廢食用油-橡膠粉復(fù)合再生改性廢舊瀝青路用性能研究

顏建春，田 華，賈艷領(lǐng)，3，莫繼祿，3

(1.廣西北部灣投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007；3.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007)

0 引言

在中國(guó)，公路建設(shè)飛速發(fā)展，消耗了大量用于修建路面的原材料，目前，道路工作者已逐步將養(yǎng)護(hù)維修階段產(chǎn)生的廢舊料回收，并重新應(yīng)用于路面中[1-3]。在回收再利用廢舊瀝青混合料時(shí)，再生劑占據(jù)著極其重要的地位，許多研究致力于尋找合適的再生劑以提高再生瀝青混合料的性能[4-5]。

由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，廢舊油脂的產(chǎn)量逐漸成為一個(gè)龐大的數(shù)字。近年來(lái)，不少研究將其作為改性劑或再生劑應(yīng)用于瀝青中，在改善石油瀝青性能的同時(shí)可緩解其帶來(lái)的巨大環(huán)保壓力[6-7]。生物油是目前公認(rèn)的良好的再生劑，但生物油再生廢舊瀝青混合料的路用性能僅處于與基質(zhì)瀝青相當(dāng)?shù)乃?，難以滿足與日俱增的交通對(duì)道路性能的需求[8]。橡膠粉因具有良好的彈性，常被用來(lái)提高瀝青的高溫性能，橡膠改性瀝青在國(guó)內(nèi)外高等級(jí)道路上得到廣泛應(yīng)用[9-10]。

為此，本文嘗試結(jié)合廢食用油和廢橡膠粉兩種廢舊材料，對(duì)廢舊瀝青進(jìn)行同步再生與改性，以提高再生瀝青的性能。分別通過(guò)開展溫度掃描試驗(yàn)、低溫彎曲梁試驗(yàn)和老化試驗(yàn)，揭示廢食用油-橡膠粉復(fù)合再生改性廢舊瀝青的高低溫流變性能和抗老化性能。

1 原材料與試驗(yàn)制備

1.1 原材料

本文選取的基質(zhì)瀝青的標(biāo)號(hào)為70#，其物理指標(biāo)如表1所示。

表1 70#基質(zhì)瀝青的物理指標(biāo)表

生物油的來(lái)源和質(zhì)量對(duì)再生瀝青的性能有很大的影響。本文使用的生物油為廢食用油使用后得到的廢棄物，其基本性能如表2所示。

表2 廢食用油的基本性能表

本文使用廢舊橡膠輪胎經(jīng)粉碎加工后得到的橡膠粉，其尺寸為400目。其物化指標(biāo)如表3所示。

表3 橡膠的物化指標(biāo)表

1.2 瀝青材料的制備

為評(píng)估廢食用油-橡膠粉復(fù)合再生改性廢舊瀝青各方面的性能，本文以基質(zhì)瀝青與老化瀝青為參照，對(duì)比分析了三種瀝青的高溫性能、低溫性能與抗老化性能。

本文的老化瀝青為實(shí)驗(yàn)室制老化瀝青，即將基質(zhì)瀝青按照《瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中規(guī)定的旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFO)和壓力老化(PAV)試驗(yàn)處理后得到的老化瀝青。以4∶1的質(zhì)量比制備了廢食用油-橡膠粉共混物，兩者在260 ℃下攪拌70 min后，以老化瀝青總質(zhì)量的10%摻量加入到老化瀝青中，通過(guò)高速剪切儀，在175 ℃剪切1 h制備了廢食用油-橡膠粉復(fù)合再生改性廢舊瀝青。

2 再生瀝青的高溫性能

對(duì)于瀝青膠結(jié)料而言，其高溫性能是一個(gè)極其重要的指標(biāo)。瀝青常用的高溫性能評(píng)價(jià)方法包括旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)(RV)、溫度掃描實(shí)驗(yàn)(TS)、頻率掃描試驗(yàn)(FS)和多重應(yīng)力恢復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)(MSCR)，本文采用TS和MSCR分別揭示再生瀝青在不同溫度和不同應(yīng)力水平下的高溫性能。

2.1 溫度掃描

分別在64 ℃、70 ℃、76 ℃下開展溫度掃描試驗(yàn)。圖1表示了三種瀝青的相位角值?；|(zhì)瀝青在這三個(gè)溫度下的相位角變化較小，但在70 ℃和76 ℃時(shí)其相位角就已經(jīng)非常接近90°，接近黏性體，幾乎失去彈性，基質(zhì)瀝青老化后表現(xiàn)為相位角降低，因此老化瀝青的相位角比基質(zhì)瀝青小，兩種再生劑加入后相位角略有升高，但較基質(zhì)瀝青而言，再生瀝青仍然具有較低的相位角。

圖1 三種瀝青的相位角示意圖

如下頁(yè)圖2所示，三種瀝青的復(fù)數(shù)模量相差較大，老化瀝青具有最大的復(fù)數(shù)模量，其次是再生瀝青，最后是基質(zhì)瀝青，在這三個(gè)試驗(yàn)溫度下，老化瀝青和再生瀝青的復(fù)數(shù)模量還沒(méi)有<1 000 Pa，說(shuō)明這兩種瀝青在76 ℃的高溫下仍然能滿足高溫性能的要求；而基質(zhì)瀝青在還沒(méi)有到達(dá)70 ℃時(shí)復(fù)數(shù)模量就已經(jīng)<1 000 Pa，瀝青已經(jīng)失效，老化瀝青和再生瀝青的高溫性能明顯好于基質(zhì)瀝青。由圖2可知，再生劑的加入降低了老化瀝青的高溫性能，這是廢食用油的加入帶來(lái)的影響，但由于老化瀝青的高溫性能極好，再生瀝青仍然具有較好的抗車轍變形能力。

