廢機油再生SBS改性瀝青性能及再生機理

梁慶， 鄭云， 張關發， 張禮超， 高杰

(1. 中鐵城市發展投資集團有限公司， 成都 610015； 2. 華東交通大學交通運輸工程學院， 南昌 330013； 3. 華東交通大學土木建筑學院， 南昌 330013)

近年來中國公路已由高速發展向建養并重進行轉變，為減少環境污染及資源浪費，瀝青混合料回收料(reclaimed asphalt pavement， RAP)的合理利用得到了諸多關注[1]。瀝青路面在長期使用過程中，熱氧老化會加速瀝青輕質組分的散失，提升膠結料的剛度及抗變形能力[2-3]。然而，將RAP直接用于瀝青路面鋪筑，易導致路面產生疲勞開裂、低溫縮裂等病害[4]。

瀝青再生是一種瀝青調和過程，采用外摻添加劑的方式，使瀝青常規及流變性能迅速恢復[5]。瀝青再生劑的合理選擇不僅能夠提升再生路面使用性能，還能降低建造成本。目前，廢機油(waste engine oil， WEO)因其具有類似瀝青的分子結構且含有大量輕質組分而普遍應用于工程實踐領域[6-7]。Fakhri等[8]研究表明，廢機油加入老化瀝青中能夠降低其黏度，并提升老化瀝青低溫性能。Jia等[9]基于動態剪切流變試驗(dynamic shear rheometer， DSR)研究廢機油殘渣對老化瀝青的再生效果，發現5%摻量的廢機油殘渣對老化瀝青的低溫、抗疲勞及彈性恢復能力改善顯著。Li等[10]借助薄膜烘箱試驗模擬瀝青老化，得出最佳摻量下廢機油可將老化瀝青性能恢復至原樣瀝青水平。徐朋朋[11]通過相似相容理論闡述了廢機油作為瀝青再生劑的可行性，研究發現廢機油作為再生劑不僅能恢復老化瀝青性能，還能產生巨大的社會經濟效益。胡琦等[6]通過研究發現廢機油摻量為1%～3%時，不僅夠緩解瀝青老化的不利影響，且能增強瀝青的彈性和柔韌性。然而，目前廢機油的再生研究主要集中于基質瀝青的老化再生，對苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene， SBS)改性瀝青的再生效果未有全面的研究成果。此外，隨著道路瀝青流變學的不斷發展[12-13]，研究人員開發出如線性振幅掃描試驗(linear amplitude sweep， LAS)、基于4 mm平行板的低溫DSR試驗等研究手段探究全溫度域內瀝青流變性能[14-15]。

鑒于此，現采用壓力老化試驗模擬SBS瀝青的長期熱氧老化，并添加不同摻量的廢機油對老化瀝青進行再生。通過布氏黏度、溫度掃描、頻率掃描、LAS及彎曲梁流變試驗對全溫度域內再生改性瀝青的流變性能進行評價，研究廢機油摻量對老化SBS瀝青的黏度、高低溫流變及疲勞性能的影響規律。以紅外光譜試驗、4組分分析試驗及熒光顯微鏡試驗探究廢機油再生SBS改性瀝青機理。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

改性瀝青選用京博石化公司生產的SBS(I-D)改性瀝青，其技術性能指標如表1所示。廢機油從普通家用小汽車中回收，主要技術性能指標如表2所示。

表1 SBS瀝青技術性能指標Table 1 SBS asphalt technical performance index

表2 廢機油主要性能指標Table 2 Main performance indicators of waste engine oil

1.2 老化瀝青及再生瀝青制備

采用壓力老化容器在高溫高壓條件下老化瀝青，以模擬瀝青在長期使用過程中的熱氧老化。研究表明，20 h的壓力老化容器(pressure aging vessel， PAV)瀝青加速老化試驗相當于室外瀝青路面使用7～8年[16-17]。基于此，對SBS改性瀝青進行40 h PAV試驗以模擬長期使用后的路面瀝青狀態。按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)，在100 ℃、2.1 MPa壓力的條件下對SBS瀝青進行40 h的PAV試驗以制備老化瀝青。

采用高速剪切法制備再生瀝青：將SBS老化瀝青在175 ℃烘箱內加熱至流動狀態后，取500 g老化瀝青加入燒杯中，隨后將占瀝青質量分數3%的廢機油加入燒杯，采用高速剪切機在160 ℃環境下以4 000 r/min的速度剪切1 h，制備3%廢機油摻量的再生瀝青。6%與9%摻量的廢機油再生瀝青按相同方法制備。為方便試驗分析，各摻量廢機油及老化瀝青分別記為P40W3、P40W6、P40W9、P40。

