廢機油與木質素在瀝青中的協同作用研究

呂東濱,胡 隆

(1.廣西高速公路投資有限公司,廣西 南寧 530022;2.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

由于車輛數量的增加伴隨著發動機油消耗量的逐步增加,在交通行業中,我國的廢機油年均產量為3 000多萬t[1]。然而其中只有40%的廢機油被妥善處理,僅僅8%能被回收利用。廢機油含有大量的鉛、鋅、鋇和鎂,如果使用過的機油沒有得到妥善處理,會威脅生態環境和人身健康。此外,木質素作為可再生資源,是全球僅次于纖維素的第二豐富生物材料[2]。在造紙行業中,每年平均會產生超千萬噸的木質素黑液副產品,如果處理不當,這些黑液廢棄物會造成環境污染。

在此背景下,許多研究結果表明,由于廢機油的化學成分與瀝青相似,在瀝青中添加廢機油能降低其剛度、黏度和高溫穩定性,而改善瀝青的低溫開裂和疲勞開裂性能[3-4]。廢機油還能降低瀝青中的羰基含量,抑制熱氧老化作用。同時,木質素已被證明可作為瀝青的改性劑,在瀝青中添加木質素可提高其粘附性、高溫抗變形能力和抗老化性能[5-6]。但木質素會使瀝青的蠕變剛度提高而蠕變速率值降低,對瀝青的低溫開裂有負面影響[7]。因此,可以考慮選擇不同特性的改性劑(如木質素和廢機油),基于二者的協同作用進行復合改性,來彌補單一改性對瀝青某項性能的負面影響。

盡管目前已有針對木質素和廢機油對瀝青性能影響的研究,但關于兩者在瀝青中協同作用的研究仍有不足。廢機油的軟化作用可改善瀝青的低溫抗裂性,而木質素在高溫下的硬化作用能提高瀝青的高溫抗車轍性能。因此,這兩種廢棄物的衍生物的綜合應用對瀝青性能具有改善效果,還能減緩因其處理問題而產生的環境壓力。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 原材料

選擇湖南某公司的70號A級道路石油瀝青作為基質瀝青,表1為瀝青的相關技術指標。使用的木質素是由江蘇某化工公司提供的基于木材和造紙工業黑液中提取的木質素,其基本性能如表2所示。廢機油是從湖南某汽車修理廠收集而來的,常溫下為黑色液體,且并未做任何特殊處理,其元素組成和物理性質如表3所示。

表1 基質瀝青的測試指標表

表2 木質素的元素組成及物理性質表

表3 廢機油的元素組成及物理性質表

1.2 改性瀝青制備

以基質瀝青、木質素和廢機油為原料,共制備了5種改性瀝青,如下頁表4所示。5種改性瀝青的制備均是使用高速剪切儀在150 ℃下以5 000 r/min的速度剪切45 min。對于L6+W5和L12+W5瀝青試樣的制備,改性劑的添加順序為先添加木質素后添加廢機油。對基質瀝青也采用上述改性瀝青的制備過程處理,以防止老化對瀝青試驗結果的影響。

1.3 試驗方法

為了評價復合改性瀝青的高溫性能,采用旋轉黏度試驗和多重應力蠕變與恢復(MSCR)試驗,黏度試樣為未老化瀝青,其測試溫度分別為135 ℃、150 ℃和165 ℃,而MSCR試驗針對短期老化瀝青,測試溫度為64 ℃。采用彎曲梁流變儀(BBR)試驗,評價長期老化后瀝青的低溫性能,試驗溫度分別為-6 ℃和-12 ℃。為表征木質素和廢機油對瀝青化學組成的影響,采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)試驗測定瀝青試樣的化學官能團組成。

表4 不同類型改性瀝青的組成匯總表

2 結果與討論

2.1 黏度指標

旋轉黏度能作為表征瀝青粘滯性能的指標,一般來說,旋轉黏度值越大,瀝青抗剪切作用變形的能力越強,則其高溫穩定性越好。瀝青黏度的差異性反映了瀝青路面力學行為的差異性。圖1顯示了不同類型瀝青在不同測試溫度下的黏度值。

圖1 旋轉黏度試驗結果柱狀圖

由圖1可知,在不同溫度下木質素的添加會使得瀝青黏度增加,并隨著木質素摻量的增加而增加,這表明木質素改善了瀝青的高溫抗變形能力,且在較低溫度下改善效果更為明顯;另一方面,W5的黏度與基質瀝青相比略低,說明廢機油會導致瀝青黏度降低,這是因為廢機油的軟化作用和輕質組分補充。與相同溫度下的基質瀝青相比,W5的黏度降低,而L6+W5、L12+W5、L6和L12的黏度均有明顯增加,這說明木質素可以彌補廢機油對瀝青的軟化效果,改善瀝青的高溫抗剪切變形的能力。

