廢食用油與廢潤(rùn)滑油對(duì)老化瀝青物理與流變特性影響的對(duì)比研究*

萬貴穩(wěn) 陳美祝 柳景祥 劉思晴 林 豪

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年產(chǎn)生500～750萬噸的廢食用油[1]，預(yù)計(jì)到2020年我國(guó)廢潤(rùn)滑油年產(chǎn)量會(huì)達(dá)到5億L[2].面對(duì)如此巨大的廢油產(chǎn)量，如果得不到合理的利用，將會(huì)嚴(yán)重危害環(huán)境，危害人類健康.

目前我國(guó)對(duì)廢食用油的利用方式主要有：①生產(chǎn)生物柴油[3-5]，雖然在一定程度上使廢食用油得到了利用，但是其利用率仍然較低；②生產(chǎn)肥皂[6]，這種利用方式會(huì)產(chǎn)生二次污染；③用于瀝青改性或再生.對(duì)于廢潤(rùn)滑油的處置方式主要有[7-8]：①丟棄或焚燒，會(huì)污染土壤、水域與空氣；②廢潤(rùn)滑油經(jīng)脫重金屬后作為燃料；③道路油化，利用非潤(rùn)滑油的粘度，在塵土飛揚(yáng)的路上加入廢潤(rùn)滑油，廢油和塵土一起，使塵土不易飛揚(yáng)；④二次處理后作為潤(rùn)滑油再利用.

根據(jù)瀝青老化機(jī)理，瀝青老化后具體表現(xiàn)為芳香分含量降低，瀝青質(zhì)含量增加，老化瀝青的再生主要依靠再生劑和新瀝青對(duì)其化學(xué)組成和個(gè)組分之間的含量進(jìn)行調(diào)整.早期的再生劑大部分使用石油化工生產(chǎn)出來的輕質(zhì)油，如柴油、機(jī)油、潤(rùn)滑油.由于廢食用油是一種低粘度的油料，其中芳香分的含量較高，可以補(bǔ)充瀝青老化過程中損失的芳香分，因此，國(guó)內(nèi)外開展了大量有關(guān)將廢油作為瀝青改性劑和再生劑的研究.Azahar等[9]將廢食用油作為改性劑加入到瀝青中，結(jié)果表明廢食用油使瀝青的物理性能及流變性能得到了明顯的改善.冷濱濱等[10]將廢食用油作為瀝青再生劑并研究了其對(duì)不同瀝青的再生效果，結(jié)果表明，廢食用油能明顯改善老化瀝青的各項(xiàng)物理指標(biāo)并使老化瀝青恢復(fù)至原樣瀝青的水平.廢潤(rùn)滑油屬于石油化工產(chǎn)品，是由原油提煉得到的，并且含有大量的烷烴等有機(jī)物，其成分與瀝青相似.但是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于廢潤(rùn)滑油用于瀝青再生的研究還較少，王永剛等[11]將潤(rùn)滑油精制過程中產(chǎn)生的廢油作為再生劑由于廢舊瀝青混合料的再生，結(jié)果表明，再生瀝青混合料完全滿足要求.

綜上所述，之前對(duì)廢油再生瀝青的研究?jī)H僅局限于一種廢油，并且對(duì)于廢潤(rùn)滑油再生瀝青的研究較少.基于此，文中基于對(duì)廢潤(rùn)滑油再生瀝青性能的研究，并對(duì)比分析了廢食用油和廢潤(rùn)滑油對(duì)瀝青再生效果的差異.

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料及其基本性能

采用70#基質(zhì)瀝青，其物理性能見表1；廢食用油為煎炸廢油；廢潤(rùn)滑油為經(jīng)機(jī)械磨削使用后產(chǎn)生的，其基本性能見表2.

表1 70#瀝青基本性能指標(biāo)

表2 廢油基本性能指標(biāo) %

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

技術(shù)路線圖見圖1，瀝青的老化按照文獻(xiàn)[12]的實(shí)驗(yàn)方法，薄膜烘箱實(shí)驗(yàn)是在163.5 ℃下老化5 h,壓力老化實(shí)驗(yàn)是在100 ℃下老化20 h，將70#新鮮瀝青先進(jìn)行薄膜烘箱老化(TFOT)，然后再進(jìn)行壓力老化(PAV)制得老化瀝青.向老化瀝青中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～9%的廢食用油，制得廢食用油再生瀝青；由表2兩種廢油的基本性能來看，廢潤(rùn)滑油中的輕質(zhì)組分含量要低于廢食用油，并且在前期探索實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)較低摻量的廢潤(rùn)滑油對(duì)老化瀝青的再生效果不明顯.因此增大了廢潤(rùn)滑油在老化瀝青中的摻量，將5%～20%的廢潤(rùn)滑油加入到老化瀝青中，制得廢潤(rùn)滑油再生瀝青.

