翟 龍 黃湘寧 高夕力

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

隨著路網密度增加、公路通車時間延長,以及交通量日益增長,我國公路發(fā)展方向逐漸由新建轉向養(yǎng)護及改擴建。我國高等級公路大多采用瀝青路面,養(yǎng)護及改擴建過程中會產生大量舊瀝青混合料,如直接丟棄將會造成嚴重的環(huán)境污染,并造成資源浪費。為此,相關研究人員提出再生技術,通過再生劑恢復老化瀝青性能,并摻入適當新集料和瀝青制備再生瀝青混合料,重新用于路面結構鋪裝[1-2]。該技術可節(jié)約資源,符合綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展理念。

目前常用的瀝青再生劑以石油基類為主,該類再生劑屬不可再生資源,且具有污染大和致癌等缺點[3]。為此,相關研究人員嘗試提取植物、動物和廢棄油脂生物油用于老化瀝青再生,研究結果表明,通過改變生物油摻量可使再生瀝青某方面性能恢復至老化前狀態(tài),但某一固定摻量下的再生瀝青綜合性能存在不足,因此有必要研究生物油復配改性劑用于老化瀝青再生,以提高再生瀝青性能均衡性[4-6]。

本文采用生物油復配SBS對老化瀝青進行再生,對其高溫、低溫性能進行分析,以期為生物油復配SBS再生瀝青的應用提供必要的理論依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 原材料

1) 瀝青。瀝青路面中SBS改性瀝青應用廣泛,故選用SBS(I-C)改性瀝青作為原樣瀝青進行試驗研究,其主要性能指標見表1。

表1 基質瀝青性能指標

2) 生物油。選用木屑、桔桿、稻殼等農作物廢料經快速裂解和水熱液化而得的生物油作為再生劑進行試驗研究,其主要技術指標見表2。

表2 生物油主要技術指標

3) SBS。選用韓國錦湖公司所產SBS改性劑進行試驗研究,其主要技術指標見表3。

表3 SBS改性劑主要技術指標

1.2 制備工藝

1) 長期老化瀝青。將原樣瀝青置于165 ℃烘箱加熱至熔融狀態(tài),而后取樣置于163 ℃條件RTFOT中保溫85 min制得短期老化瀝青。將短期老化瀝青置于壓力老化箱(PAV)中保溫20 h制得長期老化瀝青,試驗溫度100 ℃,壓力2.1 MPa。

2) 再生瀝青。取按上文工藝制備的長期老化瀝青置于165 ℃烘箱加熱至熔融狀態(tài),按比例摻入生物油、SBS改性劑,用玻璃棒以60 r/min速率攪拌5 min,進而改用高速剪切機以5 000 r/min速率剪切30 min,即可制得再生瀝青。

1.3 試驗方法

1.3.1三大指標

根據(jù)JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[7]規(guī)定,對瀝青進行針入度、軟化點和延度試驗,以表征瀝青高低溫性能。

1.3.2DSR試驗

采用DSR試驗進行瀝青高溫流變性能評價,試驗用試樣為直徑25 mm、厚度1 mm瀝青薄片,采用應變控制模式,角頻率10 rad/s。通過試驗獲得車轍因子(G*/sinδ)表征瀝青高溫流變性能,車轍因子越大,高溫性能越好,抗車轍能力越強。

1.3.3BBR試驗

采用BBR試驗進行瀝青低溫性能評價,試驗用試樣為125 mm×6.35 mm×12.7 mm瀝青小梁。通過試驗獲得加載時間60 s時的勁度模量和蠕變速率表征瀝青低溫流變性能,勁度模量越大,低溫下瀝青硬脆特征越明顯,越容易開裂,蠕變速率越大,低溫下瀝青應力松弛性能越好,變形能力越強。

2 試驗結果與分析

2.1 生物油再生瀝青3大指標分析

采用原樣瀝青制備長期老化瀝青后分別摻入3%,6%,9%,12%和15%生物油制備再生瀝青。對原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青進行三大指標試驗,結果見表4。由表4可知,生物油可恢復老化瀝青三大指標,但不同性能指標對生物油摻量的敏感性不同。隨著生物油摻量的增加,老化瀝青針入度和延度逐漸增加,軟化點逐漸降低,老化瀝青性能逐漸恢復,這是由于摻入生物油后瀝青中飽和分和芳香分比例提高的緣故。其中生物油摻量分別為6%,9%,12%時,老化瀝青針入度、軟化點和延度指標分別恢復至原樣瀝青水平,表明針入度指標對生物油摻量最為敏感,其次是軟化點,延度最差。

表4 生物油再生瀝青3大指標

生物油用于恢復老化瀝青低溫性能時存在過渡軟化問題,對高溫性能不利。生物油摻量達12%時,老化瀝青延度指標恢復,但針入度已達100.3(0.1 mm),已發(fā)生過渡軟化,不利于瀝青高溫抗車轍性能。分析原因在于SBS改性瀝青的老化分為基質瀝青和SBS的老化,生物油的摻入主要調節(jié)瀝青組分,恢復基質瀝青性能,故低溫下SBS的抗裂作用僅能依托提高生物油摻量替代。

2.2 生物油復配SBS再生瀝青流變性能

針對生物油再生瀝青恢復低溫性能時存在的過渡軟化問題,考慮摻入SBS復配進行再生。制備生物油摻量為6%,SBS摻量分別為1%,2%,3%的再生瀝青分別進行DSR試驗和BBR試驗,分析其高低溫流變性能。

