老化時間對生物油再生瀝青性能影響研究

摘要 為研究生物油老化時間對其再生老化瀝青效果的影響，文章制備4種不同老化時間的生物油再生瀝青，借助三大指標評價再生瀝青的物理性能，并采用紅外光譜分析探究生物油再生瀝青的再生機理。結(jié)果表明，隨著生物油老化時間的增加，再生瀝青的軟化點波動較大，延度逐漸減小，針入度先增大后減小；在生物油老化4 h時的針入度和延度最大；在生物油老化8 h時的軟化點最小；生物油與老化瀝青之間未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。經(jīng)綜合分析，生物油再生瀝青的路用性能在老化時間為8 h時的再生效果最好。

關(guān)鍵詞 老化；生物油；再生瀝青

中圖分類號 U460 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）20-0094-03

0 引言

在交通運輸工業(yè)中，瀝青是道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中不可或缺的材料。然而，隨著交通負荷的增加和環(huán)境因素的波動，瀝青路面面臨水損害、車轍及表面開裂等嚴峻挑戰(zhàn)[1]。頻繁的維修和重建導(dǎo)致瀝青路面的翻新成本逐年攀升[2]。鑒于瀝青的不可再生性，探索可持續(xù)的道路建設(shè)方案，特別是廢舊瀝青的再生技術(shù)已成為當(dāng)務(wù)之急。

再生劑在瀝青再生過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，傳統(tǒng)石油基再生劑雖然應(yīng)用廣泛，但其輕質(zhì)成分易在高溫下?lián)]發(fā)和氧化，且資源有限。因此，開發(fā)綠色、環(huán)保、高效的再生劑成為道路工程的重要方向。生物油以其豐富的來源、低廉的成本及環(huán)保特性，受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注[3]。但當(dāng)前市場上的生物油利用系統(tǒng)尚不完善，導(dǎo)致大量資源浪費并引發(fā)環(huán)境問題。研究表明，生物油有望成為瀝青的再生劑或改性劑[4]。多種生物油，如植物油、蓖麻油等，已被用作瀝青的再生劑[5]，能有效提升瀝青的低溫性能，但不同生物油的組合對老化瀝青的流變學(xué)和物理化學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響[6]。其中，大豆油因其與瀝青芳烴和樹脂組分的良好相容性和貯藏穩(wěn)定性，展現(xiàn)出優(yōu)異的再生效果[7]。從微觀層面看，大豆油等生物油能降低老化瀝青的羰基指數(shù)，減輕老化帶來的不利影響[8]。

綜上所述，生物油作為再生劑在瀝青路面翻新工程中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，廢棄生物油用作再生劑前，均會發(fā)生不同程度的老化，且目前關(guān)于生物油老化時間對其再生老化瀝青效果影響的研究尚不充分。該文針對此問題，在檢測老化瀝青常規(guī)性能的基礎(chǔ)上，采用不同老化時間的大豆油作為再生劑制備再生瀝青，并借助三大指標和紅外光譜分析，評價再生瀝青的物理性能，探究生物油再生瀝青的再生機理，以期為生物油在瀝青再生領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供有益參考。

1 實驗部分

1.1 原材料

1.1.1 RAP

該文使用的RAP材料各項技術(shù)指標如表1所示：

1.1.2 老化瀝青

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）中的離心分析法和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法，通過瀝青混合料離心式快速抽提儀和旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器，從RAP材料中提取老化瀝青，其相關(guān)技術(shù)指標如表2所示：

1.1.3 生物油

將大豆油在220℃下分別老化4 h、6 h、8 h和10 h，制備所需的生物油。

1.2 再生瀝青制備

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中瀝青試樣準備方法（T 0602）將老化瀝青脫水，脫水后，分別將在220℃下老化4 h、6 h、8 h、10 h的生物油摻入老化瀝青中，通過高速剪切機以3 000 r/min的速率剪切60 min，制備再生瀝青。

1.3 試驗方法

1.3.1 常規(guī)性能

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》對再生瀝青的針入度、軟化點及延度進行測定。

1.3.2 再生機理

采用紅外光譜分析測試（FT-IR）儀對老化瀝青和不同老化時間的生物油再生瀝青進行測試，以分析其再生機理。

2 結(jié)果與討論

測試生物油在不同老化時間下再生瀝青的常規(guī)性能，試驗結(jié)果如圖1所示：

2.1 相對黏度

由圖1（a）可知，在老化瀝青中摻入生物油后，再生瀝青的針入度均大于老化瀝青，這是因為瀝青老化后會變硬，稠度增加，針入度降低。而生物油在常溫條件下呈現(xiàn)出較低的黏度和良好的流動性，當(dāng)其用作再生劑加入老化瀝青中時，能夠有效軟化瀝青，降低老化瀝青稠度，進而提高再生瀝青的針入度。此外，隨著生物油老化時間的增加，再生瀝青的針入度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。再生瀝青的針入度在老化時間為4 h時最大，為60.6（0.1 mm），在6 h時取到極小值，為51（0.1 mm），相較于老化瀝青，分別提升了96.8%和65.6%。