圖1 技術(shù)路線圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同廢油對(duì)老化瀝青物理性能的影響

2.1.1針入度

針入度可以表征瀝青的軟硬程度和抵抗剪切破壞的能力，同時(shí)也反映了瀝青在特定條件下的稠度.針入度越大，瀝青越軟，針入度越小，瀝青越硬.圖2為兩種廢油在25 ℃下對(duì)老化瀝青針入度的影響結(jié)果.由圖2可知，瀝青老化后針入度明顯減小，說明瀝青老化后瀝青變硬，隨著廢油的加入，針入度均隨著兩種廢油摻量的增大而增大，但是兩種廢油使其增大的幅度存在差異.廢食用油再生瀝青針入度增加的幅度要大于廢潤(rùn)滑油，當(dāng)兩種廢油的摻量相同時(shí)，廢食用油的再生效果要明顯優(yōu)于廢潤(rùn)滑油.這說明兩種廢油都能使瀝青變軟，并且使得瀝青的稠度變小，使瀝青能夠更好地裹覆于集料表面，但是廢食用油的效果更明顯.

圖2 不同廢油對(duì)老化瀝青針入度的影響

2.1.2軟化點(diǎn)

軟化點(diǎn)反映了瀝青的粘度和對(duì)溫度的敏感性，是衡量瀝青高溫性能的重要物理指標(biāo).瀝青的軟化點(diǎn)越高，粘度越大，溫度穩(wěn)定性越好.圖3為兩種廢油對(duì)老化瀝青軟化點(diǎn)的影響.由圖3可知，瀝青老化后軟化點(diǎn)增大，當(dāng)加入廢油后，軟化點(diǎn)降低，并且隨著廢油摻量的增大，軟化點(diǎn)降低的也越明顯.與針入度結(jié)果相似，兩種廢油對(duì)軟化點(diǎn)的影響存在差異，廢食用油對(duì)軟化點(diǎn)的影響效果相對(duì)于廢潤(rùn)滑油來說更加明顯，軟化點(diǎn)下降的幅度較大.這說明兩種廢油都能使瀝青變軟，溫度敏感性增強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性下降，這與前面的針入度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的.因此，要控制廢油的摻量，廢油的摻量過高，使瀝青的粘性成分過多，對(duì)高溫性能有不利影響.

2.1.3延度

延度是瀝青受到外力拉伸作用時(shí)，所能承受的塑性變形的總能力，是衡量瀝青低溫柔韌性能的重要指標(biāo).表3為兩種廢油對(duì)老化瀝青延度的影響情況，由表3可知，當(dāng)廢食用油摻量在3%～9%，廢潤(rùn)滑油摻量在5%～20%時(shí)，老化瀝青的延度都隨著廢油摻量的增加而增大，但是廢食用油對(duì)瀝青延度的改善效果要比廢潤(rùn)滑油明顯.當(dāng)廢食用油和廢潤(rùn)滑油的摻量為3%和5%時(shí)，延度值均已大于100 cm，滿足文獻(xiàn)[12]的要求.說明兩種廢油對(duì)延度的改善效果都很好，使瀝青的低溫柔韌性能和抗開裂性能變好，這與針入度、軟化點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的.同時(shí)，值得注意的是，不同廢油對(duì)瀝青的影響效果是不一樣的，因此，要根據(jù)不同廢油來確定不同的摻量.

圖3 不同廢油對(duì)老化瀝青軟化點(diǎn)的影響

摻量/%廢食用油03579廢潤(rùn)滑油05101520延度(15℃)/cm57190500>500>50057124214280446

2.2 兩種廢油對(duì)老化瀝青低溫流變性能影響

對(duì)瀝青進(jìn)行彎曲梁流變實(shí)驗(yàn)可以研究瀝青的低溫流變性能，通過實(shí)驗(yàn)可以獲得兩個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)：蠕變勁度模量和蠕變速率.