1.3 試驗方法

1.3.1 物理性能試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)的規定，對瀝青進行針入度、5 ℃延度以及軟化點試驗，并采用Brookfield旋轉黏度計測試瀝青在不同溫度下的布氏黏度。此外，為保障試驗結果的可靠性，各類試驗分別進行3組平行試驗。

1.3.2 流變試驗

采用動態剪切流變儀對瀝青進行溫度掃描、頻率掃描試驗以研究再生瀝青的高溫流變性能，分別進行2組平行試驗。溫度掃描試驗的溫度范圍為34～70 ℃，溫度間隔6 ℃，應力水平為1.25%，加載角頻率為10 rad/s。頻率掃描試驗溫度范圍為40～80 ℃，溫度間隔10 ℃，應力水平為1.25%，角頻率范圍0.1～100 rad/s。

根據AASHTO TP 101-12的試驗規程對瀝青進行LAS試驗，試驗溫度為25 ℃。并按照黏彈性連續介質損傷力學理論模型(visco elastic continuum damage， VECD)計算瀝青的疲勞壽命[14]。

在-12 ℃條件下對瀝青試樣進行彎曲梁流變試驗(bending beam rheometer， BBR)，每組試驗進行6組平行試驗。按式(1)和式(2)計算可得到評價瀝青低溫性能的勁度模量與蠕變速率。

(1)

(2)

式中：S為勁度模量，MPa;t為加載時間，s;P為儀器施加恒定荷載，980 mN;L、b、h為瀝青小梁長、寬、高，其值分別為127、6.35、12.7 mm；δ為隨時間變化的小梁跨中應變；m為蠕變速率。

1.3.3 微觀試驗

采用Thermo公司IS5型紅外光譜試驗儀對廢機油、未老化瀝青、老化瀝青以及廢機油再生瀝青進行掃描，每種瀝青進行2組平行試驗，獲得各樣品紅外光譜圖。

按照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中瀝青化學組分試驗的規定，采用色譜柱法對廢機油、原樣SBS瀝青、老化瀝青及不同廢機油摻量下再生瀝青進行4組分成分分析，每種瀝青進行3組平行試驗。

采用Leika公司DM3000型熒光顯微鏡對原樣瀝青及再生瀝青進行試驗，在400倍放大倍數下對瀝青進行觀測。

2 結果與分析

2.1 物理性能試驗結果

對不同瀝青按試驗規程分別進行針入度、延度及軟化點試驗，試驗結果如表3所示。

表3 不同瀝青物理性能試驗結果Table 3 Physical properties of different asphalt

由表3中原樣SBS與P40的試驗結果可以看出經過長期老化后，SBS瀝青針入度減小，軟化點增大，且在5 ℃下進行延度試驗時發生脆斷。這表明老化后瀝青硬度增大，高溫性能增強但低溫延展性降低。相比于老化瀝青，當摻入廢機油后，再生瀝青針入度與延度增大，軟化點降低，且隨著廢機油摻量增加，變化幅度也越大。這是由于廢機油的摻入增加了再生瀝青中的輕質組分，有效地軟化瀝青，降低了老化瀝青硬度[8]。

不同溫度下各瀝青布氏黏度試驗結果如圖1所示。由圖1可見，SBS改性瀝青在3個溫度下有最低的黏度值。瀝青老化后，其黏度顯著增大，為未老化SBS瀝青的兩倍。當加入廢機油后，再生瀝青的黏度值顯著降低，但在135 ℃時仍高于原樣瀝青。隨著溫度增加，瀝青黏度值減小，當溫度達到175 ℃時，不同瀝青之間黏度值相差較小。在不同廢機油摻量下，再生瀝青黏度值基本一致，這表明摻加廢機油雖然能夠實現老化瀝青的再生，但其黏度不能恢復到原樣瀝青水平。

圖1 瀝青布氏黏度Fig.1 Brookfield viscosity of asphalt

2.2 流變試驗結果

采用溫度掃描所得的車轍因子對瀝青高溫流變性能進行評價，老化瀝青及再生瀝青車轍因子-溫度關系曲線如圖2所示。由圖2可見，隨著溫度的增加，瀝青的車轍因子呈現出逐漸衰減的趨勢，這是由于隨著溫度升高，瀝青逐漸從粘彈態轉變為黏流態，流動性增強，高溫抗變形能力減小。此外，老化瀝青與SBS瀝青的車轍因子曲線近似平行，且老化瀝青在各溫度下車轍因子較SBS瀝青提升約226%。表明SBS瀝青老化后，瀝青樣品剛度提升，具備更優的抗車轍性能。加入廢機油后，再生瀝青車轍因子逐漸減小，且隨著廢機油摻量增大，再生瀝青車轍因子降低的幅度也越大。

