趙夢珍, 徐周聰, 伍 杰, 李菁若, 池卓航
(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司, 重慶 400067; 2.中國建筑第四工程局有限公司, 廣州 510665)
為發(fā)揮廢棄物的循環(huán)利用價值和改善石油瀝青的技術(shù)性能,采用廢輪胎制成的膠粉改性瀝青和采用廢食用油恢復老化瀝青性能,得到越來越多公路技術(shù)研究者的關(guān)注。據(jù)報道,將膠粉摻入瀝青中可改善瀝青路面的高低溫性能[1-2],而廢食用油有利于將老化瀝青的性能恢復到原狀態(tài)[3],并可提高瀝青路面的低溫抗裂性和疲勞性能[4]。然而,橡膠瀝青的存貯穩(wěn)定性差限制了其性能發(fā)揮和工業(yè)化推廣,以廢食用油等生物質(zhì)為原料的生物瀝青高溫性能不足也成為影響其推廣應用的瓶頸。為了改善膠粉與瀝青的相容性,出現(xiàn)了脫硫膠粉代替普通膠粉、添加交聯(lián)劑、Terminal Blend膠粉改性瀝青技術(shù)等方法[5-6];為了提高生物瀝青的高溫性能,添加聚合物等進行復合改性成為備受青睞的方式[7]。然而,上述方法在不同程度上存在無法工業(yè)化推廣或技術(shù)復雜、成本較高等問題,且大多數(shù)研究還停留在實驗室階段。
針對橡膠瀝青和生物瀝青存在的問題,本研究提出采用廢食用油對膠粉進行預脫硫處理,脫硫產(chǎn)物命名為ODR改性劑,然后將SBS改性劑、硫磺添加至ODR改性瀝青以發(fā)生交聯(lián)反應,彌補脫硫膠粉與小分子量廢食用油對瀝青高溫性能的損傷,獲得綜合性能優(yōu)異的復合改性瀝青。該工藝基于美國的Terminal Blend膠粉改性瀝青技術(shù),即將膠粉在高溫瀝青中長時間脫硫以改善二者相容性,然后利用SBS和交聯(lián)劑獲得具有優(yōu)異性能的膠粉改性瀝青。實踐表明,Terminal Blend技術(shù)在使用過程中,由于長時間高溫攪拌導致瀝青輕組分揮發(fā),易發(fā)生燃燒與爆炸,也易使瀝青老化。因此,該技術(shù)的制備工藝要求極高,且需要使用閃點高、品質(zhì)好的石油瀝青。上述問題限制了該技術(shù)的發(fā)展與推廣。本研究提出的工藝將膠粉的脫硫液體環(huán)境替換為閃點高、高溫穩(wěn)定的廢食用油,具有以下優(yōu)點:1) 消除了膠粉在瀝青中長時間脫硫存在的安全隱患和瀝青老化,且可將膠粉的脫硫程度控制在合理范圍;2) 利用廢食用油對瀝青低溫性能和抗疲勞性能的改善作用;3) 廢食用油的再回收利用具有顯著的環(huán)保意義。
目前,ODR與SBS改性劑對瀝青膠結(jié)料性能的影響已見報道[8],但鮮有對ODR/SBS復合改性瀝青混合料路用性能的研究,其在瀝青路面中的應用潛力尚不清楚。為此,本研究通過混合料路用性能試驗對ODR/SBS復合改性瀝青混合料進行評價,并探討其路用性能變化的原因,以普通瀝青混合料、常規(guī)SBS改性瀝青混合料和未復合的ODR改性瀝青混合料為參照。
基質(zhì)瀝青為東海牌AH-70#石油瀝青,SBS改性劑為YH791型,硫磺為工業(yè)硫磺,ODR改性劑為40目膠粉在高溫廢食用油中脫硫降解形成的混合物。根據(jù)筆者之前的研究[8],ODR的最佳制備方法如下:1) 將質(zhì)量比為6∶4的膠粉與廢食用油混合均勻,然后在280 ℃條件下攪拌;2) 保持攪拌溫度在220 ℃以除去輕質(zhì)組分,獲得的黏稠態(tài)殘留物即ODR改性劑。粗集料為玄武巖,細集料和礦粉均為石灰?guī)r,依據(jù)相關(guān)規(guī)范對集料和礦粉進行技術(shù)指標檢測,材料各項指標均滿足規(guī)范要求。
1) SBS改性瀝青。參考以往研究[9],將基質(zhì)瀝青加熱至流動狀態(tài)后添加4%的SBS改性劑并不斷攪拌,待溫度恒定至180 ℃后,在4 000 r/min條件下剪切30 min。剪切結(jié)束后攪拌發(fā)育1 h,然后添加0.2%的硫磺攪拌1 h即完成制備。
