植物油再生老化瀝青膠結料性能研究

曹雪娟，胡森，曹芯芯，毛鑫勃

(1.重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室，重慶 400074；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；3.重慶交通大學 材料科學與工程學院，重慶 400074)

瀝青路面的改造和維修會產生大量廢舊混合料(RAP)，RAP的回收利用目前是各國研究的熱點。RAP在新建路面中的應用具有較好的經濟和環境效益[1]。但是，過高RAP摻量會降低再生瀝青混合料的疲勞性能和水穩定性[2]。

Majid等研究表明，煎炸植物油再生瀝青與未老化瀝青路用性能沒有明顯差異[3]。張磊等發現植物油再生瀝青相比礦物油再生瀝青具有更好的低溫抗裂性能[4]。龔明輝采用生物柴油副產物油再生老化瀝青，研究表明老化瀝青流變性能得到較好的改善[5]。張東評價了不同老化程度的植物油對老化瀝青流變性能的影響，研究表明不同老化程度的植物油再生瀝青性能存在明顯差異[6]。植物油作為瀝青再生劑具有較好的應用潛力，但是不同工藝處理后的植物油再生瀝青性能存在明顯差異。

本研究選擇我國常見的三種植物油和一種礦物油再生劑，通過三大指標、流變性能和紅外光譜，考察不同再生劑對老化瀝青的再生效果。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

新鮮大豆油(X)；煎炸大豆油(J)；生物柴油副產物油(S)；傳統礦物油再生劑(C)；東海AH-70號瀝青(基質瀝青)；老化瀝青，由AH-70瀝青制備(參照T 0610—2011瀝青旋轉薄膜加熱試驗(RTFOT)和T 0630—2011壓力老化容器加速瀝青老化試驗(PAV))，性能見表1。

表1 基質瀝青與老化瀝青性能指標Table 1 Properties of virgin bitumen and aged bitumen

TA-315動態剪切流變儀(DSR)；ZH-123針入度儀；R-416軟化點儀；SYD-4508C延度儀；ZY-412高速剪切機；101-4A壓力老化容器；85型旋轉薄膜烘箱；FTIR-650紅外光譜儀。

1.2 實驗方法

將老化瀝青加熱至135 ℃，分別摻入0，3%，6%，9%，12%(與老化瀝青的質量比計)的再生劑X、J、S、C，通過剪切試驗機以4 000 r/min的速率剪切10 min，制備再生瀝青。以再生瀝青的針入度恢復至基質瀝青水平確定最佳再生劑摻量，對最佳摻量下再生瀝青的延度、軟化點、流變性能進行測試。采用紅外光譜儀測試分析4種再生劑的官能團組成，以及最佳再生劑摻量下再生瀝青的官能團組成，通過特征官能團的變化分析再生機理。

2 結果與討論

2.1 三大指標

2.1.1 針入度 不同再生劑摻量下的再生瀝青的25 ℃針入度見圖1。

圖1 不同再生劑摻量下的再生瀝青針入度Fig.1 The penetration of rejuvenated asphalt with different dosage of rejuvenator

由圖1可知，再生瀝青的針入度隨著再生劑的摻量線性增加，不同再生劑對再生瀝青針入度的作用效果存在差異，三種植物油對再生瀝青的針入度影響作用均大于礦物再生劑，其中以新鮮大豆油的再生效率最高。以老化瀝青針入度恢復至基質瀝青水平為標準，確定再生劑的最佳摻量，得到新鮮大豆油(X)、煎炸大豆油(J)、生物柴油副產物油(S)、礦物油再生劑(C)的最佳摻量分別是4%，4.5%，6.5%，9%。

2.1.2 延度 延度越大意味著瀝青的低溫抗裂性能越好。基質瀝青、老化瀝青和最佳再生劑摻量下再生瀝青的延度測試結果見圖2。

圖2 基質、老化與再生瀝青延度Fig.2 Base，aging and recycling asphalt ductility

由圖2可知，新鮮大豆油(X)、煎炸大豆油(J)、生物柴油副產物油(S)、礦物油再生劑(C)再生瀝青的延度分別是8，12，5，12 cm，老化瀝青的延度是4.0 cm，表明植物油和礦物油再生劑均提高老化瀝青延度，改善老化瀝青低溫抗裂性，其中煎炸大豆油和礦物油再生劑再生效果最好，新鮮大豆油次之，生物柴油副產物油再生效果最差。

2.1.3 軟化點 軟化點越高，抗車轍能力越好，反之，抗車轍能力越差。基質瀝青、老化瀝青和再生瀝青的軟化點見圖3。

圖3 基質、老化與再生瀝青軟化點Fig.3 Matrix，aging and recycled asphalt softening point

由圖3可知，在最佳再生劑摻量下，4種再生瀝青與基質瀝青軟化點相近，但均明顯低于老化瀝青。這表明再生劑的加入降低了老化瀝青的高溫性能，但均不差于基質瀝青。

2.2 流變性質

2.2.1 復數模量與相位角 高溫時，復合模量G*越大，則表示瀝青的勁度越大，抗流動變形能力就越強；瀝青的相位角δ越大，表示瀝青的粘性成分越多，也就是瀝青的不可恢復變形越大，瀝青越容易產生永久變形，反之瀝青的δ越小，則瀝青的彈性性能越強，彈性恢復性能就越好。圖4為基質、老化與再生瀝青在不同溫度下的復數模量與相位角。

圖4 基質、老化與再生瀝青溫度掃描結果Fig.4 Temperature scanning results of substrate， aging and recycled asphalt