2.2 MSCR指標

MSCR試驗是基于復雜應力水平模式下的新型Superpave瀝青試驗,在兩種應力水平下分別測試得到兩種測試指標,即不可恢復蠕變柔量(Jnr)和彈性恢復率(R),試驗結果如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知,當應力水平從0.1 kPa增加到3.2 kPa時,R值下降而Jnr值增加。木質素的添加使得瀝青的R值增加而Jnr值降低,這表明木質素改善了瀝青的高溫抗車轍性能,這種性能提升對木質素12%摻量下的L12更為明顯。瀝青高溫性能的改善是因為木質素的硬化作用,這使得瀝青在高溫下具備足夠的剛度,而降低了其發生永久變形的可能性;另一方面,與基質瀝青相比W5的R值降低而Jnr增加,這說明廢機油改性瀝青的高溫穩定性低于基質瀝青。

圖2 MSCR試驗結果(0.1 kPa應力水平)柱狀圖

圖3 MSCR試驗結果(3.2 kPa應力水平)柱狀圖

同時,對于L6+W5和L12+W5兩種改性瀝青,木質素和廢機油的協同作用對瀝青高溫性能有所改善。與基質瀝青相比,L6+W5的高溫性能提升不大,而L12+W5的抗車轍性能明顯優于基質瀝青。這表明L12+W5由于自身的12%木質素摻量,可以抵消廢機油在高溫下的軟化作用,即廢機油和木質素在瀝青中的協同作用改善了其高溫性能。

2.3 BBR指標

為了評價瀝青對低溫開裂的抵抗力,對長期老化瀝青試樣進行了BBR試驗。將加載第60 s時的蠕變剛度(S)和蠕變速率(m)作為評價指標,具有較高m值和較低S值的瀝青抗低溫開裂性則越好。在不同測試溫度下BBR試驗結果如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知,與基質瀝青相比,L6和L12的S值略有增加。木質素摻量越高,瀝青的S值越大,而廢機油的添加則顯著降低了瀝青的S值。L6+W5和L12+W5的S值均低于基質瀝青,這是因為廢機油的軟化作用降低了木質素的硬化效果。同時,添加木質素會略微降低瀝青的m值,且摻量越高則下降幅度更為明顯。這表明木質素的添加使得瀝青吸收熱應力的性能變弱,且瀝青受熱應力作用后需要更長的時間恢復到其初始狀態。經廢機油改性的瀝青m值明顯高于基質瀝青,這表明廢機油能夠軟化瀝青,并使其在熱應力作用下仍具足夠的彈性。L6+W5和L12+W5的m值高于基質瀝青,這意味著其在低溫下的抗裂性能更佳。一般來說,由于廢機油在低溫下仍然平順且穩定性好,因此可以降低瀝青在低溫下的硬化效果。與基質瀝青相比,含有木質素和廢機油的復合改性瀝青表現出更好的低溫性能。在低溫下,廢機油的軟化作用比木質素的硬化作用更顯著,即廢機油和木質素在瀝青中的協同作用改善了低溫性能。

圖4 BBR試驗結果(-6 ℃)柱狀圖

圖5 BBR試驗結果(-12 ℃)柱狀圖

2.4 FTIR組成

采用美國iS50型FTIR光譜儀來表征瀝青試樣的官能團的差異性,在微觀層面揭示復合改性的作用機理。其中,FTIR測試的波長范圍設置為4 000～500 cm-1,4 000～1 300 cm-1為官能團區,而1 300～600 cm-1為指紋區。選擇基質瀝青、L12、W5和L12+W5這四種瀝青進行開展FTIR測試,結果如圖6所示。

圖6 瀝青試樣的FTIR試驗結果曲線圖

由圖6可知,木質素或廢機油的添加不會改變瀝青的特征吸收峰位置,而這些吸收峰的強度與改性劑的摻量有關。主要的特征吸收峰分別位于2 920 cm-1、2 850 cm-1、1 645 cm-1、1 450 cm-1、1 380 cm-1、815 cm-1和720 cm-1。這些吸收峰在木質素、廢機油和瀝青中具有相似波長和相同的來源,如C-H鍵的拉伸振動、彎曲振動和協同振動引起的。綜上所述,通過比較圖6中四種瀝青的FTIR結果,可以發現木質素和廢機油并未與瀝青產生新的官能團,因此木質素、廢機油和基質瀝青之間的協同作用是物理共混過程。

3 結語

(1)與基質瀝青相比,在瀝青中添加木質素增加了瀝青的黏度,而在瀝青中添加廢機油則降低了瀝青的黏度。廢機油的添加降低了木質素的硬化效果,因此,基于木質素與廢機油在瀝青中協同作用,復合改性瀝青的施工和易性優于單一木質素改性瀝青。

(2)MSCR試驗結果表明,在瀝青中添加木質素具有積極作用,而廢機油對瀝青的抗永久變形能力具有負面影響。木質素與廢機油在瀝青中的協同作用改善了瀝青的抗車轍性能。

(3)木質素會使瀝青的蠕變剛度增加而蠕變速率降低,從而降低了瀝青的抗低溫開裂性能;另一方面,添加廢機油則顯著降低了瀝青的蠕變剛度并增加了蠕變速率。與基質瀝青相比,含有木質素和廢機油的復合改性瀝青具有更佳的低溫性能。

(4)木質素、廢機油與基質瀝青的協同作用方式為物理共混,三者間沒有形成新的化學官能團。