廢機油與木質素在瀝青中的協(xié)同作用研究

呂東濱,胡 隆

(1.廣西高速公路投資有限公司,廣西 南寧 530022;2.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

由于車輛數(shù)量的增加伴隨著發(fā)動機油消耗量的逐步增加,在交通行業(yè)中,我國的廢機油年均產(chǎn)量為3 000多萬t[1]。然而其中只有40%的廢機油被妥善處理,僅僅8%能被回收利用。廢機油含有大量的鉛、鋅、鋇和鎂,如果使用過的機油沒有得到妥善處理,會威脅生態(tài)環(huán)境和人身健康。此外,木質素作為可再生資源,是全球僅次于纖維素的第二豐富生物材料[2]。在造紙行業(yè)中,每年平均會產(chǎn)生超千萬噸的木質素黑液副產(chǎn)品,如果處理不當,這些黑液廢棄物會造成環(huán)境污染。

在此背景下,許多研究結果表明,由于廢機油的化學成分與瀝青相似,在瀝青中添加廢機油能降低其剛度、黏度和高溫穩(wěn)定性,而改善瀝青的低溫開裂和疲勞開裂性能[3-4]。廢機油還能降低瀝青中的羰基含量,抑制熱氧老化作用。同時,木質素已被證明可作為瀝青的改性劑,在瀝青中添加木質素可提高其粘附性、高溫抗變形能力和抗老化性能[5-6]。但木質素會使瀝青的蠕變剛度提高而蠕變速率值降低,對瀝青的低溫開裂有負面影響[7]。因此,可以考慮選擇不同特性的改性劑(如木質素和廢機油),基于二者的協(xié)同作用進行復合改性,來彌補單一改性對瀝青某項性能的負面影響。

盡管目前已有針對木質素和廢機油對瀝青性能影響的研究,但關于兩者在瀝青中協(xié)同作用的研究仍有不足。廢機油的軟化作用可改善瀝青的低溫抗裂性,而木質素在高溫下的硬化作用能提高瀝青的高溫抗車轍性能。因此,這兩種廢棄物的衍生物的綜合應用對瀝青性能具有改善效果,還能減緩因其處理問題而產(chǎn)生的環(huán)境壓力。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 原材料

選擇湖南某公司的70號A級道路石油瀝青作為基質瀝青,表1為瀝青的相關技術指標。使用的木質素是由江蘇某化工公司提供的基于木材和造紙工業(yè)黑液中提取的木質素,其基本性能如表2所示。廢機油是從湖南某汽車修理廠收集而來的,常溫下為黑色液體,且并未做任何特殊處理,其元素組成和物理性質如表3所示。

表1 基質瀝青的測試指標表

表2 木質素的元素組成及物理性質表

表3 廢機油的元素組成及物理性質表

1.2 改性瀝青制備

以基質瀝青、木質素和廢機油為原料,共制備了5種改性瀝青,如下頁表4所示。5種改性瀝青的制備均是使用高速剪切儀在150 ℃下以5 000 r/min的速度剪切45 min。對于L6+W5和L12+W5瀝青試樣的制備,改性劑的添加順序為先添加木質素后添加廢機油。對基質瀝青也采用上述改性瀝青的制備過程處理,以防止老化對瀝青試驗結果的影響。

1.3 試驗方法

為了評價復合改性瀝青的高溫性能,采用旋轉黏度試驗和多重應力蠕變與恢復(MSCR)試驗,黏度試樣為未老化瀝青,其測試溫度分別為135 ℃、150 ℃和165 ℃,而MSCR試驗針對短期老化瀝青,測試溫度為64 ℃。采用彎曲梁流變儀(BBR)試驗,評價長期老化后瀝青的低溫性能,試驗溫度分別為-6 ℃和-12 ℃。為表征木質素和廢機油對瀝青化學組成的影響,采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)試驗測定瀝青試樣的化學官能團組成。

表4 不同類型改性瀝青的組成匯總表

2 結果與討論

2.1 黏度指標

旋轉黏度能作為表征瀝青粘滯性能的指標,一般來說,旋轉黏度值越大,瀝青抗剪切作用變形的能力越強,則其高溫穩(wěn)定性越好。瀝青黏度的差異性反映了瀝青路面力學行為的差異性。圖1顯示了不同類型瀝青在不同測試溫度下的黏度值。

圖1 旋轉黏度試驗結果柱狀圖

由圖1可知,在不同溫度下木質素的添加會使得瀝青黏度增加,并隨著木質素摻量的增加而增加,這表明木質素改善了瀝青的高溫抗變形能力,且在較低溫度下改善效果更為明顯;另一方面,W5的黏度與基質瀝青相比略低,說明廢機油會導致瀝青黏度降低,這是因為廢機油的軟化作用和輕質組分補充。與相同溫度下的基質瀝青相比,W5的黏度降低,而L6+W5、L12+W5、L6和L12的黏度均有明顯增加,這說明木質素可以彌補廢機油對瀝青的軟化效果,改善瀝青的高溫抗剪切變形的能力。

