植物基生物質油對老化瀝青再生效果研究

李 寧 利, 馮 麗 平, 栗 培 龍

(1.河北工業大學 土木與交通學院, 天津 300401;2.長安大學 道路結構與材料交通運輸行業重點實驗室, 陜西 西安 710064)

0 引 言

瀝青老化是道路耐久性所面臨的巨大問題,道路因老化出現坑槽、裂縫等病害,維修養護產生了大量的廢舊瀝青混合料[1-2].由于傳統的再生劑多為礦物油,易對人體與環境造成危害,且價格較高[3],導致廢舊瀝青混合料再生利用率較低.生物質油由生物質經過壓榨與萃取、熱解、酸解、醇解等工藝制得[4],根據來源的不同,可分為3類:豬糞等動物糞便類;木屑、秸稈等植物類;餐飲廢油、廢棄油脂等地溝油類[5].生物質油不僅來源廣泛、價格低廉,而且所含的化學元素與石油瀝青相似,二者具備相似相溶性和穩定性[6].近年來,研究人員對生物質油再生老化瀝青的可行性進行了研究,發現生物質油能顯著提高老化瀝青的針入度與延度,降低其軟化點與黏度[7-9].Fini等[10-11]、Hill等[12]、Oldham等[13]利用豬糞制備生物質油,發現其能夠改善老化瀝青的流變性能,提高低溫性能.Lo Presti等[14]和Borghi等[15]研究了松木油對老化瀝青再生性能的影響,發現松木油能夠恢復老化瀝青的物理性能與流變性能.曾夢瀾等[16]發現隨著蓖麻油摻量的增加,再生瀝青針入度增大,軟化點降低,肖慶一等[17]亦發現植物油具備相同的規律.Zargar等[18]和Nciri等[19]研究發現廢食用油與廢棄油脂能提高老化瀝青的針入度與延度,降低其軟化點與黏度;Zahoor等[20]亦綜述廢食用油再生瀝青的可行性,發現了相同的再生規律,但油的酸值及含水量對再生效果有不利影響.張雪飛等[21-22]和彭樣[23]研究了木焦油基和桐油再生瀝青,發現二者具有較好的抗老化性.李君峰[24]亦發現蓖麻油再生瀝青的抗老化性不低于原樣瀝青,表明生物質油能提高瀝青的抗老化性.

綜上所述,研究人員對生物質油再生老化瀝青進行了大量研究,但缺乏對不同種類生物質油再生效果的綜合對比,對生物質油再生效果存在差異性的原因尚未明確.因此,本文主要以4種短期老化瀝青為研究對象,采用5種不同種類的生物質油來恢復老化瀝青的性能.通過三大指標試驗和布氏旋轉黏度試驗比較5種生物質油對4種老化瀝青性能的恢復效果.通過傅里葉變換紅外光譜試驗研究生物質油再生效果的差異性,為生物質油作為再生劑提供依據.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

(1)瀝青

本文選用4種瀝青進行研究,分別為鑫海70#、倫特70#、殼牌70#和倫特90#瀝青,4種瀝青物理性能指標見表1.

表1 瀝青物理性能指標

(2)生物質油

本研究選用的5種生物質油由衡水前進油脂有限責任公司、新疆普朗克能源有限公司、禾樂生物質燃料(唐山)有限公司以及溫州甬文設備提供,原材料為稻殼、蓖麻、棉籽、毛竹和果木,均通過快速熱裂解的方式制備.5種生物質油分別記為稻殼類生物質油(A)、蓖麻類生物質油(B)、棉籽類生物質油(C)、毛竹類生物質油(D)和果木類生物質油(E),其技術指標見表2.

表2 生物質油技術指標

1.2 老化瀝青的制備

采用現行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[25](以下簡稱試驗規程)T0610中RTFOT的方式制備短期老化瀝青,其物理性能指標見表3.

表3 短期老化瀝青物理性能指標

1.3 再生瀝青的制備

生物質油中含有一定的水分,如果直接使用,攪拌過程中會出現大量氣泡,導致瀝青出現輕微噴濺現象,同時隨著水分蒸發,生物質油的摻量會出現誤差,影響生物質油的再生效果.為了避免瀝青噴濺,減少水分對生物質油再生效果的影響,需要對生物質油進行預處理.預處理的溫度為100 ℃,試驗過程中發現:當溫度低于100 ℃時,處理時間過長;高于100 ℃時,蒸發過程中不僅去除了水分,還會使少量的輕質組分揮發,過高的溫度使得果木類生物質油出現細小結塊現象,破壞了生物質油本身的性質.參考朱洪洲等[26]的處理方式,確定本文的預處理方式如下:將生物質油置于燒杯中,用電爐進行加熱,并用玻璃棒不斷攪拌,溫度控制在100 ℃,直到生物質油中無氣泡產生.

