhì)油再生效果存在差異性的原因尚未明確.因此,本文主要以4種短期老化瀝青為研究對(duì)象,采用5種不同種類的生物質(zhì)油來(lái)恢復(fù)老化瀝青的性能.通過(guò)三大指標(biāo)試驗(yàn)和布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)比較5種生物質(zhì)油對(duì)4種老化瀝青性能的恢復(fù)效果.通過(guò)傅里葉變換紅外光譜試驗(yàn)研究生物質(zhì)油再生效果的差異性,為生物質(zhì)油作為再生劑提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

(1)瀝青

本文選用4種瀝青進(jìn)行研究,分別為鑫海70#、倫特70#、殼牌70#和倫特90#瀝青,4種瀝青物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 瀝青物理性能指標(biāo)

(2)生物質(zhì)油

本研究選用的5種生物質(zhì)油由衡水前進(jìn)油脂有限責(zé)任公司、新疆普朗克能源有限公司、禾樂(lè)生物質(zhì)燃料(唐山)有限公司以及溫州甬文設(shè)備提供,原材料為稻殼、蓖麻、棉籽、毛竹和果木,均通過(guò)快速熱裂解的方式制備.5種生物質(zhì)油分別記為稻殼類生物質(zhì)油(A)、蓖麻類生物質(zhì)油(B)、棉籽類生物質(zhì)油(C)、毛竹類生物質(zhì)油(D)和果木類生物質(zhì)油(E),其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2.

表2 生物質(zhì)油技術(shù)指標(biāo)

1.2 老化瀝青的制備

采用現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[25](以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)規(guī)程)T0610中RTFOT的方式制備短期老化瀝青,其物理性能指標(biāo)見(jiàn)表3.

表3 短期老化瀝青物理性能指標(biāo)

1.3 再生瀝青的制備

生物質(zhì)油中含有一定的水分,如果直接使用,攪拌過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量氣泡,導(dǎo)致瀝青出現(xiàn)輕微噴濺現(xiàn)象,同時(shí)隨著水分蒸發(fā),生物質(zhì)油的摻量會(huì)出現(xiàn)誤差,影響生物質(zhì)油的再生效果.為了避免瀝青噴濺,減少水分對(duì)生物質(zhì)油再生效果的影響,需要對(duì)生物質(zhì)油進(jìn)行預(yù)處理.預(yù)處理的溫度為100 ℃,試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn):當(dāng)溫度低于100 ℃時(shí),處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng);高于100 ℃時(shí),蒸發(fā)過(guò)程中不僅去除了水分,還會(huì)使少量的輕質(zhì)組分揮發(fā),過(guò)高的溫度使得果木類生物質(zhì)油出現(xiàn)細(xì)小結(jié)塊現(xiàn)象,破壞了生物質(zhì)油本身的性質(zhì).參考朱洪洲等[26]的處理方式,確定本文的預(yù)處理方式如下:將生物質(zhì)油置于燒杯中,用電爐進(jìn)行加熱,并用玻璃棒不斷攪拌,溫度控制在100 ℃,直到生物質(zhì)油中無(wú)氣泡產(chǎn)生.

一些研究者[27-28]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)油摻量在10%以下,老化瀝青的再生效果較好.Fang等[29]綜述了生物質(zhì)油再生老化瀝青的應(yīng)用,總結(jié)了生物質(zhì)油再生瀝青的制備工藝范圍:剪切溫度130～145 ℃;剪切時(shí)間10～30 min;剪切速率1 000～3 000 r/min.結(jié)合現(xiàn)有的研究成果,確定本文的制備方式如下:將預(yù)處理得到的生物質(zhì)油按10%(外摻)加入老化瀝青中,在135 ℃下,采用“手動(dòng)+剪切機(jī)”的攪拌方式將二者充分混合,手動(dòng)攪拌20 min,剪切機(jī)以2 000 r/min剪切10 min,最終制得生物質(zhì)油再生瀝青.