圖2 瀝青車轍因子Fig.2 Rutting factor of asphalt

在不同溫度下進行頻率掃描試驗，并基于時溫等效原理轉化為60 ℃下復數模量主曲線，老化瀝青及再生瀝青的復數模量主曲線如圖3所示。由圖3可見，不同瀝青復數模量主曲線間的關系與由車轍因子分析得出的結論相似。老化瀝青主曲線位于最上方，未老化SBS改性瀝青主曲線位于最下方。摻加廢機油后，再生瀝青復數模量主曲線向下方移動，隨著廢機油摻量增加，主曲線向下移動趨勢也越大。在中低頻率域內，老化瀝青復數模量相比與原樣SBS瀝青要高出兩個數量級。這進一步證明老化使得瀝青高溫性能得到提升。值得注意的是，當廢機油摻量為3%與6%時，在中高頻率域內其主曲線與老化瀝青相比降低不顯著，較低的廢機油摻量對老化SBS改性瀝青的再生效果不明顯。

根據LAS試驗數據，采用黏彈性連續介質損傷力學理論模型(VECD)對再生瀝青結合料的疲勞性能進行分析，計算老化瀝青、原樣瀝青及再生瀝青疲勞壽命，應力水平選擇為2.5%。再生瀝青疲勞壽命計算結果如圖4所示。

圖3 瀝青復數模量主曲線Fig.3 Complex modulus master curve of asphalt

圖4 瀝青疲勞壽命Fig.4 Fatigue life of asphalt

由圖4可知，經過長期老化后，SBS改性瀝青疲勞壽命相比于未老化瀝青下降69%，這表明老化使得瀝青變得更硬，從而降低了瀝青抵抗荷載重復作用的能力，進而使得疲勞壽命減小。當加入廢機油后，再生瀝青疲勞壽命有所恢復，且隨著廢機油摻量的增加，疲勞壽命恢復的也越多，但仍未達到原樣SBS改性瀝青的水平。此外，9%的廢機油摻量下疲勞壽命比老化瀝青增加137%，說明以廢機油作為再生劑能夠有效延長瀝青路面使用壽命，達到重復利用資源的目的。

根據試驗規程，以BBR試驗第60 s時S與m評價瀝青低溫性能。各瀝青在-12 ℃下BBR試驗結果如圖5所示。SHRP研究指出，在低溫條件下S越大，m越小，表明瀝青具有更好的應力松弛能力，其低溫抗裂性能也越好。由圖5(a)可以看出，當瀝青經過長期老化后，其低溫勁度模量相比于未老化瀝青增加了152.7%，這表明老化后瀝青變得更硬，其低溫抗荷載作用能力減弱。而加入廢機油后，再生瀝青勁度模量隨著廢機油摻量增加逐漸減小。這說明在老化瀝青中摻入廢機油，能夠軟化瀝青，使瀝青低溫性能有所恢復。但摻加9%廢機油的再生瀝青勁度模量要比未老化瀝青高出86.5%，說明僅靠摻加廢機油無法完全恢復SBS改性瀝青性能。

由圖5(b)可知，未老化SBS蠕變速率最大，達到0.451，經過長期老化后，瀝青蠕變速率減小。摻入廢機油后，再生瀝青蠕變速率有所恢復，但提升幅度并不大。這表明廢機油能夠提升老化瀝青低溫條件下抗荷載作用能力，然而對于蠕變恢復性能影響并不顯著。

2.3 老化及再生機理分析

2.3.1 紅外光譜分析

廢機油紅外光譜圖如圖6所示，為了突出部分瀝青中特征峰，未老化SBS改性瀝青，老化瀝青及摻加廢機油再生瀝青部分紅外光譜圖如圖7所示。

圖5 瀝青BBR試驗結果Fig.5 Asphalt BBR test results

圖6 廢機油紅外光譜圖Fig.6 Infrared spectrum of waste engine oil

圖7 瀝青紅外光譜圖Fig.7 Infrared spectrum of asphalt

基于紅外光譜圖，計算特征峰面積比，可以半定量地分析瀝青老化及再生機理[19]。根據式(3)～式(5)計算特征峰指數。

(3)

(4)

(5)