一些研究者[27-28]發現生物質油摻量在10%以下,老化瀝青的再生效果較好.Fang等[29]綜述了生物質油再生老化瀝青的應用,總結了生物質油再生瀝青的制備工藝范圍:剪切溫度130～145 ℃;剪切時間10～30 min;剪切速率1 000～3 000 r/min.結合現有的研究成果,確定本文的制備方式如下:將預處理得到的生物質油按10%(外摻)加入老化瀝青中,在135 ℃下,采用“手動+剪切機”的攪拌方式將二者充分混合,手動攪拌20 min,剪切機以2 000 r/min剪切10 min,最終制得生物質油再生瀝青.

1.4 試驗方法

1.4.1 三大指標試驗 對原樣瀝青、老化瀝青和生物質油再生瀝青進行25 ℃針入度、10 ℃延度和軟化點測試,均按照試驗規程中T0604、T0605和T0606執行.

1.4.2 布氏旋轉黏度試驗 采用黏度儀(Brookfield DV-Ⅱ+Pro型)對原樣瀝青、老化瀝青和生物質油再生瀝青,在115、125、135、145和155 ℃下進行黏度測試,并繪制黏溫曲線,評價生物質油對老化瀝青黏度的影響.

1.4.3 傅里葉變換紅外光譜試驗 通過傅里葉變換紅外光譜試驗對5種生物質油進行官能團結構分析,探究不同種類生物質油再生效果存在差異性的原因.

2 結果與討論

2.1 生物質油對老化瀝青三大指標的影響

2.1.1 針入度 針入度是我國瀝青標號劃分的主要依據,能表征瀝青的軟硬程度,針入度越大,瀝青越軟;反之,瀝青越硬.不同種類生物質油對老化瀝青針入度的影響如圖1所示.

(a)鑫海70#

以原樣瀝青和老化瀝青的針入度作為參考線,由圖1(a)～(c)可知:3種70#瀝青老化后,針入度降低;加入10%的生物質油再生,針入度顯著提高.針入度的提高可能是生物質油中富含的芳香分與飽和分發揮了軟化、稀釋的作用[30].

不同種類生物質油對老化瀝青針入度的恢復程度有所差異:生物質油A能使倫特70#與殼牌70#老化瀝青的針入度恢復至原樣瀝青狀態,顯著提高鑫海70#老化瀝青的針入度;生物質油B、D、E可以使老化瀝青針入度恢復至原樣瀝青狀態,其中生物質油B、E使70#老化瀝青針入度的增幅超過160%;生物質油C是5種生物質油中再生效果最差的,雖然能使老化瀝青的針入度提高,但未達到原瀝青針入度的要求.

《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)(以下簡稱規范)[31]規定70#石油瀝青的針入度為60～80(0.1 mm).當生物質油摻量為10%時,生物質油A使倫特70#與殼牌70#老化瀝青的針入度超出規范范圍;生物質油D使倫特70#老化瀝青的針入度超出規范范圍;生物質油B、E再生瀝青的針入度也超出規范范圍,生物質油E再生瀝青針入度竟高達120(0.1 mm),遠遠大于規范要求.相同摻量下,生物質油C再生瀝青的針入度均滿足規范要求.因此,對于70#老化瀝青,生物質油的摻量應控制在10%以下.根據生物質油對70#老化瀝青針入度恢復情況,得出生物質油再生效果排序:生物質油B、E再生效果最佳,生物質油A、D次之,生物質油C再生效果最差.

根據圖1(d)可知,倫特90#瀝青老化后,針入度下降了36.8%,加入生物質油后,針入度提高.規范中規定90#石油瀝青的針入度為80～100(0.1 mm).在10%的摻量下,生物質油B、E使老化瀝青的針入度恢復至118(0.1 mm)以上,遠遠超出了規范范圍,并且高于原瀝青的針入度.相同摻量下,生物質油A、C、D只能在一定程度上提高老化瀝青的針入度,再生瀝青的針入度不滿足規范要求,表明生物質油A、C、D的再生效果劣于生物質油B、E.

2.1.2 軟化點 軟化點反映了石油瀝青高溫穩定性的好壞.5種生物質油對4種老化瀝青軟化點的影響如圖2所示.

(a)鑫海70#

由圖2(a)～(c)可知:70#老化瀝青的軟化點隨著生物質油的摻加而降低,但降低幅度因生物質油種類的不同而存在差異.生物質油B、E的降低幅度最大,生物質油A、D次之,生物質油C降幅最小.規范中規定70#石油瀝青軟化點應高于44 ℃.生物質油E摻量為10%時,倫特70#與殼牌70#再生瀝青的軟化點低于44 ℃,不滿足規范要求.相同摻量下,生物質油A、B、C、D再生瀝青軟化點滿足規范要求.