由圖4可知，隨著溫度的升高，瀝青的復合模量逐漸降低，相位角逐漸增加，表明瀝青粘性成分逐漸增多，而彈性成分逐漸減少，抗變形能力降低。在相同溫度下，老化瀝青復數模量最大，表明瀝青老化后彈性成分增加，抗變形能力提高。隨著再生劑的加入，老化瀝青相位角增加，復數模量降低，且不同再生劑再生瀝青的復數模量和相位角存在明顯差異，表明再生劑對老化瀝青的粘彈組分的恢復效果是不同的。生物柴油副產物油(S)可恢復老化瀝青復數模量至基質瀝青水平，但4種再生劑均不能恢復老化瀝青相位角至基質瀝青水平。

2.2.2 車轍因子 瀝青的車轍因子G*/sinδ越大，高溫時的流動變形越小，抵抗車轍的能力越強。圖5為不同溫度下基質瀝青、老化瀝青和再生瀝青的車轍因子。

由圖5可知，隨著溫度升高，瀝青車轍因子降低，瀝青抗車轍能力下降。在溫度低于60 ℃時，在相同溫度下老化瀝青車轍因子最大，表明瀝青老化作用提高了瀝青抗車轍能力。加入再生劑后再生瀝青車轍因子均低于老化瀝青，表明再生劑的加入對瀝青高溫穩定性是不利的。礦物油再生劑(C)再生瀝青與基質瀝青的車轍因子隨溫度變化趨勢基本一致，表明礦物油再生劑恢復了老化瀝青的高溫穩定性和溫度敏感性。生物柴油副產物油(S)再生瀝青比其它再生劑再生瀝青的車轍因子更高，因而生物柴油副產物油對再生瀝青高溫穩定性損害最小。

圖5 不同溫度下基質瀝青、老化瀝青與再生瀝青車轍因子Fig.5 Rutting factors of asphalt，aging asphalt and recycled asphalt at different temperatures

2.3 紅外光譜分析

2.3.1 再生劑紅外光譜分析 生物柴油副產物油(S)、煎炸植物油(J)、新鮮植物油(X)、礦物油再生劑(C)紅外光譜見圖6。

圖6 再生劑紅外光譜圖Fig.6 Regenerative infrared spectroscopy

2.3.2 再生瀝青紅外光譜分析 一般認為老化瀝青加入再生劑后，羰基與亞砜基官能團吸收強度減弱[7]，式(1)、式(2)常用于計算瀝青再生前后羰基與亞砜基吸收強度指數的變化。

(1)

(2)

式中A1——碳碳單鍵峰區(以1 410～1 510 cm-1為中心)面積；

A2——亞砜基峰區(以930～1 080 cm-1為中心)面積；

A3——羰基峰區(以1 670～1 750 cm-1為中心)面積。

圖7為基質瀝青、老化瀝青和不同再生劑再生瀝青在亞砜基(930～1 080 cm-1)和羰基(1 670～1 750 cm-1)處的紅外光譜圖。

圖7 基質瀝青、老化瀝青與再生瀝青特征官能團紅外光譜圖Fig.7 Infrared spectra of functional groups of base asphalt， aging asphalt and recycled asphalt

由圖7可知，瀝青老化后羰基與亞砜基官能團吸收強度顯著增加，表明瀝青老化后形成極性較強的含氧化合物。加入4種再生劑后老化瀝青亞砜基官能團吸收強度減弱，羰基官能團吸收強度因再生劑種類而不同。

表2為基質瀝青、老化瀝青與再生瀝青羰基與亞砜基強度指數。

表2 基質瀝青、老化瀝青與再生瀝青特征官能團強度指數Table 2 Strength index of characteristic functional groups of base asphalt，aging asphalt and recycled asphalt

由表2可知，4種再生劑均降低了老化瀝青中亞砜基的強度指數，3種植物油再生劑X、J、S對亞砜基的降低效果與其摻量呈正比。礦物油再生劑C摻量最高，對亞砜基的降低效果并不十分明顯，因為C中含有少量亞砜基。老化瀝青中羰基在加入再生劑后強度指數呈現不同變化趨勢，加入植物油再生劑X、J、S后羰基含量增加，加入礦物油再生劑C后羰基含量降低，因為植物油含有大量羰基，而礦物油基本不含羰基。

3 結論

(1)老化瀝青針入度恢復至基質瀝青水平時的再生劑新鮮大豆油(X)、煎炸大豆油(J)、生物柴油副產物油(S)、礦物油再生劑(C)的最佳摻量分別是4%，4.5%，6.5%，9%。4種再生劑均可提高老化瀝青延度，但會降低其軟化點。

(2)4種再生劑對老化瀝青復數模量和相位角的恢復作用存在差異，生物柴油副產物油(S)可恢復老化瀝青復數模量至基質瀝青水平，但4種再生劑均不能恢復老化瀝青相位角至基質瀝青水平。4種再生劑均降低了老化瀝青的高溫抗車轍性能。

(3)新鮮大豆油(X)、煎炸大豆油(J)、生物柴油副產物油(S)3種植物油相比礦物再生劑具有環保性，因為植物油不含致癌性的稠環芳烴。瀝青老化后生成強極性的羰基和亞砜基，加入4種再生劑后老化瀝青亞砜基含量均降低。羰基含量因再生劑種類而發生不同變化，因為植物油本身含有大量羰基，礦物油再生劑降低羰基含量，植物油增加羰基含量。