废机油与木质素在沥青中的协同作用研究

吕东滨,胡 隆

(1.广西高速公路投资有限公司,广西 南宁 530022;2.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

由于车辆数量的增加伴随着发动机油消耗量的逐步增加,在交通行业中,我国的废机油年均产量为3 000多万t[1]。然而其中只有40%的废机油被妥善处理,仅仅8%能被回收利用。废机油含有大量的铅、锌、钡和镁,如果使用过的机油没有得到妥善处理,会威胁生态环境和人身健康。此外,木质素作为可再生资源,是全球仅次于纤维素的第二丰富生物材料[2]。在造纸行业中,每年平均会产生超千万吨的木质素黑液副产品,如果处理不当,这些黑液废弃物会造成环境污染。

在此背景下,许多研究结果表明,由于废机油的化学成分与沥青相似,在沥青中添加废机油能降低其刚度、黏度和高温稳定性,而改善沥青的低温开裂和疲劳开裂性能[3-4]。废机油还能降低沥青中的羰基含量,抑制热氧老化作用。同时,木质素已被证明可作为沥青的改性剂,在沥青中添加木质素可提高其粘附性、高温抗变形能力和抗老化性能[5-6]。但木质素会使沥青的蠕变刚度提高而蠕变速率值降低,对沥青的低温开裂有负面影响[7]。因此,可以考虑选择不同特性的改性剂(如木质素和废机油),基于二者的协同作用进行复合改性,来弥补单一改性对沥青某项性能的负面影响。

尽管目前已有针对木质素和废机油对沥青性能影响的研究,但关于两者在沥青中协同作用的研究仍有不足。废机油的软化作用可改善沥青的低温抗裂性,而木质素在高温下的硬化作用能提高沥青的高温抗车辙性能。因此,这两种废弃物的衍生物的综合应用对沥青性能具有改善效果,还能减缓因其处理问题而产生的环境压力。

1 试验材料和试验方法

1.1 原材料

选择湖南某公司的70号A级道路石油沥青作为基质沥青,表1为沥青的相关技术指标。使用的木质素是由江苏某化工公司提供的基于木材和造纸工业黑液中提取的木质素,其基本性能如表2所示。废机油是从湖南某汽车修理厂收集而来的,常温下为黑色液体,且并未做任何特殊处理,其元素组成和物理性质如表3所示。

表1 基质沥青的测试指标表

表2 木质素的元素组成及物理性质表

表3 废机油的元素组成及物理性质表

1.2 改性沥青制备

以基质沥青、木质素和废机油为原料,共制备了5种改性沥青,如下页表4所示。5种改性沥青的制备均是使用高速剪切仪在150 ℃下以5 000 r/min的速度剪切45 min。对于L6+W5和L12+W5沥青试样的制备,改性剂的添加顺序为先添加木质素后添加废机油。对基质沥青也采用上述改性沥青的制备过程处理,以防止老化对沥青试验结果的影响。

1.3 试验方法

为了评价复合改性沥青的高温性能,采用旋转黏度试验和多重应力蠕变与恢复(MSCR)试验,黏度试样为未老化沥青,其测试温度分别为135 ℃、150 ℃和165 ℃,而MSCR试验针对短期老化沥青,测试温度为64 ℃。采用弯曲梁流变仪(BBR)试验,评价长期老化后沥青的低温性能,试验温度分别为-6 ℃和-12 ℃。为表征木质素和废机油对沥青化学组成的影响,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)试验测定沥青试样的化学官能团组成。

表4 不同类型改性沥青的组成汇总表

2 结果与讨论

2.1 黏度指标

旋转黏度能作为表征沥青粘滞性能的指标,一般来说,旋转黏度值越大,沥青抗剪切作用变形的能力越强,则其高温稳定性越好。沥青黏度的差异性反映了沥青路面力学行为的差异性。图1显示了不同类型沥青在不同测试温度下的黏度值。

图1 旋转黏度试验结果柱状图

由图1可知,在不同温度下木质素的添加会使得沥青黏度增加,并随着木质素掺量的增加而增加,这表明木质素改善了沥青的高温抗变形能力,且在较低温度下改善效果更为明显;另一方面,W5的黏度与基质沥青相比略低,说明废机油会导致沥青黏度降低,这是因为废机油的软化作用和轻质组分补充。与相同温度下的基质沥青相比,W5的黏度降低,而L6+W5、L12+W5、L6和L12的黏度均有明显增加,这说明木质素可以弥补废机油对沥青的软化效果,改善沥青的高温抗剪切变形的能力。

2.2 MSCR指标

MSCR试验是基于复杂应力水平模式下的新型Superpave沥青试验,在两种应力水平下分别测试得到两种测试指标,即不可恢复蠕变柔量(Jnr)和弹性恢复率(R),试验结果如图2和图3所示。