2) ODR改性瀝青。室溫下將內(nèi)摻30%的ODR改性劑添加至基質(zhì)瀝青,在加熱筒中升溫至200 ℃,保持攪拌速率為150 r/min,攪拌2 h后得到ODR改性瀝青。
3) ODR/SBS復合改性瀝青。參考SBS改性瀝青制備方法,將基質(zhì)瀝青替換為ODR改性瀝青,其他參數(shù)不變,將硫磺摻量提高至外摻0.4%,得到ODR/SBS復合改性瀝青。參照規(guī)范對基質(zhì)瀝青和3種改性瀝青膠結(jié)料相關(guān)性能進行測試,結(jié)果如表1所示。
1) 級配選擇。眾所周知,因常用的40目膠粉顆粒對集料存在明顯的干涉作用[10],實際工程中往往采用間斷級配代替密級配對橡膠瀝青進行混合料設(shè)計,以降低膠粉溶脹對壓實效果的影響。ODR改性劑中,由于膠粉發(fā)生脫硫降解,其殘余膠粉顆粒粒徑大大減小,可認為其對集料的干涉作用不明顯。為驗證該判斷,在確定礦料級配前,采用粒度分析儀(Mastersizer 2000型)對ODR中殘余膠粉顆粒進行了粒徑測試,結(jié)果如表2所示。由400目和500目膠粉的粒徑中值D50可推斷ODR改性劑中膠粉粒徑在400~500目之間,與普通的40目膠粉相比,其對集料的干涉作用可不予考慮。因此,同時為消除部分系統(tǒng)誤差,本研究中4種瀝青混合料的礦料級配均選擇國內(nèi)公路建設(shè)最常用的AC-13密級配[11],級配設(shè)計如表3所示。
表1 4種瀝青膠結(jié)料基本性能指標
2) 最佳油石比。采用標準馬歇爾設(shè)計方法確定4種瀝青混合料的最佳瀝青用量,試驗結(jié)果列于表4。
表2 膠粉粒徑與目數(shù)對照
表3 礦料級配
表4 4種瀝青混合料的馬歇爾試驗結(jié)果
參照相關(guān)規(guī)范,在最佳油石比條件下成型混合料車轍板、標準馬歇爾試件和疲勞板,其中基質(zhì)瀝青與改性瀝青的拌和溫度分別在160 ℃~165 ℃和180 ℃~190 ℃。然后進行車轍試驗、彎曲試驗、凍融劈裂試驗和四點彎曲疲勞壽命試驗以對比4種瀝青混合料的路用性能。
4種混合料的60 ℃車轍試驗結(jié)果如圖1所示。由圖1可知,與普通瀝青混合料相比,含ODR的瀝青混合料車轍深度明顯減小,但較SBS改性瀝青混合料的大;ODR改性瀝青混合料動穩(wěn)定度(DS)略高于普通瀝青混合料,但不滿足改性瀝青混合料的DS臨界要求(DS≥2 400次/mm)。添加SBS改性劑的復合改性瀝青混合料DS大幅提高,遠大于未添加的試件,且超過SBS改性瀝青混合料,表現(xiàn)出最優(yōu)的高溫性能。
(a) 車轍深度
(b) 動穩(wěn)定度
對于添加膠粉或SBS等聚合物的改性瀝青,一方面瀝青中的輕組分被聚合物吸收,瀝青質(zhì)比例提高,強度和粘度增大;另一方面,瀝青產(chǎn)生塑性變形過程中,大部分破壞能量被聚合物吸收[12],使改性瀝青的抗塑性變形能力增強,進而聚合物改性瀝青混合料的抗車轍變形能力得到提高。膠粉脫硫后,其網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)遭到破壞,上述2方面作用減弱,導致ODR改性瀝青抗變形能力降低,相應的瀝青混合料車轍深度較大。ODR改性瀝青中添加SBS后形成新的交聯(lián)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),有效增加了瀝青中大分子物質(zhì)的比例以及體系的彈性和韌性,恢復了彈性變形能力,故車轍深度下降。但由于鏈段橡膠小分子和廢食用油的存在,ODR/SBS復合改性瀝青混合料的車轍深度較SBS改性瀝青混合料的大。從圖1(b)動穩(wěn)定度結(jié)果來看,由于復合改性瀝青混合料具備更加優(yōu)異的變形恢復能力,即使車輪動荷載引起的豎向變形較大,相較SBS改性瀝青混合料,其仍然擁有最佳的高溫抗車轍能力。該結(jié)果也證明了ODR改性瀝青中復合SBS的方法是有效、可行的。