蠕變勁度模量(S)為瀝青抵抗永久變形的能力.蠕變勁度模量越大，瀝青中的粘性成分越多，彈性成分越少，材料抵抗永久變形的能力越差.圖4為-12 ℃下兩種廢油對(duì)老化瀝青蠕變勁度模量影響的情況.由圖4可知，相對(duì)于原樣瀝青，老化瀝青的蠕變勁度模量明顯增大，加入廢油后，蠕變勁度模量明顯降低，當(dāng)廢食用油和廢潤(rùn)滑油的摻量分別為3%和5%時(shí)，再生瀝青的蠕變勁度模量與原樣瀝青相當(dāng).說明廢油的加入使老化瀝青中的彈性成分增多，抵抗永久變形的能力變好.值得注意的是，蠕變勁度模量隨著廢油的加入其下降的幅度減小.

圖4 不同廢油對(duì)老化瀝青蠕變勁度模量的影響

蠕變速率(m)為瀝青的應(yīng)力松弛能力.m值越大，說明瀝青的應(yīng)力松弛性能越好，其抵抗低溫開裂的能力也越好.圖5為在-12 ℃下兩種廢油對(duì)老化瀝青蠕變速率的影響情況，由圖5可知，相對(duì)于原樣瀝青，老化瀝青的蠕變速率明顯降低，加入廢油后，兩種廢油再生瀝青的蠕變勁度都隨著廢油摻量的增加而增大.說明兩種廢油的加入都能使老化瀝青的應(yīng)力松弛性能變好.但是相同摻量的兩種廢油對(duì)瀝青的影響效果不同，廢食用油對(duì)老化瀝青的影響效果較廢潤(rùn)滑油要更明顯，這是由于廢食用油中輕質(zhì)組分的含量要多于廢潤(rùn)滑油.

圖5 不同廢油對(duì)老化瀝青蠕變速率的影響

2.3 高溫流變性能

2.3.1復(fù)合模量

復(fù)合模量(G*)為瀝青樣品在重復(fù)剪切時(shí)產(chǎn)生的變形總量.在高溫環(huán)境下復(fù)合模量越大，瀝青的變形總量越小，瀝青的彈性性能越好.圖6是兩種廢油再生瀝青的復(fù)合模量隨廢油摻量和溫度的變化情況.由圖6可知，復(fù)合模量隨溫度的升高而降低，相對(duì)于原樣瀝青，老化瀝青的復(fù)合模量明顯增加，這說明瀝青老化后其抵抗變形的能力增強(qiáng).與基本物理性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，隨著廢油的加入，同溫度下復(fù)合模量隨著廢油摻量的增加而下降，這說明廢油的加入對(duì)瀝青起到了軟化作用，增加了瀝青中的粘性成分.如果瀝青中的粘性成分過多會(huì)使瀝青的高溫性能變差，因此，要適當(dāng)控制廢油的摻量.另外，當(dāng)廢食用油和廢潤(rùn)滑油的摻量分別為5%和15%時(shí)，再生瀝青的復(fù)合模量接近原樣瀝青，說明兩種廢油對(duì)老化瀝青起到了再生效果.

圖6 不同廢油對(duì)老化瀝青復(fù)合模量的影響

2.3.2相位角

相位角(δ)的大小可以表征瀝青中粘性成分和彈性成分的多少.在高溫環(huán)境下，相位角越小，瀝青中的彈性成分越多，粘性成分越少，瀝青越不易產(chǎn)生流動(dòng)變形.圖7為兩種廢油再生瀝青的相位角隨廢油摻量和溫度變化的情況.由圖7可知，瀝青的相位角隨溫度的升高而增大，瀝青老化后同溫度下相位角明顯下降，加入廢油后，兩種再生瀝青同溫度下相位角都明顯下降，但是，廢食用油對(duì)相位角的影響效果更為明顯.值得注意的是，對(duì)于廢食用油和廢潤(rùn)滑油的摻量分別在3%～9%和5%～20%范圍內(nèi)，兩種廢油再生瀝青的相位角都小于原樣瀝青，這說明兩種廢油再生瀝青高溫抵抗流動(dòng)變形的能力都優(yōu)于原樣瀝青.

