木屑基生物油再生老化瀝青的疲勞特性研究

周 新 星

(1. 山西大學 資源與環境工程研究所,山西 太原 030031; 2. 武漢理工大學 硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室,湖北 武漢 430070)

0 引 言

木屑基生物油和石油瀝青的組成相近、物理化學特性相似,因此,生物油可部分或完全替代石油瀝青[1-2]。同時,石油瀝青屬于不可再生資源,而生物油則屬于可再生資源,在不久的將來,將生物油替代石油瀝青應用于公路工程,勢必會成為一種趨勢[3]。R.ZHANG等[4]利用生物油再生老化瀝青,發現生物油的添加顯著改善了瀝青的疲勞性能;A.HUANG等[5]研究了生物油部分替代石油瀝青的物化性能,發現紫外老化嚴重損害生物油瀝青的疲勞特性;高新文等[6]分析了生物油對老化瀝青自愈合性能的影響及其愈合機理,認為愈合過程中存在最佳愈合時間和最佳愈合溫度,生物油再生瀝青的愈合行為包括粘黏性流動和彈性恢復。作者針對生物油和生物炭(生物質裂解產物)的綜合利用問題作了大量的研究,包括生物炭改性生物瀝青的化學變化和相分離、生物油炭改性生物瀝青的全壽命周期評價等[7-8]。在生物油再生老化瀝青的研究過程中,發現由木屑裂解制得的生物油含有大量有機酸、酮、醇、醛和苯酚酚類等高含氧量有機物[9],會嚴重損害瀝青的使用性能,特別是疲勞特性。

疲勞特性是材料在重復荷載作用下抵抗變形破壞的能力,由疲勞特性變化產生的疲勞開裂也是瀝青路面常見的損壞形式之一。瀝青路面疲勞開裂一般產生于瀝青膠漿內部或瀝青與集料黏結界面。瀝青疲勞特性的研究是瀝青路面疲勞性能研究的重點。美國土木工程學會規定采用疲勞因子作為瀝青疲勞性能的評價指標,但此指標通常只適用于評價普通基質瀝青,無法評價改性瀝青。目前廣泛采用的瀝青疲勞壽命評定指標Nf50是基于復數剪切模量的降低幅度[10]。同時,基于能量耗散理論的瀝青疲勞特性指標Nfm應運而生[11]。單麗巖等[12]通過連續加載模式下不同應力對不同基質瀝青疲勞性能的分析,認為不同加載應力對瀝青疲勞壽命影響較大;陳浩浩等[13]采用動態剪切流變儀在Time-Sweep的應力控制模式下對多種瀝青進行了重復剪切疲勞試驗,認為瀝青復數模量變化曲線拐點所對應的循環加載次數NfG*作為瀝青疲勞性能的評價指標更為簡單高效。各種疲勞壽命評價指標既存在一定的優勢,又存在自身的局限性,并沒有一個指標適用所有工況下改性瀝青,特別是生物油再生老化瀝青疲勞壽命的評價。采用多指標協同評價瀝青或改性瀝青的疲勞特性已是發展的趨勢,如何評價生物油再生老化瀝青的耐久性和疲勞特性是當前生物油再生老化瀝青的研究重點。

為此,筆者采用DSR在Time-Sweep應力控制模式下對不同生物油含量、不同老化程度及不同應力水平的老化瀝青及生物油再生老化瀝青的疲勞特性進行研究,以Nf50、Nfm和NfG*為評價指標分析各指標對生物油老化瀝青疲勞壽命的影響,并分析了疲勞過程中生物油再生老化瀝青的官能團變化。

1 原材料和實驗

1.1 原材料

生物油由實驗室采用木屑自行高溫裂解制備,裂解溫度為500 ℃,N2作為保護性氣體和流動驅使介質,裂解設備為生物質連續裂解爐。70#瀝青來自盤錦北方瀝青股份有限公司,軟化點為45.0 ℃,25 ℃針入度為68 dmm。