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 三大指標(biāo)試驗(yàn) 對(duì)原樣瀝青、老化瀝青和生物質(zhì)油再生瀝青進(jìn)行25 ℃針入度、10 ℃延度和軟化點(diǎn)測(cè)試,均按照試驗(yàn)規(guī)程中T0604、T0605和T0606執(zhí)行.

1.4.2 布氏旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn) 采用黏度儀(Brookfield DV-Ⅱ+Pro型)對(duì)原樣瀝青、老化瀝青和生物質(zhì)油再生瀝青,在115、125、135、145和155 ℃下進(jìn)行黏度測(cè)試,并繪制黏溫曲線,評(píng)價(jià)生物質(zhì)油對(duì)老化瀝青黏度的影響.

1.4.3 傅里葉變換紅外光譜試驗(yàn) 通過(guò)傅里葉變換紅外光譜試驗(yàn)對(duì)5種生物質(zhì)油進(jìn)行官能團(tuán)結(jié)構(gòu)分析,探究不同種類生物質(zhì)油再生效果存在差異性的原因.

2 結(jié)果與討論

2.1 生物質(zhì)油對(duì)老化瀝青三大指標(biāo)的影響

2.1.1 針入度 針入度是我國(guó)瀝青標(biāo)號(hào)劃分的主要依據(jù),能表征瀝青的軟硬程度,針入度越大,瀝青越軟;反之,瀝青越硬.不同種類生物質(zhì)油對(duì)老化瀝青針入度的影響如圖1所示.

(a)鑫海70#

以原樣瀝青和老化瀝青的針入度作為參考線,由圖1(a)～(c)可知:3種70#瀝青老化后,針入度降低;加入10%的生物質(zhì)油再生,針入度顯著提高.針入度的提高可能是生物質(zhì)油中富含的芳香分與飽和分發(fā)揮了軟化、稀釋的作用[30].

不同種類生物質(zhì)油對(duì)老化瀝青針入度的恢復(fù)程度有所差異:生物質(zhì)油A能使倫特70#與殼牌70#老化瀝青的針入度恢復(fù)至原樣瀝青狀態(tài),顯著提高鑫海70#老化瀝青的針入度;生物質(zhì)油B、D、E可以使老化瀝青針入度恢復(fù)至原樣瀝青狀態(tài),其中生物質(zhì)油B、E使70#老化瀝青針入度的增幅超過(guò)160%;生物質(zhì)油C是5種生物質(zhì)油中再生效果最差的,雖然能使老化瀝青的針入度提高,但未達(dá)到原瀝青針入度的要求.

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)(以下簡(jiǎn)稱規(guī)范)[31]規(guī)定70#石油瀝青的針入度為60～80(0.1 mm).當(dāng)生物質(zhì)油摻量為10%時(shí),生物質(zhì)油A使倫特70#與殼牌70#老化瀝青的針入度超出規(guī)范范圍;生物質(zhì)油D使倫特70#老化瀝青的針入度超出規(guī)范范圍;生物質(zhì)油B、E再生瀝青的針入度也超出規(guī)范范圍,生物質(zhì)油E再生瀝青針入度竟高達(dá)120(0.1 mm),遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)范要求.相同摻量下,生物質(zhì)油C再生瀝青的針入度均滿足規(guī)范要求.因此,對(duì)于70#老化瀝青,生物質(zhì)油的摻量應(yīng)控制在10%以下.根據(jù)生物質(zhì)油對(duì)70#老化瀝青針入度恢復(fù)情況,得出生物質(zhì)油再生效果排序:生物質(zhì)油B、E再生效果最佳,生物質(zhì)油A、D次之,生物質(zhì)油C再生效果最差.