2.2 高溫性能

從圖1（b）可以看出，在老化瀝青中摻入生物油后，再生瀝青的軟化點均小于老化瀝青，這是因為瀝青老化時，其內(nèi)部組分會發(fā)生改變，如膠質(zhì)向瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)化，芳香分向膠質(zhì)轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致瀝青中重質(zhì)組分增加，輕質(zhì)組分減少，軟化點增加。由圖1（b）可知，生物油的摻入能夠有效降低老化瀝青的軟化點，這是因為生物油為老化瀝青補充了所缺失的輕質(zhì)組分。此外，隨著生物油老化時間的增加，再生瀝青的軟化點波動較大。生物油的老化時間為8 h時，再生瀝青的軟化點達到最小值57.8℃；老化時間為10 h時，軟化點達到最大值62.7℃，相較于老化瀝青，分別降低了17.9%和10.9%。

2.3 低溫性能

瀝青老化后，延度會顯著減小，表明老化會降低瀝青的低溫性能。因此，評價生物油對老化瀝青低溫性能的恢復(fù)能力尤為重要。由圖1（c）可知，在老化瀝青中摻入生物油后，老化瀝青的延度明顯小于生物油再生瀝青，表明生物油作為再生劑可以有效恢復(fù)老化瀝青的低溫性能。但隨著生物油老化時間的增加，再生瀝青的延度逐漸減小，最終趨于平緩。當(dāng)生物油的老化時間為4 h時，再生瀝青的延度最大，為11.7 cm，相對于老化瀝青，提升了216.2%；當(dāng)老化時間為8 h和10 h時，再生瀝青的延度最小且相同，都為10.5 cm，相較于老化瀝青，提升了183.8%。

2.4 紅外光譜

不同老化時間的再生瀝青及老化瀝青紅外光譜如圖2所示。由圖可知，生物油再生瀝青和老化瀝青在1 035 cm?1、1 258 cm?1、1 434 cm?1和2 918 cm?1時都出現(xiàn)了較為明顯的吸收峰。在紅外光譜分析中，1 035 cm?1附近的亞砜基振動峰強度的變化歸因于瀝青中的氧化縮合及脫氫化學(xué)過程，1 258 cm?1附近的吸收峰對應(yīng)于C-O鍵的伸縮振動，1 434 cm?1附近的吸收峰源于亞甲基C-H鍵的收縮振動，而2 918 cm?1的吸收峰主要反映飽和C-H鍵的伸縮振動。總體來看，再生瀝青與老化瀝青的特征峰位置相似，且未見新峰生成，僅強度有所差異，表明生物油作為再生劑主要通過調(diào)整瀝青組分比例，而非引發(fā)化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)再生效果。

采用羰基指數(shù)（CI）、亞砜基指數(shù)（SI）和芳香族指數(shù)（AI）的綜合評估方法，有效表征老化瀝青的再生程度，三者計算公式如下：

CI=AC?0 A （1）

SI=AS?0 A （2）

AI=A?CH A （3）

式中，A——400～4 000 cm?1特征峰面積之和；AC?0——羰基振動峰面積；AS?0——亞砜基振動峰面積；A?CH——743 cm?1附近芳香族分子振動峰面積。

計算的相關(guān)指數(shù)如表3所示：

由表3可知，不同老化時間的生物油再生瀝青的AI均大于老化瀝青，表明再生瀝青中芳香族化合物的含量高于老化瀝青，生物油可以補充老化瀝青中的芳香族成分；生物油再生瀝青中SI普遍大于老化瀝青，8 h生物油老化瀝青中的CI也大于老化瀝青，該現(xiàn)象的出現(xiàn)可能有以下兩方面的原因：（1）生物油經(jīng)過一段時間的老化后，本身或者與其他成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了含亞砜基的新化合物，增加了亞砜基的含量；（2）剪切過程中溫度過高，導(dǎo)致氧化縮合反應(yīng)的發(fā)生，增加了亞砜基吸收峰的面積。結(jié)合生物油再生瀝青的SI、CI和AI，發(fā)現(xiàn)老化時間為8 h的生物油再生瀝青的再生效果最好。

3 結(jié)論

（1）隨著生物油老化時間的增加，再生瀝青的軟化點波動較大，延度逐漸減小，針入度呈先增后減的趨勢。其中，再生瀝青在生物油老化4 h時的針入度和延度最大，相對于老化瀝青分別提高了96.8%和216.2%；在生物油老化時間為8 h時軟化點最小，相對于老化瀝青降低了17.9%。

（2）再生瀝青與老化瀝青的特征峰位置相似，且未見新峰生成，僅強度有所差異。

（3）結(jié)合生物油再生瀝青的常規(guī)性能測試和紅外掃描分析，確定生物油老化時間為8 h時，對老化瀝青的再生效果最好。

參考文獻

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收稿日期：2024-07-19

作者簡介：韓玉花（1991—），女，本科，工程師，研究方向：公路工程養(yǎng)護管理。

基金項目：青海省交通運輸廳“廢舊瀝青混合料綜合再生利用技術(shù)研究與示范”（2023-01）。