廢食用油/新瀝青復(fù)合再生混合料路用性能研究*

劉思晴 陳美祝 張 東 柳景祥

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

0 引 言

廢舊瀝青混合料的再生工藝有熱再生、冷再生兩種[1]，再生材料有軟瀝青、乳化瀝青、泡沫瀝青及再生劑等[2].Asli等[3]研究發(fā)現(xiàn)廢食用油可作為瀝青再生劑并改善老化瀝青的物理性能.Chen等[4-5]研究發(fā)現(xiàn)廢食用油能有效改善老化瀝青的物理、流變性能，并提高老化瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，但混合料的高溫性能有待進(jìn)一步改善.Sawatzky等[6]在專利中提出了一種主要組分為污水污泥衍生油和軟瀝青的再生劑，能有效再生廢舊瀝青混合料，但工藝要求較高；王永剛等[7]采用新瀝青及廢機(jī)油對(duì)老化瀝青混合料進(jìn)行復(fù)合再生，可節(jié)約50%以上的鋪筑瀝青.

為進(jìn)一步改善廢舊瀝青混合料的再生效果，文中采用廢食用油及新瀝青對(duì)老化混合料進(jìn)行復(fù)合再生.通過對(duì)再生混合料低溫性能、水穩(wěn)定性能、高溫性能及疲勞性能進(jìn)行測試，并采用薄層色譜分析瀝青再生前后化學(xué)組分的變化，為廢油再生瀝青的實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 原材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原材料

瀝青選用AH-90重交石油瀝青，基本性能指標(biāo)見表1，采用薄層色譜及熱裂解氣象色譜(Py-GC/MS)分析瀝青的化學(xué)組成，結(jié)果見表2.

表1 AH-90瀝青性能指標(biāo)

表2 瀝青的四組分及GC-MS結(jié)果

廢食用油采用煎炸油，基本性能指標(biāo)、四組分及Py-GC/MS測試結(jié)果見表3～4.

表3 廢食用油性能指標(biāo)

集料采用安山巖，填料為石灰石礦粉， 測試結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，主要技術(shù)指標(biāo)見表5～6.

表4 廢食用油的四組分及Py-GC/MS結(jié)果

表5 粗集料的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

表6 礦粉的主要技術(shù)指標(biāo)

依據(jù)文獻(xiàn)[8]中熱拌瀝青混合料加速老化方法(T0734-2000)，制備老化瀝青混合料，并采用熱再生的方式對(duì)老化瀝青混合料進(jìn)行再生.

首先將老化瀝青混合料置于140 ℃烘箱中保溫2 h，再將其于175 ℃下預(yù)拌和60 s；向老化混合料中分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的廢食用油(6%，8%，10%，12%，14%)，繼續(xù)拌和90 s，獲得廢食用油再生混合料；研究廢食用油再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性能及低溫性能，以確定廢食用油的最佳摻量；向廢油再生瀝青混合料(最佳摻量)中分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的新瀝青(4%，8%，12%，16%，按舊瀝青質(zhì)量百分比計(jì)，下文同)，于165 ℃下拌和90 s后制得復(fù)合再生瀝青混合料.按照文獻(xiàn)[8]所規(guī)定的實(shí)驗(yàn)方法對(duì)混合料進(jìn)行低溫性能、水穩(wěn)定性能、高溫性能及疲勞壽命測試.具體的技術(shù)路線見圖1.

圖1 技術(shù)路線

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳廢食用油摻量的確定

2.1.1低溫性能

瀝青路面抵抗低溫收縮變形開裂的能力稱為低溫抗裂性，它是評(píng)價(jià)瀝青路面低溫性能的重要指標(biāo).實(shí)驗(yàn)室常采用試件的彎曲蠕變?nèi)崃吭u(píng)價(jià)試件的低溫抗裂性能，計(jì)算公式為

(1)

×d(t)=α×d(t)

(2)

(3)

式中：J(t)為彎曲蠕變?nèi)崃浚?/MPa；ε(t)為彎拉應(yīng)變；σ0為彎拉應(yīng)力；h，b分別為跨中斷面試件的高度及寬度；L為試件寬度；L1為端部到支點(diǎn)的距離；q為單位長度的質(zhì)量；F0為加載過程中承受的載荷.

廢食用油摻量對(duì)老化瀝青混合料彎曲蠕變?nèi)崃康挠绊懸妶D2.低溫狀態(tài)下，蠕變?nèi)崃吭酱螅瑸r青混合料在低溫下的變形適應(yīng)能力越強(qiáng).由圖2可知，老化瀝青混合料的蠕變?nèi)崃窟h(yuǎn)小于未老化瀝青混合料.隨著廢食用油摻量的增加，再生混合料的蠕變?nèi)崃砍尸F(xiàn)先增大后減小的趨勢.當(dāng)廢食用油摻量為12%時(shí)，再生瀝青混合料的蠕變?nèi)崃窟_(dá)到最大值261 MPa-1，接近未老化瀝青混合料的85.8%，再生效果明顯.這是因?yàn)閺U食用油中富含輕質(zhì)組分，能較好地軟化瀝青，提高老化瀝青的流動(dòng)性，改善其低溫抗裂性.當(dāng)廢食用油摻量過高時(shí)，多余的油分游離在混合料中，導(dǎo)致其低溫性能下降.