根據(jù)圖1(d)可知,倫特90#瀝青老化后,針入度下降了36.8%,加入生物質(zhì)油后,針入度提高.規(guī)范中規(guī)定90#石油瀝青的針入度為80～100(0.1 mm).在10%的摻量下,生物質(zhì)油B、E使老化瀝青的針入度恢復(fù)至118(0.1 mm)以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)范范圍,并且高于原瀝青的針入度.相同摻量下,生物質(zhì)油A、C、D只能在一定程度上提高老化瀝青的針入度,再生瀝青的針入度不滿足規(guī)范要求,表明生物質(zhì)油A、C、D的再生效果劣于生物質(zhì)油B、E.

2.1.2 軟化點(diǎn) 軟化點(diǎn)反映了石油瀝青高溫穩(wěn)定性的好壞.5種生物質(zhì)油對(duì)4種老化瀝青軟化點(diǎn)的影響如圖2所示.

(a)鑫海70#

由圖2(a)～(c)可知:70#老化瀝青的軟化點(diǎn)隨著生物質(zhì)油的摻加而降低,但降低幅度因生物質(zhì)油種類的不同而存在差異.生物質(zhì)油B、E的降低幅度最大,生物質(zhì)油A、D次之,生物質(zhì)油C降幅最小.規(guī)范中規(guī)定70#石油瀝青軟化點(diǎn)應(yīng)高于44 ℃.生物質(zhì)油E摻量為10%時(shí),倫特70#與殼牌70#再生瀝青的軟化點(diǎn)低于44 ℃,不滿足規(guī)范要求.相同摻量下,生物質(zhì)油A、B、C、D再生瀝青軟化點(diǎn)滿足規(guī)范要求.

根據(jù)圖2(d)可知:倫特90#瀝青老化后,軟化點(diǎn)提高.相同摻量下,不同種類生物質(zhì)油對(duì)倫特90#老化瀝青軟化點(diǎn)的降幅與70#老化瀝青軟化點(diǎn)的降幅規(guī)律相同.在10%的摻量下,5種生物質(zhì)油再生瀝青的軟化點(diǎn)滿足規(guī)范要求,均高于43 ℃.因此,生物質(zhì)油的摻量應(yīng)控制在10%以下,過(guò)量摻入會(huì)影響再生瀝青的高溫穩(wěn)定性.

2.1.3 延度 延度是表征石油瀝青低溫性能的重要指標(biāo).圖3反映了生物質(zhì)油對(duì)老化瀝青延度的影響.

(a)鑫海70#

由圖3(a)～(c)可知,生物質(zhì)油改善了70#老化瀝青的延度,不同種類生物質(zhì)油對(duì)老化瀝青延度的改善效果存在差異.生物質(zhì)油B、E改善效果最好,生物質(zhì)油A、C、D的改善效果稍差.規(guī)范中規(guī)定70#石油瀝青的延度不低于15 cm,生物質(zhì)油再生瀝青的延度均能滿足規(guī)范要求.在10%的摻量下,生物質(zhì)油B的改善能力最好,能使鑫海70#與殼牌70#老化瀝青的延度恢復(fù)至原樣瀝青狀態(tài),有效地改善了瀝青的低溫性能.其他4種生物質(zhì)油的改善效果較弱,再生后的瀝青低溫性能較差.

由圖3(d)可以看出,生物質(zhì)油對(duì)倫特90#老化瀝青延度的改善能力弱于對(duì)70#老化瀝青的.相同摻量下,生物質(zhì)油A、C、D對(duì)倫特90#老化瀝青的改善效果較差;生物質(zhì)油B對(duì)延度的改善效果最好,生物質(zhì)油E次之.規(guī)范中規(guī)定90#瀝青的延度不低于15 cm,生物質(zhì)油C再生瀝青的延度不符合規(guī)范要求,其余4種再生瀝青的延度滿足規(guī)范要求.

2.2 生物質(zhì)油對(duì)老化瀝青黏度的影響

黏度是表征瀝青在外力作用下抵抗剪切變形的能力[7],可以用來(lái)確定瀝青混合料施工拌和溫度與壓實(shí)溫度.135 ℃下的布氏旋轉(zhuǎn)黏度通常用來(lái)表征瀝青的施工性能[32].圖4表明了瀝青在不同溫度下的黏度.