圖7 不同廢油對(duì)老化瀝青相位角的影響

2.3.3車轍因子

G*與δ的正弦比值G*/sinδ即車轍因子，反映了瀝青高溫下抵抗相對(duì)變形的能力，車轍因子越大表示高溫性能越好.圖8為兩種廢油對(duì)老化瀝青車轍因子的影響情況.由圖8可知，老化瀝青的車轍因子明顯升高，并且瀝青的車轍因子隨溫度的升高而降低.加入廢油后，同溫度下瀝青的車轍因子隨廢油摻量的增加而逐漸減小，這說明升高溫度和加入廢油都使瀝青變得更軟，說明廢油能使老化瀝青軟化.當(dāng)廢食用油和廢潤(rùn)滑油摻量分別為5%和15%時(shí)，再生瀝青的車轍因子與70#原樣瀝青基本一致，繼續(xù)增加廢油的摻量，使得再生瀝青的車轍因子低于原樣瀝青，高溫抗車轍性能較差.

圖8 不同廢油對(duì)老化瀝青車轍因子的影響

3 結(jié) 論

1) 常規(guī)物理性能測(cè)試顯示, 兩種廢油都能使老化瀝青的物理性能得到改善，使瀝青變軟，當(dāng)廢食用油和廢潤(rùn)滑油摻量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7%, 20%時(shí)，可以使70#老化瀝青恢復(fù)至原樣瀝青的水平的90%，廢食用油的改善效果較廢潤(rùn)滑油要明顯.

2) 流變性能測(cè)試結(jié)果顯示，對(duì)于低溫流變性能，廢食用油和廢潤(rùn)滑油都能使老化瀝青的蠕變勁度模量明顯降低，蠕變速率明顯升高；對(duì)于高溫流變性能，兩種廢油都使老化瀝青的復(fù)合模量減小，相位角增大，車轍因子下降.在相同摻量下，廢食油再生瀝青的流變性能優(yōu)于廢潤(rùn)滑油.

3) 兩種廢油都可使瀝青得到再生，改善老化瀝青的低溫性能，并可恢復(fù)至原樣瀝青水平，起到了對(duì)老化瀝青軟化的效果，但是若摻量過大會(huì)對(duì)高溫性能有不利影響.另外，廢食用油對(duì)老化瀝青的再生效果要優(yōu)于廢潤(rùn)滑油，這是由于廢食用油中的芳香分的成分要比廢潤(rùn)滑油中的多，而對(duì)老化瀝青再生起關(guān)鍵作用的是廢油中的芳香分.

[1] CHEN M Z, XIAO F P, PUTMAN B, et al.High temperature properties of rejuvenating recovered binder with rejuvenator, waste cooking and cotton seed oils[J]. Construction and Building Materials,2014,59:10-16.

[2] 張玉君.廢潤(rùn)滑油再生工藝現(xiàn)狀與發(fā)展[D].大慶：東北石油大學(xué),2016.

[3] BABAZADEH R. Optimal design and planning of biodiesel supply chain considering non-edible feedstock[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017,75:1089-1100.

[4] SANTOS L K，HATANAKA R R，OLVEIRA J E，et al. Experimental factorial design on hydroesterification of waste cooking oil by subcritical conditions for biodiesel production[J].Renewable Energy, 2017,114:574-580.

[5] ALIC C H, QURESHI A S, MBADINGA S M，et al. Biodiesel production from waste cooking oil using onsite produced purified lipase from Pseudomonas aeruginosa FW_SH-1: central composite design approach[J]. Renewable Energy, 2017，109:93-100.

[6] FéLIX S, ARAúJO J, PIRES A M, et al. Soap production: a green prospective[J].Waste Management, 2017,66:190-195.

[7] 任學(xué)鵬.廢潤(rùn)滑油的回收利用[J].輪胎工業(yè),2010,30(4):246-248.

[8] 劉程.軋制油泥的再生綜合利用[D].上海：上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，2015.

[9] AZAHAR W N A W, JAYA R P，HAININ M R，et al.Chemical modification of waste cooking oil to improve the physical and rheological properties of asphalt binder[J].Construction and Building Materials,2016，126:218-226.

[10] 冷濱濱,陳美祝，吳少鵬.廢食用植物油再生瀝青的物理性能研究[J].公路,2014(2):175-179.

[11] 王永剛,廖克儉，閆鋒，等.廢舊瀝青混合料再生技術(shù)的研究[J].石油煉制與化工,2003,34(9):25-27.

[12] 交通部公路科學(xué)研究所.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程：JTG E20—2011[S].北京：人民交通出版社,2011.