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(tuán)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(dòng)機(jī)油消耗量的逐步增加,在交通行業(yè)中,我國(guó)的廢機(jī)油年均產(chǎn)量為3 000多萬t[1]。然而其中只有40%的廢機(jī)油被妥善處理,僅僅8%能被回收利用。廢機(jī)油含有大量的鉛、鋅、鋇和鎂,如果使用過的機(jī)油沒有得到妥善處理,會(huì)威脅生態(tài)環(huán)境和人身健康。此外,木質(zhì)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(huì)產(chǎn)生超千萬噸的木質(zhì)素黑液副產(chǎn)品,如果處理不當(dāng),這些黑液廢棄物會(huì)造成環(huán)境污染。

在此背景下,許多研究結(jié)果表明,由于廢機(jī)油的化學(xué)成分與瀝青相似,在瀝青中添加廢機(jī)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(jī)油還能降低瀝青中的羰基含量,抑制熱氧老化作用。同時(shí),木質(zhì)素已被證明可作為瀝青的改性劑,在瀝青中添加木質(zhì)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(zhì)素會(huì)使瀝青的蠕變剛度提高而蠕變速率值降低,對(duì)瀝青的低溫開裂有負(fù)面影響[7]。因此,可以考慮選擇不同特性的改性劑(如木質(zhì)素和廢機(jī)油),基于二者的協(xié)同作用進(jìn)行復(fù)合改性,來彌補(bǔ)單一改性對(duì)瀝青某項(xiàng)性能的負(fù)面影響。

盡管目前已有針對(duì)木質(zhì)素和廢機(jī)油對(duì)瀝青性能影響的研究,但關(guān)于兩者在瀝青中協(xié)同作用的研究仍有不足。廢機(jī)油的軟化作用可改善瀝青的低溫抗裂性,而木質(zhì)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(yīng)用對(duì)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(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

選擇湖南某公司的70號(hào)A級(jí)道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青,表1為瀝青的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。使用的木質(zhì)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(zhì)素,其基本性能如表2所示。廢機(jī)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(zhì)如表3所示。

表1 基質(zhì)瀝青的測(cè)試指標(biāo)表

表2 木質(zhì)素的元素組成及物理性質(zhì)表

表3 廢機(jī)油的元素組成及物理性質(zhì)表

1.2 改性瀝青制備

以基質(zhì)瀝青、木質(zhì)素和廢機(jī)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(duì)于L6+W5和L12+W5瀝青試樣的制備,改性劑的添加順序?yàn)橄忍砑幽举|(zhì)素后添加廢機(jī)油。對(duì)基質(zhì)瀝青也采用上述改性瀝青的制備過程處理,以防止老化對(duì)瀝青試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1.3 試驗(yàn)方法

為了評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的高溫性能,采用旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)和多重應(yīng)力蠕變與恢復(fù)(MSCR)試驗(yàn),黏度試樣為未老化瀝青,其測(cè)試溫度分別為135 ℃、150 ℃和165 ℃,而MSCR試驗(yàn)針對(duì)短期老化瀝青,測(cè)試溫度為64 ℃。采用彎曲梁流變儀(BBR)試驗(yàn),評(píng)價(jià)長(zhǎng)期老化后瀝青的低溫性能,試驗(yàn)溫度分別為-6 ℃和-12 ℃。為表征木質(zhì)素和廢機(jī)油對(duì)瀝青化學(xué)組成的影響,采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)試驗(yàn)測(cè)定瀝青試樣的化學(xué)官能團(tuán)組成。

表4 不同類型改性瀝青的組成匯總表

2 結(jié)果與討論

2.1 黏度指標(biāo)

旋轉(zhuǎn)黏度能作為表征瀝青粘滯性能的指標(biāo),一般來說,旋轉(zhuǎn)黏度值越大,瀝青抗剪切作用變形的能力越強(qiáng),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(xué)行為的差異性。圖1顯示了不同類型瀝青在不同測(cè)試溫度下的黏度值。

圖1 旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

由圖1可知,在不同溫度下木質(zhì)素的添加會(huì)使得瀝青黏度增加,并隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾佣黾?這表明木質(zhì)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(zhì)瀝青相比略低,說明廢機(jī)油會(huì)導(dǎo)致瀝青黏度降低,這是因?yàn)閺U機(jī)油的軟化作用和輕質(zhì)組分補(bǔ)充。與相同溫度下的基質(zhì)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(zhì)素可以彌補(bǔ)廢機(jī)油對(duì)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(biāo)