1.2 生物油再生老化瀝青的制備

瀝青選用70#基質瀝青,將基質瀝青經過163 ℃,5 h加熱得到短期老化瀝青。依據太原市紫外輻照強度及參考文獻[14],將基質瀝青放入紫外老化箱中經過56 w/m2紫外線,60 ℃老化7 d模擬得到太原市紫外輻照1年的紫外老化瀝青。生物油再生老化瀝青的制備:取400 g左右的紫外老化瀝青放入不銹鋼瀝青提取器,加熱至135 ℃,加入不同質量占比(0%、8%、10%、15%、20%)的生物油,然后以2 000 rmp速度高速剪切1 h。生物油再生老化瀝青的基本技術指標如表1。Time-Sweep實驗選用DSR設備在20 ℃,10 Hz,不同應力(0.05、0.10、0.15 MPa)、不同老化程度(短期老化和紫外老化)及不同生物油含量條件下進行。

表1 生物油再生老化瀝青基本技術指標

1.3 生物油再生老化瀝青Nf50疲勞壽命的判定方法

通常情況下,經驗性指標Nf50疲勞壽命指標是指瀝青復數模量降低至初始模量的50 %時的加載次數。通過同樣的方法可評價生物油再生老化瀝青的Nf50疲勞壽命指標。

1.4 生物油再生老化瀝青Nfm疲勞壽命的判定方法

Nfm疲勞壽命判定方法相對復雜,是指耗散能變化率(RDEC)曲線在經過“平臺區”后的明顯拐點,拐點處橫坐標即為Nfm疲勞壽命指標。

Ei=πεiσisin(δi)

(1)

(2)

(3)

1.5 生物油再生老化瀝青NfG*疲勞壽命的判定方法

NfG*是指瀝青復數模量變化曲線拐點所對應的循環加載次數,以此作為瀝青疲勞壽命的評價指標。

2 結果與討論

2.1 不同生物油含量對生物油再生老化瀝青疲勞特性的影響

如圖1(a),在短期老化瀝青中添加不同含量的生物油,其疲勞特性參數Nf50顯示隨著生物油含量的增加,生物油再生老化瀝青的疲勞特性參數Nf50呈現出先增加后減少的趨勢;在0.05 MPa應力控制模式下,0%、8%、10%、15%、20%生物油再生老化瀝青的疲勞曲線可分為2個階段(平穩階段和快速下降階段),疲勞特性參數Nf50分別為15 205、52 231、61 202、74 258、67 315次。結果表明:當生物油含量≤15%時,其加入可提高老化瀝青疲勞特性參數Nf50,改善老化瀝青的疲勞壽命;當生物油含量超過15%時反而會惡化老化瀝青的疲勞特性,降低老化瀝青的疲勞特性參數Nf50,利用Nf50評價生物油再生老化瀝青疲勞壽命時,生物油的最佳含量為15%;而且Nf50評價不同生物油含量再生老化瀝青的疲勞壽命具有顯著的辨識度。

如圖1(b),瀝青疲勞特性參數Nfm的耗散能變化率RDEC曲線在平臺區域變形微弱,拐點處及后續曲線因生物油含量增加出現明顯差異。0%,8%,10%,15%,20%生物油再生老化瀝青的疲勞特性參數Nfm分別為19 715、56 782、58 650、69 250、64 218次;而且不同生物油含量再生老化瀝青的疲勞特性參數Nfm相差較大。結果表明:利用Nfm評價生物油再生老化瀝青疲勞壽命時,生物油的最佳含量為15%。

如圖1(c),在0.05 MPa應力控制模式下,瀝青疲勞特性參數NfG*隨著生物油含量的變化也呈現遞增趨勢,變化幅度明顯大于Nfm。0%,8%,10%,15%,20%生物油再生老化瀝青的疲勞特性參數NfG*分別為22 505、61 526、69 204、78 512、84 250次,生物油的最佳摻量為20%。其中,雖然8%和10%生物油含量相差不大,但是其再生的老化瀝青疲勞壽命卻具有很好的辨識度(區分度),因此疲勞特性參數NfG*適用于區分生物油摻量差異性較小的生物油再生老化瀝青的疲勞壽命。綜合對比疲勞壽命特性參數發現,生物油再生老化瀝青的疲勞壽命評價指標具有一致的排序性,即NfG*>Nfm>Nf50;生物油的最佳含量在15%～20%之間。

