植物基生物质油对老化沥青再生效果研究

李 宁 利, 冯 丽 平, 栗 培 龙

(1.河北工业大学 土木与交通学院, 天津 300401;2.长安大学 道路结构与材料交通运输行业重点实验室, 陕西 西安 710064)

0 引 言

沥青老化是道路耐久性所面临的巨大问题,道路因老化出现坑槽、裂缝等病害,维修养护产生了大量的废旧沥青混合料[1-2].由于传统的再生剂多为矿物油,易对人体与环境造成危害,且价格较高[3],导致废旧沥青混合料再生利用率较低.生物质油由生物质经过压榨与萃取、热解、酸解、醇解等工艺制得[4],根据来源的不同,可分为3类:猪粪等动物粪便类;木屑、秸秆等植物类;餐饮废油、废弃油脂等地沟油类[5].生物质油不仅来源广泛、价格低廉,而且所含的化学元素与石油沥青相似,二者具备相似相溶性和稳定性[6].近年来,研究人员对生物质油再生老化沥青的可行性进行了研究,发现生物质油能显著提高老化沥青的针入度与延度,降低其软化点与黏度[7-9].Fini等[10-11]、Hill等[12]、Oldham等[13]利用猪粪制备生物质油,发现其能够改善老化沥青的流变性能,提高低温性能.Lo Presti等[14]和Borghi等[15]研究了松木油对老化沥青再生性能的影响,发现松木油能够恢复老化沥青的物理性能与流变性能.曾梦澜等[16]发现随着蓖麻油掺量的增加,再生沥青针入度增大,软化点降低,肖庆一等[17]亦发现植物油具备相同的规律.Zargar等[18]和Nciri等[19]研究发现废食用油与废弃油脂能提高老化沥青的针入度与延度,降低其软化点与黏度;Zahoor等[20]亦综述废食用油再生沥青的可行性,发现了相同的再生规律,但油的酸值及含水量对再生效果有不利影响.张雪飞等[21-22]和彭样[23]研究了木焦油基和桐油再生沥青,发现二者具有较好的抗老化性.李君峰[24]亦发现蓖麻油再生沥青的抗老化性不低于原样沥青,表明生物质油能提高沥青的抗老化性.

综上所述,研究人员对生物质油再生老化沥青进行了大量研究,但缺乏对不同种类生物质油再生效果的综合对比,对生物质油再生效果存在差异性的原因尚未明确.因此,本文主要以4种短期老化沥青为研究对象,采用5种不同种类的生物质油来恢复老化沥青的性能.通过三大指标试验和布氏旋转黏度试验比较5种生物质油对4种老化沥青性能的恢复效果.通过傅里叶变换红外光谱试验研究生物质油再生效果的差异性,为生物质油作为再生剂提供依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

(1)沥青

本文选用4种沥青进行研究,分别为鑫海70#、伦特70#、壳牌70#和伦特90#沥青,4种沥青物理性能指标见表1.

表1 沥青物理性能指标

(2)生物质油

本研究选用的5种生物质油由衡水前进油脂有限责任公司、新疆普朗克能源有限公司、禾乐生物质燃料(唐山)有限公司以及温州甬文设备提供,原材料为稻壳、蓖麻、棉籽、毛竹和果木,均通过快速热裂解的方式制备.5种生物质油分别记为稻壳类生物质油(A)、蓖麻类生物质油(B)、棉籽类生物质油(C)、毛竹类生物质油(D)和果木类生物质油(E),其技术指标见表2.

表2 生物质油技术指标

1.2 老化沥青的制备

采用现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[25](以下简称试验规程)T0610中RTFOT的方式制备短期老化沥青,其物理性能指标见表3.

表3 短期老化沥青物理性能指标

1.3 再生沥青的制备

生物质油中含有一定的水分,如果直接使用,搅拌过程中会出现大量气泡,导致沥青出现轻微喷溅现象,同时随着水分蒸发,生物质油的掺量会出现误差,影响生物质油的再生效果.为了避免沥青喷溅,减少水分对生物质油再生效果的影响,需要对生物质油进行预处理.预处理的温度为100 ℃,试验过程中发现:当温度低于100 ℃时,处理时间过长;高于100 ℃时,蒸发过程中不仅去除了水分,还会使少量的轻质组分挥发,过高的温度使得果木类生物质油出现细小结块现象,破坏了生物质油本身的性质.参考朱洪洲等[26]的处理方式,确定本文的预处理方式如下:将生物质油置于烧杯中,用电炉进行加热,并用玻璃棒不断搅拌,温度控制在100 ℃,直到生物质油中无气泡产生.