MSCR試驗(yàn)是基于復(fù)雜應(yīng)力水平模式下的新型Superpave瀝青試驗(yàn),在兩種應(yīng)力水平下分別測(cè)試得到兩種測(cè)試指標(biāo),即不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr)和彈性恢復(fù)率(R),試驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知,當(dāng)應(yīng)力水平從0.1 kPa增加到3.2 kPa時(shí),R值下降而Jnr值增加。木質(zhì)素的添加使得瀝青的R值增加而Jnr值降低,這表明木質(zhì)素改善了瀝青的高溫抗車轍性能,這種性能提升對(duì)木質(zhì)素12%摻量下的L12更為明顯。瀝青高溫性能的改善是因?yàn)槟举|(zhì)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(zhì)瀝青相比W5的R值降低而Jnr增加,這說明廢機(jī)油改性瀝青的高溫穩(wěn)定性低于基質(zhì)瀝青。

圖2 MSCR試驗(yàn)結(jié)果(0.1 kPa應(yīng)力水平)柱狀圖

圖3 MSCR試驗(yàn)結(jié)果(3.2 kPa應(yīng)力水平)柱狀圖

同時(shí),對(duì)于L6+W5和L12+W5兩種改性瀝青,木質(zhì)素和廢機(jī)油的協(xié)同作用對(duì)瀝青高溫性能有所改善。與基質(zhì)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(zhì)瀝青。這表明L12+W5由于自身的12%木質(zhì)素?fù)搅?可以抵消廢機(jī)油在高溫下的軟化作用,即廢機(jī)油和木質(zhì)素在瀝青中的協(xié)同作用改善了其高溫性能。

2.3 BBR指標(biāo)

為了評(píng)價(jià)瀝青對(duì)低溫開裂的抵抗力,對(duì)長(zhǎng)期老化瀝青試樣進(jìn)行了BBR試驗(yàn)。將加載第60 s時(shí)的蠕變剛度(S)和蠕變速率(m)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),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(cè)試溫度下BBR試驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知,與基質(zhì)瀝青相比,L6和L12的S值略有增加。木質(zhì)素?fù)搅吭礁?瀝青的S值越大,而廢機(jī)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(zhì)瀝青,這是因?yàn)閺U機(jī)油的軟化作用降低了木質(zhì)素的硬化效果。同時(shí),添加木質(zhì)素會(huì)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(zhì)素的添加使得瀝青吸收熱應(yīng)力的性能變?nèi)?且瀝青受熱應(yīng)力作用后需要更長(zhǎng)的時(shí)間恢復(fù)到其初始狀態(tài)。經(jīng)廢機(jī)油改性的瀝青m值明顯高于基質(zhì)瀝青,這表明廢機(jī)油能夠軟化瀝青,并使其在熱應(yīng)力作用下仍具足夠的彈性。L6+W5和L12+W5的m值高于基質(zhì)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(jī)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(zhì)瀝青相比,含有木質(zhì)素和廢機(jī)油的復(fù)合改性瀝青表現(xiàn)出更好的低溫性能。在低溫下,廢機(jī)油的軟化作用比木質(zhì)素的硬化作用更顯著,即廢機(jī)油和木質(zhì)素在瀝青中的協(xié)同作用改善了低溫性能。

圖4 BBR試驗(yàn)結(jié)果(-6 ℃)柱狀圖

圖5 BBR試驗(yàn)結(jié)果(-12 ℃)柱狀圖

2.4 FTIR組成

采用美國(guó)iS50型FTIR光譜儀來表征瀝青試樣的官能團(tuán)的差異性,在微觀層面揭示復(fù)合改性的作用機(jī)理。其中,FTIR測(cè)試的波長(zhǎng)范圍設(shè)置為4 000～500 cm-1,4 000～1 300 cm-1為官能團(tuán)區(qū),而1 300～600 cm-1為指紋區(qū)。選擇基質(zhì)瀝青、L12、W5和L12+W5這四種瀝青進(jìn)行開展FTIR測(cè)試,結(jié)果如圖6所示。

圖6 瀝青試樣的FTIR試驗(yàn)結(jié)果曲線圖

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

3 結(jié)語

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

(2)MSCR試驗(yàn)結(jié)果表明,在瀝青中添加木質(zhì)素具有積極作用,而廢機(jī)油對(duì)瀝青的抗永久變形能力具有負(fù)面影響。木質(zhì)素與廢機(jī)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(zhì)素會(huì)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(jī)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(zhì)瀝青相比,含有木質(zhì)素和廢機(jī)油的復(fù)合改性瀝青具有更佳的低溫性能。

(4)木質(zhì)素、廢機(jī)油與基質(zhì)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(xué)官能團(tuán)。