(a)鑫海70#

由圖4可知:瀝青老化后,黏度顯著提高,導(dǎo)致瀝青變硬;隨著溫度的升高,老化瀝青的黏度逐漸下降.相同溫度下,隨著生物質(zhì)油的加入,老化瀝青的黏度顯著降低.再生瀝青的黏度與原樣瀝青、老化瀝青具有相同的變化規(guī)律,均隨溫度的升高呈現(xiàn)下降的趨勢(shì).

生物質(zhì)油A摻量為10%時(shí),鑫海70#、倫特70#、殼牌70#與倫特90#再生瀝青的黏度比老化瀝青在135 ℃下的黏度分別降低了50.8%、38.3%、29.2%和34.9%;相同摻量及溫度下,摻加生物質(zhì)油B的再生瀝青黏度降幅為57.8%、42.5%、34.3%和45.4%,摻加生物質(zhì)油C的再生瀝青黏度降幅為12.4%、15.0%、22.8%和18.8%,摻加生物質(zhì)油D的再生瀝青黏度降幅為40.2%、30.6%、39.5%和32.5%,摻加生物質(zhì)油E的再生瀝青黏度降幅為59.6%、38.3%、56.2%和38.5%.5種生物質(zhì)油對(duì)老化瀝青具有較好降黏效果.在135 ℃時(shí),除生物質(zhì)油C再生瀝青外,其他4種生物質(zhì)油再生瀝青的黏度均接近或低于原樣瀝青的黏度;其中,生物質(zhì)油B、E的降黏效果最好,生物質(zhì)油A、D次之,生物質(zhì)油C降黏效果最差,與生物質(zhì)油再生瀝青的三大指標(biāo)恢復(fù)效果一致.

2.3 生物質(zhì)油紅外變換光譜結(jié)果分析

采用德國(guó)Bruker公司生產(chǎn)的傅里葉變換紅外光譜儀對(duì)5種生物質(zhì)油進(jìn)行紅外光譜檢測(cè),探究不同種類生物質(zhì)油對(duì)老化瀝青再生效果存在差異性的原因.生物質(zhì)油紅外光譜圖如圖5所示.

圖5 生物質(zhì)油紅外光譜圖

由圖5可知:5種生物質(zhì)油在紅外光譜圖上吸收峰的位置幾乎一致,主要包括:3 084、2 926、2 852、1 709、1 601、1 584、1 465、1 376、1 225、932、836、777、623和445 cm-1,生物質(zhì)油B比其他4種生物質(zhì)油多出一個(gè)吸收峰724 cm-1,表明5種生物質(zhì)油含有相同的官能團(tuán)結(jié)構(gòu).

3 結(jié) 論

(1)生物質(zhì)油能有效恢復(fù)老化瀝青的物理性能.老化瀝青中摻入10%的生物質(zhì)油,其針入度與延度顯著提高,軟化點(diǎn)與黏度明顯降低,改善了老化瀝青硬脆的現(xiàn)象.

(2)生物質(zhì)油對(duì)老化瀝青的再生效果存在差異性,蓖麻類和果木類生物質(zhì)油的再生效果最好,稻殼類和毛竹類生物質(zhì)油次之,棉籽類生物質(zhì)油再生效果最差.

(3)5種生物質(zhì)油含有相同的官能團(tuán)結(jié)構(gòu),蓖麻類和果木類生物質(zhì)油所含的芳香族化合物多于稻殼類、棉籽類和毛竹類生物質(zhì)油,生物質(zhì)油中的芳香族化合物強(qiáng)度影響著再生效果.

(4)對(duì)于70#老化瀝青,5種生物質(zhì)油的摻量應(yīng)控制在10%以下;對(duì)于90#老化瀝青,蓖麻類和果木類生物質(zhì)油的摻量應(yīng)控制在10%以下,稻殼類、棉籽類和毛竹類生物質(zhì)油摻量需提高.