一些研究者[27-28]发现生物质油掺量在10%以下,老化沥青的再生效果较好.Fang等[29]综述了生物质油再生老化沥青的应用,总结了生物质油再生沥青的制备工艺范围:剪切温度130～145 ℃;剪切时间10～30 min;剪切速率1 000～3 000 r/min.结合现有的研究成果,确定本文的制备方式如下:将预处理得到的生物质油按10%(外掺)加入老化沥青中,在135 ℃下,采用“手动+剪切机”的搅拌方式将二者充分混合,手动搅拌20 min,剪切机以2 000 r/min剪切10 min,最终制得生物质油再生沥青.

1.4 试验方法

1.4.1 三大指标试验 对原样沥青、老化沥青和生物质油再生沥青进行25 ℃针入度、10 ℃延度和软化点测试,均按照试验规程中T0604、T0605和T0606执行.

1.4.2 布氏旋转黏度试验 采用黏度仪(Brookfield DV-Ⅱ+Pro型)对原样沥青、老化沥青和生物质油再生沥青,在115、125、135、145和155 ℃下进行黏度测试,并绘制黏温曲线,评价生物质油对老化沥青黏度的影响.

1.4.3 傅里叶变换红外光谱试验 通过傅里叶变换红外光谱试验对5种生物质油进行官能团结构分析,探究不同种类生物质油再生效果存在差异性的原因.

2 结果与讨论

2.1 生物质油对老化沥青三大指标的影响

2.1.1 针入度 针入度是我国沥青标号划分的主要依据,能表征沥青的软硬程度,针入度越大,沥青越软;反之,沥青越硬.不同种类生物质油对老化沥青针入度的影响如图1所示.

(a)鑫海70#

以原样沥青和老化沥青的针入度作为参考线,由图1(a)～(c)可知:3种70#沥青老化后,针入度降低;加入10%的生物质油再生,针入度显著提高.针入度的提高可能是生物质油中富含的芳香分与饱和分发挥了软化、稀释的作用[30].

不同种类生物质油对老化沥青针入度的恢复程度有所差异:生物质油A能使伦特70#与壳牌70#老化沥青的针入度恢复至原样沥青状态,显著提高鑫海70#老化沥青的针入度;生物质油B、D、E可以使老化沥青针入度恢复至原样沥青状态,其中生物质油B、E使70#老化沥青针入度的增幅超过160%;生物质油C是5种生物质油中再生效果最差的,虽然能使老化沥青的针入度提高,但未达到原沥青针入度的要求.

《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)(以下简称规范)[31]规定70#石油沥青的针入度为60～80(0.1 mm).当生物质油掺量为10%时,生物质油A使伦特70#与壳牌70#老化沥青的针入度超出规范范围;生物质油D使伦特70#老化沥青的针入度超出规范范围;生物质油B、E再生沥青的针入度也超出规范范围,生物质油E再生沥青针入度竟高达120(0.1 mm),远远大于规范要求.相同掺量下,生物质油C再生沥青的针入度均满足规范要求.因此,对于70#老化沥青,生物质油的掺量应控制在10%以下.根据生物质油对70#老化沥青针入度恢复情况,得出生物质油再生效果排序:生物质油B、E再生效果最佳,生物质油A、D次之,生物质油C再生效果最差.

根据图1(d)可知,伦特90#沥青老化后,针入度下降了36.8%,加入生物质油后,针入度提高.规范中规定90#石油沥青的针入度为80～100(0.1 mm).在10%的掺量下,生物质油B、E使老化沥青的针入度恢复至118(0.1 mm)以上,远远超出了规范范围,并且高于原沥青的针入度.相同掺量下,生物质油A、C、D只能在一定程度上提高老化沥青的针入度,再生沥青的针入度不满足规范要求,表明生物质油A、C、D的再生效果劣于生物质油B、E.

2.1.2 软化点 软化点反映了石油沥青高温稳定性的好坏.5种生物质油对4种老化沥青软化点的影响如图2所示.

(a)鑫海70#

由图2(a)～(c)可知:70#老化沥青的软化点随着生物质油的掺加而降低,但降低幅度因生物质油种类的不同而存在差异.生物质油B、E的降低幅度最大,生物质油A、D次之,生物质油C降幅最小.规范中规定70#石油沥青软化点应高于44 ℃.生物质油E掺量为10%时,伦特70#与壳牌70#再生沥青的软化点低于44 ℃,不满足规范要求.相同掺量下,生物质油A、B、C、D再生沥青软化点满足规范要求.

