周玖慶

(新疆交投建設(shè)管理有限責(zé)任公司,烏魯木齊 830099)

植物瀝青以脂肪酸和植物醇為主要成分,是植物基化工醇下游產(chǎn)品煉制后產(chǎn)生的廢料[1-2],具有環(huán)保和可再生的特點(diǎn)。在石油瀝青中添加部分植物瀝青,不僅可以降低污染,同時能夠節(jié)省工程投資,因此這項(xiàng)技術(shù)是當(dāng)前道路建設(shè)中的重點(diǎn)研究課題,也正在道路建設(shè)中被逐步應(yīng)用[3]。當(dāng)前,道路運(yùn)營中瀝青混凝土路面龜裂、塊裂、松散等病害的出現(xiàn),除了與交通荷載增加有關(guān)外,最主要的影響因素是道路瀝青老化嚴(yán)重,加快了瀝青路面病害的產(chǎn)生[4-5]。目前關(guān)于植物瀝青的研究多從植物油摻量、性能提升機(jī)理等方面開展[6-7],而較少涉及混合植物瀝青的老化性能研究。因此,本文對不同植物瀝青摻配比例的混合瀝青進(jìn)行老化試驗(yàn),并對老化后混合瀝青的指標(biāo)進(jìn)行比較分析,對不同摻配比例的混合瀝青進(jìn)行老化試驗(yàn)后測試其針入度、軟化點(diǎn)等技術(shù)指標(biāo),分析老化對植物瀝青性能的影響規(guī)律,判斷植物瀝青在道路瀝青路面建設(shè)中的應(yīng)用前景,以期為瀝青路面建設(shè)和環(huán)境保護(hù)事業(yè)做出貢獻(xiàn)[8]。

1 原材料

植物瀝青即植物油煉制后的廢棄物,主要來源于植物基化工醇下游產(chǎn)品,是植物油經(jīng)酸化、水解、蒸餾提取脂肪酸后產(chǎn)生的廢棄物,因其色如瀝青,故被稱為植物瀝青。植物瀝青不屬于多芳環(huán)復(fù)雜化合物,主要成分為脂肪酸及植物醇[9]。本文選用目前被廣泛使用的長春某集團(tuán)生產(chǎn)的植物瀝青,植物瀝青技術(shù)要求如表1 所示。基質(zhì)瀝青選用中國石油某分公司生產(chǎn)的90 號重交道路石油瀝青。

表1 植物瀝青技術(shù)要求

2 試驗(yàn)方案及初始結(jié)果

試驗(yàn)主要針對摻配了不同比例植物瀝青的混合瀝青進(jìn)行老化試驗(yàn)及三大指標(biāo)結(jié)果檢測。根據(jù)工程實(shí)際,主要采用的摻配比例為0～20%,步長為5%,以上比例均表示植物瀝青占全部混合物的比例。

先將石油瀝青和植物瀝青加熱至130 ℃～140 ℃后,依次注入高速剪切設(shè)備中,以1 000～1 500 rpm 的轉(zhuǎn)速攪拌30～45 min,制備出混合瀝青。在25 ℃條件下對混合瀝青的三大指標(biāo)進(jìn)行檢測,摻配不同比例植物瀝青的混合瀝青試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 摻配不同比例植物瀝青的混合瀝青試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可知,隨著植物瀝青比例的不斷增加,未老化的混合瀝青的針入度不斷提高,但軟化點(diǎn)呈現(xiàn)先升后降的趨勢,且在15%摻配比例時達(dá)到最高值。說明隨著植物瀝青摻配比例的提高,混合瀝青的高溫穩(wěn)定性提升。這是因?yàn)橹参餅r青是天然的分子極性材料,與瀝青有較好的相容性。

3 混合植物瀝青老化試驗(yàn)分析

瀝青屬于有機(jī)高分子材料的一種,具有有機(jī)高分子材料的衰變與老化共性,瀝青的老化會造成其基本特性的改變,即自身所特有的黏彈特性降低,進(jìn)而影響瀝青混合料的高、低溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性能。在瀝青道路建設(shè)過程中,由于瀝青混合料需要進(jìn)行拌和、長距離運(yùn)輸、攤鋪以及碾壓,會在短期內(nèi)發(fā)生老化;道路建設(shè)完成后,光照、雨水侵蝕,加上溫度變化等自然因素影響,導(dǎo)致其發(fā)生氧化反應(yīng),進(jìn)一步造成瀝青的脫氫反應(yīng),并使其發(fā)生不可逆的長期老化,從而造成混合料的疲勞性能嚴(yán)重下降,這也是導(dǎo)致各類路面病害出現(xiàn)的重要原因之一。為了更好地研究摻配不同比例植物瀝青的混合瀝青的初期老化和長期老化情況,分別采用旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)和壓力老化試驗(yàn)對其進(jìn)行研究,并根據(jù)相應(yīng)指標(biāo)的變化判斷瀝青的抗老化性能。

3.1 初期老化試驗(yàn)

采用更符合瀝青混合料拌和狀態(tài)的RTFOT 進(jìn)行短期老化研究,瀝青厚度為5～10 μm,RTFOT 瀝青針入度、軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 RTFOT 瀝青針入度、軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

由表3 可知,經(jīng)過RTFOT 后,隨著植物瀝青摻配比例的提高,混合瀝青針入度不斷增大,軟化點(diǎn)在5%摻配比例時達(dá)到峰值,之后出現(xiàn)下降的現(xiàn)象,但下降規(guī)律不明顯,且基本處于60 ℃～61 ℃。

3.2 長期老化試驗(yàn)