表4 不同瀝青特征峰指數計算結果Table 4 Calculation results of characteristic peak index of different asphalt

從紅外光譜分析可知，SBS瀝青未老化時，瀝青中存在大量由聚合物組成的三維網狀結構，這些結構在收到外部荷載作用時，能夠很好地傳遞和消散應力，防止應力積累產生的破壞。而瀝青老化后，內部網狀結構被破壞，這種破壞通過摻加廢機油無法逆轉。這也驗證了LAS及BBR試驗結果，即廢機油再生瀝青疲勞壽命相比于老化瀝青有所提升，但無法恢復至原樣瀝青水平，同時摻加廢機油對于再生瀝青蠕變速率無明顯提升效果。

2.3.2 4組分分析

為進一步研究廢機油對老化瀝青再生機理，對廢機油及不同瀝青進行4組分分析，結果如圖8所示。

由圖8可見，廢機油基本由芳香分與飽和分組成，其膠質與瀝青質含量較少，分別為11.3%和5.3%。這證明將廢機油作為再生劑摻入老化瀝青中，以實現瀝青組分調節與再生是合理的。對比老化前后的SBS改性瀝青可以看出，經過長期熱氧老化作用后，瀝青中芳香分含量大幅減少，飽和分含量也下降。同時瀝青質與膠質含量增加。即瀝青在熱氧作用下，輕質組分揮發或轉化為膠質瀝青質等重質組分，從而使得老化后重質組分所占比例增大。當摻入廢機油后，隨著廢機油摻量增大，再生瀝青中芳香分含量逐漸增加，膠質含量逐漸降低，飽和分與瀝青質含量變化幅度不大。這說明將廢機油摻入老化瀝青中能夠調節各組分含量，尤其是增加瀝青中飽和分含量，使得瀝青軟化，性能得到恢復。

圖8 廢機油及不同瀝青四組分結果Fig.8 Component analysis of waste engine oil and different asphalt

2.3.3 熒光顯微鏡分析

對不同瀝青進行熒光顯微鏡試驗，定性分析廢機油再生SBS改性瀝青機理。各瀝青熒光顯微鏡圖像如圖9所示。

圖9 不同瀝青熒光顯微鏡圖像Fig.9 The Fluorescence microscope image of different asphalt

在熒光顯微鏡圖像中，亮色為SBS及廢機油中物質，暗色為瀝青相。由圖9(a)和圖9(b)可知，未老化的SBS改性瀝青中大量的聚合物SBS均勻分散在瀝青中，形成交聯結構。而當SBS瀝青經過長期老化后，SBS瀝青中僅存在少量游離SBS分子。這也證實了紅外光譜試驗結果，即長期老化作用下瀝青中SBS發生降解破壞，無法形成網狀結構，導致瀝青彈性恢復性能降低。當富含輕質組分的廢機油加入老化瀝青后，使得老化瀝青中斷裂成小分子的SBS溶脹，從而在熒光顯微鏡中出現游離的聚合物相。當廢機油摻量進一步增大時，瀝青中出現較多的熒光相，這些是由SBS進一步溶脹及廢機油中物質產生。

3 結論

將廢機油作為再生劑摻入老化SBS改性瀝青中，對再生瀝青性能及再生機理進行研究，得出如下結論。

(1) 廢機油的摻入增加了老化瀝青的流動性，降低再生瀝青黏度及高溫抗車轍性能。且隨著廢機油摻量增加，再生瀝青的高溫性能降幅越大。但各廢機油摻量下再生瀝青的高溫性能均高于未老化SBS瀝青。

(2) 長期老化后瀝青疲勞壽命下降69%，摻入廢機油能過延長瀝青疲勞壽命。9%廢機油摻量下疲勞壽命恢復至原樣瀝青的73%。僅靠調節輕質組分無法修復瀝青中老化裂解的SBS。

(3) 在低溫條件下，廢機油能夠降低老化瀝青脆性，提升老化瀝青抗荷載作用能力，增強其低溫抗裂性能。而廢機油對瀝青蠕變速率沒有顯著影響。

(4) SBS瀝青在長期熱氧老化作用下，瀝青中產生羰基與亞砜基，同時SBS聚合物發生破壞。且將廢機油摻入老化瀝青中沒有新的吸收峰出現，屬于物理改性。

(5) 廢機油中含有的大量芳香分、飽和分等輕質組分，能夠調節瀝青組分，增加瀝青輕質組分含量并使得瀝青中重質組分含量降低。且廢機油中富含的輕質組分能夠使斷裂的SBS部分溶脹，從而達到再生瀝青的目的。