根据图2(d)可知:伦特90#沥青老化后,软化点提高.相同掺量下,不同种类生物质油对伦特90#老化沥青软化点的降幅与70#老化沥青软化点的降幅规律相同.在10%的掺量下,5种生物质油再生沥青的软化点满足规范要求,均高于43 ℃.因此,生物质油的掺量应控制在10%以下,过量掺入会影响再生沥青的高温稳定性.

2.1.3 延度 延度是表征石油沥青低温性能的重要指标.图3反映了生物质油对老化沥青延度的影响.

(a)鑫海70#

由图3(a)～(c)可知,生物质油改善了70#老化沥青的延度,不同种类生物质油对老化沥青延度的改善效果存在差异.生物质油B、E改善效果最好,生物质油A、C、D的改善效果稍差.规范中规定70#石油沥青的延度不低于15 cm,生物质油再生沥青的延度均能满足规范要求.在10%的掺量下,生物质油B的改善能力最好,能使鑫海70#与壳牌70#老化沥青的延度恢复至原样沥青状态,有效地改善了沥青的低温性能.其他4种生物质油的改善效果较弱,再生后的沥青低温性能较差.

由图3(d)可以看出,生物质油对伦特90#老化沥青延度的改善能力弱于对70#老化沥青的.相同掺量下,生物质油A、C、D对伦特90#老化沥青的改善效果较差;生物质油B对延度的改善效果最好,生物质油E次之.规范中规定90#沥青的延度不低于15 cm,生物质油C再生沥青的延度不符合规范要求,其余4种再生沥青的延度满足规范要求.

2.2 生物质油对老化沥青黏度的影响

黏度是表征沥青在外力作用下抵抗剪切变形的能力[7],可以用来确定沥青混合料施工拌和温度与压实温度.135 ℃下的布氏旋转黏度通常用来表征沥青的施工性能[32].图4表明了沥青在不同温度下的黏度.

(a)鑫海70#

由图4可知:沥青老化后,黏度显著提高,导致沥青变硬;随着温度的升高,老化沥青的黏度逐渐下降.相同温度下,随着生物质油的加入,老化沥青的黏度显著降低.再生沥青的黏度与原样沥青、老化沥青具有相同的变化规律,均随温度的升高呈现下降的趋势.

生物质油A掺量为10%时,鑫海70#、伦特70#、壳牌70#与伦特90#再生沥青的黏度比老化沥青在135 ℃下的黏度分别降低了50.8%、38.3%、29.2%和34.9%;相同掺量及温度下,掺加生物质油B的再生沥青黏度降幅为57.8%、42.5%、34.3%和45.4%,掺加生物质油C的再生沥青黏度降幅为12.4%、15.0%、22.8%和18.8%,掺加生物质油D的再生沥青黏度降幅为40.2%、30.6%、39.5%和32.5%,掺加生物质油E的再生沥青黏度降幅为59.6%、38.3%、56.2%和38.5%.5种生物质油对老化沥青具有较好降黏效果.在135 ℃时,除生物质油C再生沥青外,其他4种生物质油再生沥青的黏度均接近或低于原样沥青的黏度;其中,生物质油B、E的降黏效果最好,生物质油A、D次之,生物质油C降黏效果最差,与生物质油再生沥青的三大指标恢复效果一致.

2.3 生物质油红外变换光谱结果分析

采用德国Bruker公司生产的傅里叶变换红外光谱仪对5种生物质油进行红外光谱检测,探究不同种类生物质油对老化沥青再生效果存在差异性的原因.生物质油红外光谱图如图5所示.

图5 生物质油红外光谱图

由图5可知:5种生物质油在红外光谱图上吸收峰的位置几乎一致,主要包括:3 084、2 926、2 852、1 709、1 601、1 584、1 465、1 376、1 225、932、836、777、623和445 cm-1,生物质油B比其他4种生物质油多出一个吸收峰724 cm-1,表明5种生物质油含有相同的官能团结构.

3 结 论

(1)生物质油能有效恢复老化沥青的物理性能.老化沥青中掺入10%的生物质油,其针入度与延度显著提高,软化点与黏度明显降低,改善了老化沥青硬脆的现象.

(2)生物质油对老化沥青的再生效果存在差异性,蓖麻类和果木类生物质油的再生效果最好,稻壳类和毛竹类生物质油次之,棉籽类生物质油再生效果最差.

(3)5种生物质油含有相同的官能团结构,蓖麻类和果木类生物质油所含的芳香族化合物多于稻壳类、棉籽类和毛竹类生物质油,生物质油中的芳香族化合物强度影响着再生效果.

(4)对于70#老化沥青,5种生物质油的掺量应控制在10%以下;对于90#老化沥青,蓖麻类和果木类生物质油的掺量应控制在10%以下,稻壳类、棉籽类和毛竹类生物质油掺量需提高.