周 新 星

(1. 山西大學(xué) 資源與環(huán)境工程研究所,山西 太原 030031; 2. 武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430070)

0 引 言

木屑基生物油和石油瀝青的組成相近、物理化學(xué)特性相似,因此,生物油可部分或完全替代石油瀝青[1-2]。同時(shí),石油瀝青屬于不可再生資源,而生物油則屬于可再生資源,在不久的將來(lái),將生物油替代石油瀝青應(yīng)用于公路工程,勢(shì)必會(huì)成為一種趨勢(shì)[3]。R.ZHANG等[4]利用生物油再生老化瀝青,發(fā)現(xiàn)生物油的添加顯著改善了瀝青的疲勞性能;A.HUANG等[5]研究了生物油部分替代石油瀝青的物化性能,發(fā)現(xiàn)紫外老化嚴(yán)重?fù)p害生物油瀝青的疲勞特性;高新文等[6]分析了生物油對(duì)老化瀝青自愈合性能的影響及其愈合機(jī)理,認(rèn)為愈合過(guò)程中存在最佳愈合時(shí)間和最佳愈合溫度,生物油再生瀝青的愈合行為包括粘黏性流動(dòng)和彈性恢復(fù)。作者針對(duì)生物油和生物炭(生物質(zhì)裂解產(chǎn)物)的綜合利用問(wèn)題作了大量的研究,包括生物炭改性生物瀝青的化學(xué)變化和相分離、生物油炭改性生物瀝青的全壽命周期評(píng)價(jià)等[7-8]。在生物油再生老化瀝青的研究過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)由木屑裂解制得的生物油含有大量有機(jī)酸、酮、醇、醛和苯酚酚類(lèi)等高含氧量有機(jī)物[9],會(huì)嚴(yán)重?fù)p害瀝青的使用性能,特別是疲勞特性。

疲勞特性是材料在重復(fù)荷載作用下抵抗變形破壞的能力,由疲勞特性變化產(chǎn)生的疲勞開(kāi)裂也是瀝青路面常見(jiàn)的損壞形式之一。瀝青路面疲勞開(kāi)裂一般產(chǎn)生于瀝青膠漿內(nèi)部或?yàn)r青與集料黏結(jié)界面。瀝青疲勞特性的研究是瀝青路面疲勞性能研究的重點(diǎn)。美國(guó)土木工程學(xué)會(huì)規(guī)定采用疲勞因子作為瀝青疲勞性能的評(píng)價(jià)指標(biāo),但此指標(biāo)通常只適用于評(píng)價(jià)普通基質(zhì)瀝青,無(wú)法評(píng)價(jià)改性瀝青。目前廣泛采用的瀝青疲勞壽命評(píng)定指標(biāo)Nf50是基于復(fù)數(shù)剪切模量的降低幅度[10]。同時(shí),基于能量耗散理論的瀝青疲勞特性指標(biāo)Nfm應(yīng)運(yùn)而生[11]。單麗巖等[12]通過(guò)連續(xù)加載模式下不同應(yīng)力對(duì)不同基質(zhì)瀝青疲勞性能的分析,認(rèn)為不同加載應(yīng)力對(duì)瀝青疲勞壽命影響較大;陳浩浩等[13]采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀在Time-Sweep的應(yīng)力控制模式下對(duì)多種瀝青進(jìn)行了重復(fù)剪切疲勞試驗(yàn),認(rèn)為瀝青復(fù)數(shù)模量變化曲線拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的循環(huán)加載次數(shù)NfG*作為瀝青疲勞性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)更為簡(jiǎn)單高效。各種疲勞壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)既存在一定的優(yōu)勢(shì),又存在自身的局限性,并沒(méi)有一個(gè)指標(biāo)適用所有工況下改性瀝青,特別是生物油再生老化瀝青疲勞壽命的評(píng)價(jià)。采用多指標(biāo)協(xié)同評(píng)價(jià)瀝青或改性瀝青的疲勞特性已是發(fā)展的趨勢(shì),如何評(píng)價(jià)生物油再生老化瀝青的耐久性和疲勞特性是當(dāng)前生物油再生老化瀝青的研究重點(diǎn)。