2.2 不同老化程度下生物油再生老化瀝青的疲勞特性

為分析不同老化程度下生物油再生老化瀝青的疲勞特性,選用短期老化瀝青、紫外老化瀝青作為標的物(生物油含量15%),研究其疲勞特性參數,結果如圖2。

圖2 生物油再生不同老化程度瀝青的疲勞特性曲線

由圖2(a)可知,生物油對短期老化瀝青Nf50影響較小,對紫外老化瀝青疲勞特性參數Nf50影響較大;生物油再生短期老化瀝青Nf50大于生物油再生紫外老化瀝青。結果表明:生物油對不同老化程度的瀝青影響程度排序如下:未老化瀝青<短期老化瀝青<紫外老化瀝青,生物油可顯著提升紫外老化和短期老化瀝青的疲勞壽命Nf50。

生物油對不同老化程度瀝青的疲勞特性參數Nfm影響如圖2(b),短期老化瀝青、紫外老化瀝青、生物油再生短期老化瀝青及生物油再生紫外老化瀝青的疲勞特性參數Nfm分別為18 520、14 210,59 680、56 782次。結果表明:生物油對紫外老化瀝青疲勞壽命Nfm的影響最大,其次是短期老化,而且生物油對短期老化和紫外老化瀝青的再生效果(耐久性的影響)都比較明顯。

生物油對不同老化程度瀝青的疲勞特性參數NfG*影響如圖2(c),生物油再生未老化瀝青、生物油再生短期老化瀝青及生物油再生紫外老化瀝青的疲勞特性參數NfG*分別為74 125、65 058、61 526次。由此可知,生物油對老化瀝青疲勞特性參數NfG*的影響較大,而且對紫外老化瀝青疲勞特性的影響最為顯著。生物油對不同老化程度瀝青疲勞特性的影響結果表明:不同測試條件下,生物油再生老化瀝青的疲勞壽命評價指標具有一致的排序性,即NfG*>Nfm>Nf50,各指標中NfG*對再生瀝青的疲勞性能評價區分度最大,Nf50最易得到。

2.3 不同應力水平對生物油再生老化瀝青疲勞特性的影響

不同應力水平對生物油再生老化瀝青疲勞特性的影響如圖3(a),在選定的3個應力水平(0.05 0.10 ,0.15 MPa)下,隨著循環加載次數的增加生物油再生短期老化瀝青的疲勞特性參數Nf50快速降低,疲勞壽命(加載次數-復數模量)曲線分為兩個階段,不同應力水平下平穩階段復數模量變化不大,快速下降階段復數模量變化顯著;同時,同一應力水平下,生物油再生紫外老化瀝青的Nf50比生物油再生短期老化瀝青的Nf50小,可能原因是紫外老化對瀝青的影響程度較短期老化嚴重,導致即使通過生物油再生也無法使紫外老化瀝青疲勞特性恢復的初始水平。隨著應力水平的增加,生物油再生短期老化瀝青的疲勞特性參數Nf50不斷減少,2個應力水平下疲勞壽命參數Nf50之差不斷增加。結果表明:應力會加速生物油再生老化瀝青的疲勞破壞,特別是生物油再生紫外老化瀝青的疲勞破壞。

圖3 不同應力水平下生物油再生老化瀝青疲勞特性曲線

如圖3(b),不同的應力水平對生物油再生老化瀝青疲勞特性參數Nfm影響較大,0.05、0.10、0.15 MPa應力作用下生物油再生短期老化瀝青的疲勞特性參數Nfm分別為56 782、50 125、46 721次。結果表明:不同應力水平下疲勞特性參數Nf50和Nfm之差較大,用Nf50和Nfm評價不同應力水平下生物油再生老化瀝青疲勞特性具有明顯的辨識度。

2.4 生物油再生老化瀝青的官能團變化

3 結 語

通過對不同生物油含量、不同老化程度及不同應力水平的生物油再生老化瀝青疲勞壽命指數進行分析,得出主要結論:

不同測試條件下,生物油再生老化瀝青的疲勞壽命評價指標具有一致的排序性,即NfG*>Nfm>Nf50;在生物油再生老化瀝青體系中生物油的最佳含量在15%～20%之間。各指標中NfG*對再生瀝青的疲勞性能評價區分度最大,Nf50最易得到。

生物油可降低老化瀝青中亞砜基官能團的濃度,增加羰基官能團及低波數指紋區的濃度,促進老化瀝青的再生,老化方式中僅紫外老化會對體系的亞砜基濃度產生明顯影響。