2.2.1高溫流變性能

52,58,64,70,76 ℃共5個試驗溫度下不同類型瀝青車轍因子試驗結果見圖1。

圖1 瀝青車轍因子試驗結果

由圖1可知,摻入生物油可恢復老化瀝青高溫性能,但摻量受試驗溫度影響,實踐中應根據(jù)實際路面溫度情況選擇合適的生物油摻量。試驗溫度為52,58,64 ℃時,6%生物油摻量的再生瀝青車轍因子低于原樣瀝青,表明高溫流變性能已得到恢復,但試驗溫度升高至70,76 ℃時,車轍因子高于原樣瀝青,表明上述試驗溫度下恢復原樣瀝青高溫性能需繼續(xù)提高生物油摻量。

由圖1還可知,生物油復配SBS可提高再生瀝青高溫性能,且效果隨SBS摻量的增加而變好。生物油復配SBS后,各試驗溫度下再生瀝青的車轍因子增加,且隨著SBS摻量的增大,增加值提高。

將車轍因子取對數(shù)后與溫度進行線性相關分析,其示意見圖2。

圖2 瀝青車轍因子與溫度相關關系

由圖2可見,生物油再生瀝青高溫性能溫度敏感性優(yōu)于原樣瀝青,且復配SBS后溫度敏感性進一步改善,改善效果隨SBS摻量的增加而變好。6%生物油摻量的再生瀝青車轍因子隨溫度變化斜率絕對值為0.043 2,較原樣瀝青的0.044 7降低了3.4%,表明生物油再生瀝青車轍因子隨溫度升高的下降速率較原樣瀝青降低,高溫性能溫度敏感性改善,復配1%,2%,3%的SBS后,斜率絕對值分別降低至0.042 5,0.041 7,0.040 8(見表5),車轍因子隨溫度升高而下降的速率進一步減小。

表5 瀝青車轍因子與溫度線性擬合結果

2.2.2低溫流變性能

-12,-18,-24 ℃共3個試驗溫度下不同類型瀝青勁度模量和蠕變速率試驗結果分別見圖3、圖4。由圖3和圖4可見,老化作用會明顯降低瀝青低溫性能,摻入6%生物油后可適當恢復,但未恢復至原樣瀝青水平。各試驗溫度下老化瀝青勁度模量均高于原樣瀝青,蠕變速率均低于原樣瀝青,表明老化后瀝青低溫性能明顯降低,這是由于老化作用使瀝青中塑性成分減少,硬脆性特征更為明顯的緣故。摻入6%生物油后,各試驗溫度下再生瀝青勁度模量和蠕變速率均介于原樣瀝青和老化瀝青之間,表明老化瀝青低溫性能得到部分恢復。

圖3 瀝青勁度模量試驗結果

圖4 瀝青蠕變速率試驗結果

圖3、圖4還表明,生物油復配SBS后可改善再生瀝青低溫性能,且改善效果隨SBS摻量增加而變好。摻入SBS進行復配后,隨著SBS摻量增加,再生瀝青勁度模量逐漸降低,蠕變速率逐漸增加,當SBS摻量達到2%時,再生瀝青勁度模量低于原樣瀝青,蠕變速率高于原樣瀝青,表明老化瀝青低溫性能已恢復至原樣瀝青水平。此外,美國SHRP計劃PG分級規(guī)定,路面低溫下勁度模量應不大于300 MPa,蠕變速率應不小于0.3,根據(jù)上述要求,原樣瀝青、6%生物油復配1%,2%,3%的SBS再生瀝青的低溫PG分級均為-28 ℃,老化瀝青及6%生物油再生瀝青的低溫PG分級則為-22 ℃,表明生物油復配SBS后再生瀝青低溫下的適用溫度范圍已和原樣瀝青一致,且優(yōu)于純生物油再生瀝青。

3 結語

本文通過室內模擬短期和長期老化制備老化瀝青,采用生物油及復配SBS對老化瀝青進行再生,通過三大指標、DSR和BBR試驗研究再生瀝青高低溫性能。根據(jù)試驗結果,主要結論如下。

1) 生物油能恢復老化瀝青三大指標,但恢復不同指標的摻量有明顯差異,生物油摻量分別為6%,9%,12%時,老化瀝青針入度、軟化點和延度指標分別恢復至原樣瀝青水平。延度指標恢復時,針入度指標已明顯低于原樣瀝青,高溫性能存在過渡軟化問題。

2) DSR試驗結果表明摻入約6%生物油可恢復老化瀝青高溫流變性能,但具體摻量受試驗溫度影響。生物油復配SBS后,再生瀝青高溫流變性能及溫度敏感性均改善,且隨SBS摻量的增加改善效果逐漸變好。

3) BBR試驗結果表明摻入6%生物油后老化瀝青低溫流變性能適當恢復,但未恢復至原樣瀝青水平。生物油復配SBS后,再生瀝青低溫流變性能改善,且隨SBS摻量的增加改善效果逐漸變好。SBS摻量達到2%時,再生瀝青低溫流變性能已恢復至原樣瀝青水平。

4) 推薦采用6%生物油復配2% SBS用于老化瀝青再生,此時再生瀝青高低溫性能均優(yōu)于原樣瀝青。