為此,筆者采用DSR在Time-Sweep應(yīng)力控制模式下對(duì)不同生物油含量、不同老化程度及不同應(yīng)力水平的老化瀝青及生物油再生老化瀝青的疲勞特性進(jìn)行研究,以Nf50、Nfm和NfG*為評(píng)價(jià)指標(biāo)分析各指標(biāo)對(duì)生物油老化瀝青疲勞壽命的影響,并分析了疲勞過(guò)程中生物油再生老化瀝青的官能團(tuán)變化。

1 原材料和實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

生物油由實(shí)驗(yàn)室采用木屑自行高溫裂解制備,裂解溫度為500 ℃,N2作為保護(hù)性氣體和流動(dòng)驅(qū)使介質(zhì),裂解設(shè)備為生物質(zhì)連續(xù)裂解爐。70#瀝青來(lái)自盤(pán)錦北方瀝青股份有限公司,軟化點(diǎn)為45.0 ℃,25 ℃針入度為68 dmm。

1.2 生物油再生老化瀝青的制備

瀝青選用70#基質(zhì)瀝青,將基質(zhì)瀝青經(jīng)過(guò)163 ℃,5 h加熱得到短期老化瀝青。依據(jù)太原市紫外輻照強(qiáng)度及參考文獻(xiàn)[14],將基質(zhì)瀝青放入紫外老化箱中經(jīng)過(guò)56 w/m2紫外線,60 ℃老化7 d模擬得到太原市紫外輻照1年的紫外老化瀝青。生物油再生老化瀝青的制備:取400 g左右的紫外老化瀝青放入不銹鋼瀝青提取器,加熱至135 ℃,加入不同質(zhì)量占比(0%、8%、10%、15%、20%)的生物油,然后以2 000 rmp速度高速剪切1 h。生物油再生老化瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)如表1。Time-Sweep實(shí)驗(yàn)選用DSR設(shè)備在20 ℃,10 Hz,不同應(yīng)力(0.05、0.10、0.15 MPa)、不同老化程度(短期老化和紫外老化)及不同生物油含量條件下進(jìn)行。

表1 生物油再生老化瀝青基本技術(shù)指標(biāo)

1.3 生物油再生老化瀝青Nf50疲勞壽命的判定方法

通常情況下,經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)Nf50疲勞壽命指標(biāo)是指瀝青復(fù)數(shù)模量降低至初始模量的50 %時(shí)的加載次數(shù)。通過(guò)同樣的方法可評(píng)價(jià)生物油再生老化瀝青的Nf50疲勞壽命指標(biāo)。

1.4 生物油再生老化瀝青Nfm疲勞壽命的判定方法

Nfm疲勞壽命判定方法相對(duì)復(fù)雜,是指耗散能變化率(RDEC)曲線在經(jīng)過(guò)“平臺(tái)區(qū)”后的明顯拐點(diǎn),拐點(diǎn)處橫坐標(biāo)即為Nfm疲勞壽命指標(biāo)。

Ei=πεiσisin(δi)

(1)

(2)

(3)

1.5 生物油再生老化瀝青NfG*疲勞壽命的判定方法

NfG*是指瀝青復(fù)數(shù)模量變化曲線拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的循環(huán)加載次數(shù),以此作為瀝青疲勞壽命的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同生物油含量對(duì)生物油再生老化瀝青疲勞特性的影響