相關(guān)研究表明[10-11],經(jīng)過RTFOT 后的瀝青殘留物轉(zhuǎn)到壓力老化箱內(nèi)進(jìn)行PAV,其老化程度能夠達(dá)到瀝青路面使用7 年以上的狀態(tài)。本項(xiàng)目采用90 ℃老化溫度,充氣壓力為2.0 MPa,試驗(yàn)時間為20 h,RTFOT+PAV 瀝青針入度、軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

由表4 可知,經(jīng)過RTFOT +PAV 后,隨著植物瀝青摻配比例的提升,針入度不斷增大,軟化點(diǎn)在15%摻配比例時達(dá)到峰值,之后出現(xiàn)下降的現(xiàn)象,但下降幅度不顯著。

表4 RTFOT+PAV 瀝青針入度、軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果

4 老化對瀝青的影響

4.1 老化對針入度的影響

瀝青老化后會變硬,針入度也會降低,試驗(yàn)中采用摻配不同比例植物瀝青的混合瀝青老化前后針入度的變化及殘留針入度比(PRR)評價其抗老化特性,比值越大,則抗老化性能越優(yōu)。PRR=P/P0×100%,其中P0、P分別表示老化前后的針入度(0.1 mm)。根據(jù)表2～表4 試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計,老化試驗(yàn)后針入度統(tǒng)計結(jié)果如表5 所示。

表5 老化試驗(yàn)后針入度統(tǒng)計結(jié)果

根據(jù)表5 可知:

(1) RTFOT 后即初期老化后,植物瀝青摻配比例0～20%下的混合瀝青RTFOT 后與RTFOT 前針入度的比值始終呈現(xiàn)提升的態(tài)勢,且均大于60%。

(2) RTFOT+PAV 長期老化后,RTFOT +PAV后與RTFOT+PAV 前針入度的比值出現(xiàn)了明顯的下降,但呈現(xiàn)的變化規(guī)律與RTFOT 后的規(guī)律一致,隨著摻配比例增加依舊出現(xiàn)比值提升的情況,且摻配比例超過10%以后,RTFOT+PAV 后與RTFOT+PAV 前針入度的比值均超過了30%。

(3) 根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知,無論植物瀝青摻配比例多少,RTFOT 后與RTFOT +PAV 后,植物瀝青的加入均提高了原樣瀝青的抗老化性能。

4.2 老化對軟化點(diǎn)的影響

瀝青老化后軟化點(diǎn)會升高,這主要是由于膠質(zhì)和瀝青質(zhì)的增多。試驗(yàn)采用軟化點(diǎn)增量(SPI)評價其抗老化特性,軟化點(diǎn)增量越大,則抗老化性能越差。SPI(℃)=SP-SP0,其中SP0、SP分別表示老化前后軟化點(diǎn)(℃)。根據(jù)表2～表4 試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計,混合瀝青老化試驗(yàn)后軟化點(diǎn)統(tǒng)計結(jié)果如表6 所示。

表6 混合瀝青老化試驗(yàn)后軟化點(diǎn)統(tǒng)計結(jié)果

根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知:

(1) RTFOT 后即初期老化后,植物瀝青摻配比例為0～20%的混合瀝青RTFOT 前后軟化點(diǎn)增量呈現(xiàn)先降后升的情況,且在15%摻配比例下達(dá)到谷值。

(2) RTFOT+PAV 長期老化后,軟化點(diǎn)前后增量出現(xiàn)了先降后升的規(guī)律,且變化規(guī)律與RTFOT 后的規(guī)律一致。但RTFOT+PAV 長期老化作用下,軟化點(diǎn)增量變化程度不顯著,說明植物瀝青的加入對長期老化性能軟化點(diǎn)的影響不大。

(3) 根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可知,無論植物瀝青摻配比例多少,RTFOT 后與RTFOT +PAV 后,植物瀝青的加入均提高了瀝青的抗老化性能,但對長期老化下瀝青的軟化點(diǎn)的影響不顯著。

綜上所述,植物瀝青摻加比例在15%左右時,混合瀝青各項(xiàng)性能均能滿足技術(shù)規(guī)范要求。植物瀝青成本約為2 000 元/噸,而普通石油瀝青的成本約為4 000元/噸,因此使用植物瀝青替代部分石油瀝青制備混合瀝青可節(jié)約一定的材料成本。

5 結(jié)論

(1) 隨著植物瀝青摻配比例的增加,未老化的混合瀝青的針入度不斷增大,軟化點(diǎn)在15%時達(dá)到峰值。

(2) 經(jīng)過RTFOT,隨著植物瀝青摻配比例的增加,混合瀝青針入度不斷增大,軟化點(diǎn)變化規(guī)律不明顯,基本處于60 ℃～61 ℃。經(jīng)過RTFOT+PAV,混合瀝青針入度不斷增大,軟化點(diǎn)在15%摻配比例時達(dá)到峰值,之后開始下降,但下降幅度不顯著。

(3) RTFOT 后即初期老化后,混合瀝青針入度與RTFOT 前的比值均大于60%,RTFOT +PAV 長期老化后,植物瀝青摻配比例超過10% 以后,RTFOT+PAV 后混合瀝青針入度與RTFOT+PAV前的比值均超過了30%。

(4) RTFOT 后即初期老化后,混合瀝青軟化點(diǎn)在植物瀝青摻配比例15%時達(dá)到谷值。RTFOT +PAV 長期老化作用下,混合瀝青軟化點(diǎn)增量變化程度不顯著,說明植物瀝青的加入對混合瀝青長期老化性能軟化點(diǎn)的影響不大。