根據圖2(d)可知:倫特90#瀝青老化后,軟化點提高.相同摻量下,不同種類生物質油對倫特90#老化瀝青軟化點的降幅與70#老化瀝青軟化點的降幅規律相同.在10%的摻量下,5種生物質油再生瀝青的軟化點滿足規范要求,均高于43 ℃.因此,生物質油的摻量應控制在10%以下,過量摻入會影響再生瀝青的高溫穩定性.

2.1.3 延度 延度是表征石油瀝青低溫性能的重要指標.圖3反映了生物質油對老化瀝青延度的影響.

(a)鑫海70#

由圖3(a)～(c)可知,生物質油改善了70#老化瀝青的延度,不同種類生物質油對老化瀝青延度的改善效果存在差異.生物質油B、E改善效果最好,生物質油A、C、D的改善效果稍差.規范中規定70#石油瀝青的延度不低于15 cm,生物質油再生瀝青的延度均能滿足規范要求.在10%的摻量下,生物質油B的改善能力最好,能使鑫海70#與殼牌70#老化瀝青的延度恢復至原樣瀝青狀態,有效地改善了瀝青的低溫性能.其他4種生物質油的改善效果較弱,再生后的瀝青低溫性能較差.

由圖3(d)可以看出,生物質油對倫特90#老化瀝青延度的改善能力弱于對70#老化瀝青的.相同摻量下,生物質油A、C、D對倫特90#老化瀝青的改善效果較差;生物質油B對延度的改善效果最好,生物質油E次之.規范中規定90#瀝青的延度不低于15 cm,生物質油C再生瀝青的延度不符合規范要求,其余4種再生瀝青的延度滿足規范要求.

2.2 生物質油對老化瀝青黏度的影響

黏度是表征瀝青在外力作用下抵抗剪切變形的能力[7],可以用來確定瀝青混合料施工拌和溫度與壓實溫度.135 ℃下的布氏旋轉黏度通常用來表征瀝青的施工性能[32].圖4表明了瀝青在不同溫度下的黏度.

(a)鑫海70#

由圖4可知:瀝青老化后,黏度顯著提高,導致瀝青變硬;隨著溫度的升高,老化瀝青的黏度逐漸下降.相同溫度下,隨著生物質油的加入,老化瀝青的黏度顯著降低.再生瀝青的黏度與原樣瀝青、老化瀝青具有相同的變化規律,均隨溫度的升高呈現下降的趨勢.

生物質油A摻量為10%時,鑫海70#、倫特70#、殼牌70#與倫特90#再生瀝青的黏度比老化瀝青在135 ℃下的黏度分別降低了50.8%、38.3%、29.2%和34.9%;相同摻量及溫度下,摻加生物質油B的再生瀝青黏度降幅為57.8%、42.5%、34.3%和45.4%,摻加生物質油C的再生瀝青黏度降幅為12.4%、15.0%、22.8%和18.8%,摻加生物質油D的再生瀝青黏度降幅為40.2%、30.6%、39.5%和32.5%,摻加生物質油E的再生瀝青黏度降幅為59.6%、38.3%、56.2%和38.5%.5種生物質油對老化瀝青具有較好降黏效果.在135 ℃時,除生物質油C再生瀝青外,其他4種生物質油再生瀝青的黏度均接近或低于原樣瀝青的黏度;其中,生物質油B、E的降黏效果最好,生物質油A、D次之,生物質油C降黏效果最差,與生物質油再生瀝青的三大指標恢復效果一致.

2.3 生物質油紅外變換光譜結果分析

采用德國Bruker公司生產的傅里葉變換紅外光譜儀對5種生物質油進行紅外光譜檢測,探究不同種類生物質油對老化瀝青再生效果存在差異性的原因.生物質油紅外光譜圖如圖5所示.

圖5 生物質油紅外光譜圖

由圖5可知:5種生物質油在紅外光譜圖上吸收峰的位置幾乎一致,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,生物質油B比其他4種生物質油多出一個吸收峰724 cm-1,表明5種生物質油含有相同的官能團結構.

3 結 論

(1)生物質油能有效恢復老化瀝青的物理性能.老化瀝青中摻入10%的生物質油,其針入度與延度顯著提高,軟化點與黏度明顯降低,改善了老化瀝青硬脆的現象.

(2)生物質油對老化瀝青的再生效果存在差異性,蓖麻類和果木類生物質油的再生效果最好,稻殼類和毛竹類生物質油次之,棉籽類生物質油再生效果最差.

(3)5種生物質油含有相同的官能團結構,蓖麻類和果木類生物質油所含的芳香族化合物多于稻殼類、棉籽類和毛竹類生物質油,生物質油中的芳香族化合物強度影響著再生效果.

(4)對于70#老化瀝青,5種生物質油的摻量應控制在10%以下;對于90#老化瀝青,蓖麻類和果木類生物質油的摻量應控制在10%以下,稻殼類、棉籽類和毛竹類生物質油摻量需提高.