由图2和图3可知,当应力水平从0.1 kPa增加到3.2 kPa时,R值下降而Jnr值增加。木质素的添加使得沥青的R值增加而Jnr值降低,这表明木质素改善了沥青的高温抗车辙性能,这种性能提升对木质素12%掺量下的L12更为明显。沥青高温性能的改善是因为木质素的硬化作用,这使得沥青在高温下具备足够的刚度,而降低了其发生永久变形的可能性;另一方面,与基质沥青相比W5的R值降低而Jnr增加,这说明废机油改性沥青的高温稳定性低于基质沥青。

图2 MSCR试验结果(0.1 kPa应力水平)柱状图

图3 MSCR试验结果(3.2 kPa应力水平)柱状图

同时,对于L6+W5和L12+W5两种改性沥青,木质素和废机油的协同作用对沥青高温性能有所改善。与基质沥青相比,L6+W5的高温性能提升不大,而L12+W5的抗车辙性能明显优于基质沥青。这表明L12+W5由于自身的12%木质素掺量,可以抵消废机油在高温下的软化作用,即废机油和木质素在沥青中的协同作用改善了其高温性能。

2.3 BBR指标

为了评价沥青对低温开裂的抵抗力,对长期老化沥青试样进行了BBR试验。将加载第60 s时的蠕变刚度(S)和蠕变速率(m)作为评价指标,具有较高m值和较低S值的沥青抗低温开裂性则越好。在不同测试温度下BBR试验结果如图4和图5所示。

由图4和图5可知,与基质沥青相比,L6和L12的S值略有增加。木质素掺量越高,沥青的S值越大,而废机油的添加则显著降低了沥青的S值。L6+W5和L12+W5的S值均低于基质沥青,这是因为废机油的软化作用降低了木质素的硬化效果。同时,添加木质素会略微降低沥青的m值,且掺量越高则下降幅度更为明显。这表明木质素的添加使得沥青吸收热应力的性能变弱,且沥青受热应力作用后需要更长的时间恢复到其初始状态。经废机油改性的沥青m值明显高于基质沥青,这表明废机油能够软化沥青,并使其在热应力作用下仍具足够的弹性。L6+W5和L12+W5的m值高于基质沥青,这意味着其在低温下的抗裂性能更佳。一般来说,由于废机油在低温下仍然平顺且稳定性好,因此可以降低沥青在低温下的硬化效果。与基质沥青相比,含有木质素和废机油的复合改性沥青表现出更好的低温性能。在低温下,废机油的软化作用比木质素的硬化作用更显著,即废机油和木质素在沥青中的协同作用改善了低温性能。

图4 BBR试验结果(-6 ℃)柱状图

图5 BBR试验结果(-12 ℃)柱状图

2.4 FTIR组成

采用美国iS50型FTIR光谱仪来表征沥青试样的官能团的差异性,在微观层面揭示复合改性的作用机理。其中,FTIR测试的波长范围设置为4 000～500 cm-1,4 000～1 300 cm-1为官能团区,而1 300～600 cm-1为指纹区。选择基质沥青、L12、W5和L12+W5这四种沥青进行开展FTIR测试,结果如图6所示。

图6 沥青试样的FTIR试验结果曲线图

由图6可知,木质素或废机油的添加不会改变沥青的特征吸收峰位置,而这些吸收峰的强度与改性剂的掺量有关。主要的特征吸收峰分别位于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。这些吸收峰在木质素、废机油和沥青中具有相似波长和相同的来源,如C-H键的拉伸振动、弯曲振动和协同振动引起的。综上所述,通过比较图6中四种沥青的FTIR结果,可以发现木质素和废机油并未与沥青产生新的官能团,因此木质素、废机油和基质沥青之间的协同作用是物理共混过程。

3 结语

(1)与基质沥青相比,在沥青中添加木质素增加了沥青的黏度,而在沥青中添加废机油则降低了沥青的黏度。废机油的添加降低了木质素的硬化效果,因此,基于木质素与废机油在沥青中协同作用,复合改性沥青的施工和易性优于单一木质素改性沥青。

(2)MSCR试验结果表明,在沥青中添加木质素具有积极作用,而废机油对沥青的抗永久变形能力具有负面影响。木质素与废机油在沥青中的协同作用改善了沥青的抗车辙性能。

(3)木质素会使沥青的蠕变刚度增加而蠕变速率降低,从而降低了沥青的抗低温开裂性能;另一方面,添加废机油则显著降低了沥青的蠕变刚度并增加了蠕变速率。与基质沥青相比,含有木质素和废机油的复合改性沥青具有更佳的低温性能。

(4)木质素、废机油与基质沥青的协同作用方式为物理共混,三者间没有形成新的化学官能团。