圖2 三種瀝青的復(fù)數(shù)模量示意圖

2.2 多重應(yīng)力恢復(fù)蠕變

多重應(yīng)力恢復(fù)蠕變?cè)囼?yàn)與溫度掃描試驗(yàn)一樣，均由動(dòng)態(tài)剪切流變儀完成。采用短期老化狀態(tài)的三種瀝青進(jìn)行該試驗(yàn)，在60 ℃下將三種瀝青分別施加0.1 kPa和3.2 kPa的應(yīng)力水平，獲得其剪切應(yīng)變，計(jì)算不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭u(píng)價(jià)瀝青的抗車轍性能，結(jié)果如下頁(yè)圖3所示。

圖3 三種瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃渴疽鈭D

不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃吭叫。瑸r青的高溫性能越好。如圖3所示，基質(zhì)瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃孔畲?，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了老化瀝青和再生瀝青。老化瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐岛苄?，可能是其?jīng)歷的老化過(guò)程較多，由于硬化效應(yīng)使其在應(yīng)力的作用下產(chǎn)生的變形較小。由溫度掃描試驗(yàn)的相位角結(jié)果也可知，老化瀝青中含有較多的彈性組分，因此其恢復(fù)的變形也較多，具有較好的高溫抗車轍性能。再生瀝青的不可恢復(fù)蠕變高于老化瀝青，再生劑的加入降低了老化瀝青的高溫性能，這與溫度掃描結(jié)果一致。

3 再生瀝青的低溫性能

廢舊瀝青混合料中的瀝青膠結(jié)料在使用過(guò)程中發(fā)生了嚴(yán)重的老化，其顯著特點(diǎn)是低溫性能變差，將瀝青再生的目的之一是提高老化瀝青的低溫流變性能[11]。為了揭示復(fù)合再生劑對(duì)老化瀝青低溫性能的再生效果，將基質(zhì)瀝青、老化瀝青和再生瀝青分別在-12 ℃和-18 ℃的溫度下進(jìn)行低溫彎曲梁試驗(yàn)。較低的蠕變剛度和較高的蠕變速率表明較好的低溫性能。

圖4和圖5顯示了三種瀝青的勁度模量和蠕變速率。由圖可知，老化瀝青無(wú)論在-12 ℃還是-18 ℃下都具有較高的蠕變剛度和較低的蠕變速率，這是瀝青在經(jīng)歷短期老化和長(zhǎng)期老化后變硬變脆導(dǎo)致的，其低溫性能最差，但當(dāng)復(fù)合再生劑加入到老化瀝青后，瀝青的勁度模量顯著降低，而蠕變速率顯著提高。由圖可知，再生瀝青的低溫性能比基質(zhì)瀝青和老化瀝青的低溫性能好，廢食用油的加入消除了老化瀝青部分的硬化脆化效應(yīng)，使得老化瀝青的低溫性能顯著提升。

圖4 -12 ℃和-18 ℃下三種瀝青的勁度模量示意圖

圖5 -12 ℃和-18 ℃下三種瀝青的蠕變速率示意圖

4 再生瀝青的抗老化性能

本文通過(guò)原樣瀝青、短期老化瀝青和長(zhǎng)期老化瀝青的溫度掃描試驗(yàn)，根據(jù)復(fù)數(shù)模量老化指數(shù)(CMAI)和相位角(PMAI)老化指數(shù)評(píng)價(jià)再生劑對(duì)老化瀝青抗老化性能的影響，兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算公式如式(1)和式(2)所示。圖6和圖7展示了三種瀝青的CMAI和PMAI值。較低的CMAI值和較高的PAAI值意味著瀝青具有更好的抗老化性能[12]。

(1)

(2)

由圖6和圖7可知，隨著溫度的升高，瀝青的CMAI值逐漸增加，PPAI值逐漸降低，說(shuō)明溫度會(huì)影響瀝青的抗老化性能，當(dāng)溫度升高時(shí)，瀝青將會(huì)發(fā)生更嚴(yán)重的老化。另外，三種瀝青的CMAI從小到大排序依次為再生瀝青、基質(zhì)瀝青、老化瀝青，PAAI從大到小的排序也是如此，說(shuō)明老化瀝青經(jīng)歷短期老化或長(zhǎng)期老化后性能變化較為顯著，表現(xiàn)出較高的老化敏感性。添加廢食用油和橡膠粉復(fù)合再生劑后，老化瀝青的CMAI值降低，PMAI值增高，表現(xiàn)出良好的抗老化性能，這意味著當(dāng)承受相同的短期老化和長(zhǎng)期老化時(shí)，再生瀝青的性能劣化速度較老化瀝青和基質(zhì)瀝青而言相對(duì)緩慢。

(a)短期老化

(a)短期老化

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)溫度掃描試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)、低溫彎曲梁試驗(yàn)和老化試驗(yàn)揭示了廢食用油-橡膠再生瀝青的路用性能。結(jié)果表明：廢食用油-橡膠復(fù)合再生劑改善了老化瀝青的低溫流變性能和老化性能；廢食用油的加入降低了老化瀝青的高溫流變性能，但由于橡膠粉的存在，以及老化瀝青本身較好的高溫性能，獲得的再生瀝青的高溫性能仍然較好。綜上所述，廢食用油-橡膠再生瀝青具有優(yōu)異的高低溫流變性能和老化性能，可以作為再生瀝青的推廣應(yīng)用中考慮的復(fù)合再生劑。