2.2 MSCR指標

MSCR試驗是基于復雜應力水平模式下的新型Superpave瀝青試驗,在兩種應力水平下分別測試得到兩種測試指標,即不可恢復蠕變柔量(Jnr)和彈性恢復率(R),試驗結果如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知,當應力水平從0.1 kPa增加到3.2 kPa時,R值下降而Jnr值增加。木質素的添加使得瀝青的R值增加而Jnr值降低,這表明木質素改善了瀝青的高溫抗車轍性能,這種性能提升對木質素12%摻量下的L12更為明顯。瀝青高溫性能的改善是因為木質素的硬化作用,這使得瀝青在高溫下具備足夠的剛度,而降低了其發(fā)生永久變形的可能性;另一方面,與基質瀝青相比W5的R值降低而Jnr增加,這說明廢機油改性瀝青的高溫穩(wěn)定性低于基質瀝青。

圖2 MSCR試驗結果(0.1 kPa應力水平)柱狀圖

圖3 MSCR試驗結果(3.2 kPa應力水平)柱狀圖

同時,對于L6+W5和L12+W5兩種改性瀝青,木質素和廢機油的協(xié)同作用對瀝青高溫性能有所改善。與基質瀝青相比,L6+W5的高溫性能提升不大,而L12+W5的抗車轍性能明顯優(yōu)于基質瀝青。這表明L12+W5由于自身的12%木質素摻量,可以抵消廢機油在高溫下的軟化作用,即廢機油和木質素在瀝青中的協(xié)同作用改善了其高溫性能。

2.3 BBR指標

為了評價瀝青對低溫開裂的抵抗力,對長期老化瀝青試樣進行了BBR試驗。將加載第60 s時的蠕變剛度(S)和蠕變速率(m)作為評價指標,具有較高m值和較低S值的瀝青抗低溫開裂性則越好。在不同測試溫度下BBR試驗結果如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知,與基質瀝青相比,L6和L12的S值略有增加。木質素摻量越高,瀝青的S值越大,而廢機油的添加則顯著降低了瀝青的S值。L6+W5和L12+W5的S值均低于基質瀝青,這是因為廢機油的軟化作用降低了木質素的硬化效果。同時,添加木質素會略微降低瀝青的m值,且摻量越高則下降幅度更為明顯。這表明木質素的添加使得瀝青吸收熱應力的性能變弱,且瀝青受熱應力作用后需要更長的時間恢復到其初始狀態(tài)。經(jīng)廢機油改性的瀝青m值明顯高于基質瀝青,這表明廢機油能夠軟化瀝青,并使其在熱應力作用下仍具足夠的彈性。L6+W5和L12+W5的m值高于基質瀝青,這意味著其在低溫下的抗裂性能更佳。一般來說,由于廢機油在低溫下仍然平順且穩(wěn)定性好,因此可以降低瀝青在低溫下的硬化效果。與基質瀝青相比,含有木質素和廢機油的復合改性瀝青表現(xiàn)出更好的低溫性能。在低溫下,廢機油的軟化作用比木質素的硬化作用更顯著,即廢機油和木質素在瀝青中的協(xié)同作用改善了低溫性能。

圖4 BBR試驗結果(-6 ℃)柱狀圖

圖5 BBR試驗結果(-12 ℃)柱狀圖

2.4 FTIR組成

采用美國iS50型FTIR光譜儀來表征瀝青試樣的官能團的差異性,在微觀層面揭示復合改性的作用機理。其中,FTIR測試的波長范圍設置為4 000～500 cm-1,4 000～1 300 cm-1為官能團區(qū),而1 300～600 cm-1為指紋區(qū)。選擇基質瀝青、L12、W5和L12+W5這四種瀝青進行開展FTIR測試,結果如圖6所示。

圖6 瀝青試樣的FTIR試驗結果曲線圖

由圖6可知,木質素或廢機油的添加不會改變?yōu)r青的特征吸收峰位置,而這些吸收峰的強度與改性劑的摻量有關。主要的特征吸收峰分別位于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。這些吸收峰在木質素、廢機油和瀝青中具有相似波長和相同的來源,如C-H鍵的拉伸振動、彎曲振動和協(xié)同振動引起的。綜上所述,通過比較圖6中四種瀝青的FTIR結果,可以發(fā)現(xiàn)木質素和廢機油并未與瀝青產(chǎn)生新的官能團,因此木質素、廢機油和基質瀝青之間的協(xié)同作用是物理共混過程。

3 結語

(1)與基質瀝青相比,在瀝青中添加木質素增加了瀝青的黏度,而在瀝青中添加廢機油則降低了瀝青的黏度。廢機油的添加降低了木質素的硬化效果,因此,基于木質素與廢機油在瀝青中協(xié)同作用,復合改性瀝青的施工和易性優(yōu)于單一木質素改性瀝青。

(2)MSCR試驗結果表明,在瀝青中添加木質素具有積極作用,而廢機油對瀝青的抗永久變形能力具有負面影響。木質素與廢機油在瀝青中的協(xié)同作用改善了瀝青的抗車轍性能。

(3)木質素會使瀝青的蠕變剛度增加而蠕變速率降低,從而降低了瀝青的抗低溫開裂性能;另一方面,添加廢機油則顯著降低了瀝青的蠕變剛度并增加了蠕變速率。與基質瀝青相比,含有木質素和廢機油的復合改性瀝青具有更佳的低溫性能。

(4)木質素、廢機油與基質瀝青的協(xié)同作用方式為物理共混,三者間沒有形成新的化學官能團。