通過低溫彎曲試驗獲得的破壞應變和應變能密度臨界值對4種混合料的低溫抗裂性能進行評價,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,3種改性瀝青混合料的破壞應變均滿足規(guī)范中≥2 500 με的要求,其中ODR改性瀝青混合料的破壞應變最大,ODR/SBS復合改性瀝青混合料次之,二者均表現(xiàn)出優(yōu)異的低溫抗裂性能。應變能密度臨界值表征材料的韌性,該值越大,材料發(fā)生斷裂破壞所需的能量越大,越不易發(fā)生開裂[13]。綜合應變能密度臨界值結(jié)果:ODR改性瀝青混合料應變能密度臨界值超過30 kPa,遠大于其他3種瀝青混合料;ODR/SBS復合改性瀝青混合料次之,略優(yōu)于SBS改性瀝青混合料,發(fā)現(xiàn)含ODR的瀝青混合料均具有優(yōu)異的低溫抗裂性能。添加SBS后,復合改性瀝青混合料低溫性能受到一定損傷,但仍優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。
(a) 破壞應變
(b) 應變能密度臨界值
引起上述現(xiàn)象主要是ODR改性劑中富含溶膠[14],同樣的破壞荷載下,相比普通瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料,ODR改性瀝青混合料具有更大的斷裂伸長率,斷裂所需的能耗提高。此外,膠粉脫硫后產(chǎn)生橡膠微粒子,較小的膠粉微粒有利于形成連續(xù)致密的微觀結(jié)構(gòu),產(chǎn)生銀紋或剪切屈服帶[15],降低應力集中風險,進而改善混合料的低溫抗裂性能。加入SBS后,改性瀝青彈性增強、柔性下降;而橡膠微粒更多地參與和SBS、基質(zhì)瀝青間的交聯(lián)反應,降低了銀紋或剪切屈服帶發(fā)生幾率,削弱了瀝青膠結(jié)料的低溫變形能力,故ODR/SBS復合改性瀝青混合料的低溫抗裂性能有所下降。
凍融前后的劈裂抗拉強度與凍融劈裂強度比TSR結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,SBS改性瀝青混合料的凍融劈裂強度最大,ODR改性瀝青混合料凍融前后的劈裂強度均最小,添加SBS改性劑后劈裂強度分別提高67%和45%,這與混合料中瀝青膠結(jié)料在剪壓作用下抵抗滑移能力的不同有關(guān)。脫硫膠粉改性瀝青抗剪變能力最差,即使添加SBS改性劑后其抗剪強度依然不及單獨采用SBS進行改性的瀝青膠結(jié)料。從TSR值來看,3種改性瀝青混合料TSR均滿足規(guī)范≥80%的要求,具有良好的水穩(wěn)定性。其中ODR改性瀝青混合料TSR超過100%,相比之下,ODR/SBS復合改性瀝青TSR值降低,但高于SBS改性瀝青混合料。
(a) 劈裂強度
(b) 劈裂強度比
Huh[16]指出,廢食用油中脂肪酸充當粘結(jié)劑,降低了集料和裹覆瀝青的表面張力,增強了新舊瀝青的融合效果。ODR改性劑中含有游離廢食用油,凍融過程會導致油脂分子重新分布在瀝青膜與集料間,油脂中的脂肪酸進一步增強二者的粘結(jié),進而改善了混合料在剪壓作用下的力學性能。因此,ODR改性瀝青混合料出現(xiàn)凍融后劈裂強度不降反升的現(xiàn)象。加入SBS后,ODR/SBS復合改性瀝青存在新型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),降低了油脂含量且約束了油脂運動,從而削弱其對混合料力學強度的貢獻,凍融劈裂強度比有所下降。
綜上分析,當僅考慮凍融前后劈裂強度的衰減情況時,可認為ODR改性瀝青混合料與ODR/SBS復合改性瀝青混合料均具有優(yōu)異的水穩(wěn)定性。
混合料的四點彎曲疲勞壽命試驗在15 ℃±0.5 ℃下進行,加載頻率10 Hz±0.1 Hz,應變控制模式。為獲取疲勞壽命曲線,對不同混合料分別設(shè)置3個合理的應變水平,應變范圍根據(jù)預試驗調(diào)整。預加載過程中發(fā)現(xiàn)4種混合料的疲勞性能差異較大,如在同一應變水平下測試,如500微應變,普通瀝青混合料在加載31 460次后勁度模量降至初始勁度模量的50%,而其他3種混合料在加載結(jié)束后模量仍未降至初始勁度模量的50%,無法獲取有效數(shù)據(jù)。