如圖1(a),在短期老化瀝青中添加不同含量的生物油,其疲勞特性參數(shù)Nf50顯示隨著生物油含量的增加,生物油再生老化瀝青的疲勞特性參數(shù)Nf50呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì);在0.05 MPa應(yīng)力控制模式下,0%、8%、10%、15%、20%生物油再生老化瀝青的疲勞曲線可分為2個(gè)階段(平穩(wěn)階段和快速下降階段),疲勞特性參數(shù)Nf50分別為15 205、52 231、61 202、74 258、67 315次。結(jié)果表明:當(dāng)生物油含量≤15%時(shí),其加入可提高老化瀝青疲勞特性參數(shù)Nf50,改善老化瀝青的疲勞壽命;當(dāng)生物油含量超過(guò)15%時(shí)反而會(huì)惡化老化瀝青的疲勞特性,降低老化瀝青的疲勞特性參數(shù)Nf50,利用Nf50評(píng)價(jià)生物油再生老化瀝青疲勞壽命時(shí),生物油的最佳含量為15%;而且Nf50評(píng)價(jià)不同生物油含量再生老化瀝青的疲勞壽命具有顯著的辨識(shí)度。

如圖1(b),瀝青疲勞特性參數(shù)Nfm的耗散能變化率RDEC曲線在平臺(tái)區(qū)域變形微弱,拐點(diǎn)處及后續(xù)曲線因生物油含量增加出現(xiàn)明顯差異。0%,8%,10%,15%,20%生物油再生老化瀝青的疲勞特性參數(shù)Nfm分別為19 715、56 782、58 650、69 250、64 218次;而且不同生物油含量再生老化瀝青的疲勞特性參數(shù)Nfm相差較大。結(jié)果表明:利用Nfm評(píng)價(jià)生物油再生老化瀝青疲勞壽命時(shí),生物油的最佳含量為15%。

如圖1(c),在0.05 MPa應(yīng)力控制模式下,瀝青疲勞特性參數(shù)NfG*隨著生物油含量的變化也呈現(xiàn)遞增趨勢(shì),變化幅度明顯大于Nfm。0%,8%,10%,15%,20%生物油再生老化瀝青的疲勞特性參數(shù)NfG*分別為22 505、61 526、69 204、78 512、84 250次,生物油的最佳摻量為20%。其中,雖然8%和10%生物油含量相差不大,但是其再生的老化瀝青疲勞壽命卻具有很好的辨識(shí)度(區(qū)分度),因此疲勞特性參數(shù)NfG*適用于區(qū)分生物油摻量差異性較小的生物油再生老化瀝青的疲勞壽命。綜合對(duì)比疲勞壽命特性參數(shù)發(fā)現(xiàn),生物油再生老化瀝青的疲勞壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一致的排序性,即NfG*>Nfm>Nf50;生物油的最佳含量在15%～20%之間。

2.2 不同老化程度下生物油再生老化瀝青的疲勞特性

為分析不同老化程度下生物油再生老化瀝青的疲勞特性,選用短期老化瀝青、紫外老化瀝青作為標(biāo)的物(生物油含量15%),研究其疲勞特性參數(shù),結(jié)果如圖2。

圖2 生物油再生不同老化程度瀝青的疲勞特性曲線

由圖2(a)可知,生物油對(duì)短期老化瀝青Nf50影響較小,對(duì)紫外老化瀝青疲勞特性參數(shù)Nf50影響較大;生物油再生短期老化瀝青Nf50大于生物油再生紫外老化瀝青。結(jié)果表明:生物油對(duì)不同老化程度的瀝青影響程度排序如下:未老化瀝青<短期老化瀝青<紫外老化瀝青,生物油可顯著提升紫外老化和短期老化瀝青的疲勞壽命Nf50。

生物油對(duì)不同老化程度瀝青的疲勞特性參數(shù)Nfm影響如圖2(b),短期老化瀝青、紫外老化瀝青、生物油再生短期老化瀝青及生物油再生紫外老化瀝青的疲勞特性參數(shù)Nfm分別為18 520、14 210,59 680、56 782次。結(jié)果表明:生物油對(duì)紫外老化瀝青疲勞壽命Nfm的影響最大,其次是短期老化,而且生物油對(duì)短期老化和紫外老化瀝青的再生效果(耐久性的影響)都比較明顯。