3種疲勞壽命評價指標:初始勁度模量、疲勞壽命和累計耗散能數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接給出,具體數(shù)值如表5所示。由表5可以看出,在同一控制應變下對比(如普通瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料在700微應變下對比,SBS改性瀝青混合料和ODR改性瀝青混合料在900微應變下對比),4種瀝青混合料的疲勞壽命大小均為ODR/SBS復合改性瀝青混合料>ODR改性瀝青混合料,ODR改性瀝青混合料>SBS改性瀝青混合料,SBS改性瀝青混合料>普通瀝青混合料,累計耗散能亦有相同規(guī)律,意味著添加SBS的脫硫膠粉改性瀝青混合料擁有優(yōu)異的抗疲勞性能。
表5 疲勞試驗結(jié)果
ODR改性劑中由于膠粉的交聯(lián)鍵破壞,線性橡膠分子鏈從網(wǎng)絡大分子中釋放,提高瀝青柔性的同時改善了其溫度敏感性?;旌狭戏矫姹憩F(xiàn)為較低的環(huán)境溫度(15℃)下,勁度模量下降、耗散能增加,疲勞壽命延長。SBS的加入能提高瀝青的韌性和變形恢復能力,因此SBS改性瀝青混合料承受的疲勞次數(shù)增多,疲勞壽命增大。ODR/SBS復合改性瀝青既保留了ODR對瀝青的增柔降敏作用,又延續(xù)了SBS的增韌抗變形效果,且ODR、SBS與基質(zhì)瀝青間的再交聯(lián)作用提高了改性瀝青的微損傷愈合恢復能力。因此,復合改性瀝青混合料的抗疲勞性能遠大于單一改性的混合料,并非ODR和SBS改性劑單獨作用下的線性疊加。
選取疲勞壽命建立混合料疲勞方程,得到如圖4所示的疲勞曲線。由圖4可以看出,不同類型混合料的疲勞壽命與控制應變在雙對數(shù)坐標下呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)性,擬合優(yōu)度均在0.95以上。通過疲勞曲線可對寬應變域的疲勞性能進行預測,在可預見的應變范圍內(nèi),低應變水平下復合改性瀝青混合料的疲勞壽命均比其他3種瀝青混合料的大,SBS改性瀝青混合料的疲勞性能優(yōu)于ODR改性瀝青混合料,而高應變時ODR改性瀝青混合料的疲勞壽命更勝一籌。
圖4 疲勞壽命回歸曲線
由此可知,不同控制應變水平下得到的混合料疲勞性能優(yōu)劣排序并不相同,但ODR/SBS復合改性瀝青混合料至少在1 700微應變水平內(nèi)擁有最佳的疲勞性能。
本研究以普通瀝青混合料、常規(guī)SBS改性瀝青混合料、ODR改性瀝青混合料為參照,對ODR/SBS復合改性瀝青混合料的路用性能進行了評價,得到如下結(jié)論:
1) ODR/SBS復合改性瀝青混合料的車轍深度較SBS改性瀝青混合料深,但動穩(wěn)定度遠大于后者,擁有優(yōu)異的高溫抗車轍性能。ODR改性瀝青混合料擁有最佳的低溫抗裂性能,加入SBS后對低溫性能有一定損傷,但仍優(yōu)于SBS改性瀝青混合料。
2) 含ODR的改性瀝青混合料水穩(wěn)定性相比普通瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料有較大提升,但ODR削弱了改性瀝青的抗剪變能力,導致瀝青混合料的凍融劈裂強度較低。
3) ODR/SBS復合改性瀝青混合料至少在 1 700微應變水平內(nèi)擁有最佳的疲勞性能。單獨采用SBS或ODR改性瀝青與同時將二者用于改性瀝青對混合料疲勞性能的影響差異較大,ODR/SBS復合改性瀝青混合料的疲勞性能并非二者單獨作用下的線性疊加。
4) 混合料路用性能試驗結(jié)果表明,ODR/SBS復合改性瀝青具有優(yōu)異的高溫抗車轍、低溫抗開裂、抗水損害以及疲勞性能,證明本研究提出的廢食用油脫硫膠粉復合改性瀝青工藝對于獲取高性能改性瀝青混合料有重要的工程指導意義。