生物油對(duì)不同老化程度瀝青的疲勞特性參數(shù)NfG*影響如圖2(c),生物油再生未老化瀝青、生物油再生短期老化瀝青及生物油再生紫外老化瀝青的疲勞特性參數(shù)NfG*分別為74 125、65 058、61 526次。由此可知,生物油對(duì)老化瀝青疲勞特性參數(shù)NfG*的影響較大,而且對(duì)紫外老化瀝青疲勞特性的影響最為顯著。生物油對(duì)不同老化程度瀝青疲勞特性的影響結(jié)果表明:不同測(cè)試條件下,生物油再生老化瀝青的疲勞壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一致的排序性,即NfG*>Nfm>Nf50,各指標(biāo)中NfG*對(duì)再生瀝青的疲勞性能評(píng)價(jià)區(qū)分度最大,Nf50最易得到。

2.3 不同應(yīng)力水平對(duì)生物油再生老化瀝青疲勞特性的影響

不同應(yīng)力水平對(duì)生物油再生老化瀝青疲勞特性的影響如圖3(a),在選定的3個(gè)應(yīng)力水平(0.05 0.10 ,0.15 MPa)下,隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加生物油再生短期老化瀝青的疲勞特性參數(shù)Nf50快速降低,疲勞壽命(加載次數(shù)-復(fù)數(shù)模量)曲線分為兩個(gè)階段,不同應(yīng)力水平下平穩(wěn)階段復(fù)數(shù)模量變化不大,快速下降階段復(fù)數(shù)模量變化顯著;同時(shí),同一應(yīng)力水平下,生物油再生紫外老化瀝青的Nf50比生物油再生短期老化瀝青的Nf50小,可能原因是紫外老化對(duì)瀝青的影響程度較短期老化嚴(yán)重,導(dǎo)致即使通過(guò)生物油再生也無(wú)法使紫外老化瀝青疲勞特性恢復(fù)的初始水平。隨著應(yīng)力水平的增加,生物油再生短期老化瀝青的疲勞特性參數(shù)Nf50不斷減少,2個(gè)應(yīng)力水平下疲勞壽命參數(shù)Nf50之差不斷增加。結(jié)果表明:應(yīng)力會(huì)加速生物油再生老化瀝青的疲勞破壞,特別是生物油再生紫外老化瀝青的疲勞破壞。

圖3 不同應(yīng)力水平下生物油再生老化瀝青疲勞特性曲線

如圖3(b),不同的應(yīng)力水平對(duì)生物油再生老化瀝青疲勞特性參數(shù)Nfm影響較大,0.05、0.10、0.15 MPa應(yīng)力作用下生物油再生短期老化瀝青的疲勞特性參數(shù)Nfm分別為56 782、50 125、46 721次。結(jié)果表明:不同應(yīng)力水平下疲勞特性參數(shù)Nf50和Nfm之差較大,用Nf50和Nfm評(píng)價(jià)不同應(yīng)力水平下生物油再生老化瀝青疲勞特性具有明顯的辨識(shí)度。

2.4 生物油再生老化瀝青的官能團(tuán)變化

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同生物油含量、不同老化程度及不同應(yīng)力水平的生物油再生老化瀝青疲勞壽命指數(shù)進(jìn)行分析,得出主要結(jié)論:

不同測(cè)試條件下,生物油再生老化瀝青的疲勞壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一致的排序性,即NfG*>Nfm>Nf50;在生物油再生老化瀝青體系中生物油的最佳含量在15%～20%之間。各指標(biāo)中NfG*對(duì)再生瀝青的疲勞性能評(píng)價(jià)區(qū)分度最大,Nf50最易得到。

生物油可降低老化瀝青中亞砜基官能團(tuán)的濃度,增加羰基官能團(tuán)及低波數(shù)指紋區(qū)的濃度,促進(jìn)老化瀝青的再生,老化方式中僅紫外老化會(huì)對(duì)體系的亞砜基濃度產(chǎn)生明顯影響。