圖2 廢食用油摻量對(duì)老化瀝青混合料彎曲蠕變?nèi)崃康挠绊?/p>

2.1.2水穩(wěn)定性能

水穩(wěn)定性能反映瀝青混合料抵抗因水侵蝕而產(chǎn)生剝離、松散、坑槽等病害的能力，采用凍融劈裂實(shí)驗(yàn)及浸水馬歇爾實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià).廢食用油摻量對(duì)老化瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響見圖3.

圖3 廢食用油摻量對(duì)老化瀝青混合料MS0,TSR值的影響

凍融劈裂強(qiáng)度比(tensile strength ratio,TSR)，即凍融循環(huán)前后劈裂強(qiáng)度的比值.TSR值越大，瀝青混合料的抗水損害能力越強(qiáng).殘留穩(wěn)定度(marshall stability,MS0)是指試件恒溫水浴后與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度的比值.MS0值越大，瀝青混合料的水穩(wěn)定性能越好.由圖2可知，隨著廢食用油摻量的增加，再生混合料的TSR及MS0值均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.當(dāng)廢食用油摻量為12%時(shí)，廢食用油再生混合料的TSR及MS0均達(dá)到了最大值，分別為78.63%和78.91%，接近未老化瀝青混合料的水平(82.7%和82.8%)，但仍不滿足規(guī)范要求(MS0≥80%).這是因?yàn)閺U食用油的摻入能增強(qiáng)瀝青與集料間的粘附性，減少引發(fā)水損害的薄弱點(diǎn)，從而改善老化瀝青混合料的抗水損害性能.

廢食用油中富含輕質(zhì)組分，與瀝青中油分類似，將其添加到老化瀝青中能較好地調(diào)節(jié)四組分的配比.然而，廢食用油對(duì)老化瀝青的再生效果有限，且過量的廢食用油易造成瀝青與集料間的粘附性下降.由圖2～3可知，當(dāng)廢食用油摻量為12%時(shí)，再生混合料的低溫性能及水穩(wěn)定性能均達(dá)到最佳，故選用12%作為廢食用油的最佳摻量.

2.2 廢食用油/新瀝青復(fù)合再生混合料

2.2.1水穩(wěn)定性能

當(dāng)廢食用油摻量為12%時(shí)，再生混合料的MS0為78.91%，不滿足規(guī)范要求(MS0≥80%).為進(jìn)一步改善老化瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，在廢食用油再生瀝青混合料中摻入新瀝青進(jìn)行復(fù)合再生，新瀝青摻量對(duì)廢油再生混合料水穩(wěn)定的影響見圖4.

圖4 新瀝青摻量對(duì)廢油再生瀝青混合料MS0,TSR值的影響

由圖4可知，隨著新瀝青摻量的增加，復(fù)合再生混合料的TSR，MS0值均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，且均優(yōu)于未添加新瀝青的廢食用油再生混合料，并滿足文獻(xiàn)[8]要求(TSR≥75%，MS0≥80%).當(dāng)新瀝青摻量為8%時(shí)，復(fù)合再生混合料TSR,MS0值分別達(dá)到最高值88.47%,88.2%，接近未老化瀝青混合料的92.4%,93.0%，改善效果明顯.新瀝青的摻入能進(jìn)一步提高瀝青與礦料間粘附性，避免水侵蝕時(shí)發(fā)生瀝青膜剝離、松散的現(xiàn)象，進(jìn)而增大混合料的強(qiáng)度，抗水損害能力增強(qiáng).

2.2.2低溫性能

為了進(jìn)一步改善老化瀝青混合料的低溫性能，在廢食用油再生瀝青混合料中添加新瀝青進(jìn)行復(fù)合再生，新瀝青摻量對(duì)廢油再生混合料彎曲蠕變?nèi)崃康挠绊懸妶D5.由圖5可知，隨著新瀝青摻量的增加，復(fù)合再生混合料的蠕變?nèi)崃砍尸F(xiàn)先增加后減小的趨勢.當(dāng)新瀝青摻量為12%時(shí)，復(fù)合再生混合料的蠕變?nèi)崃恐颠_(dá)到最大(293 MPa-1)，接近未老化瀝青混合料的96.3%，滿足相關(guān)規(guī)范要求.新瀝青的摻入可以增加老化瀝青的黏彈性，提高混合料的極限變形能力，從而改善再生混合料的低溫性能，但新瀝青摻量過多時(shí)，游離的瀝青膠漿會(huì)降低混合料的低溫性能.

圖5 新瀝青摻量對(duì)廢油再生瀝青混合料彎曲蠕變?nèi)崃康挠绊?/p>

2.2.3高溫性能

高溫穩(wěn)定性，即瀝青混合料在夏季高溫條件下，經(jīng)車輛載荷長期作用后，不產(chǎn)生車轍、推移、波浪、壅包等病害的能力.利用車轍實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫抗永久變形能力，結(jié)果見圖6.

圖6 新瀝青摻量對(duì)廢油再生瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的影響

動(dòng)穩(wěn)定度越大，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能越好.由圖6可知，隨著新瀝青摻量的增加，復(fù)合再生混合料的動(dòng)穩(wěn)定度先些許增加后急劇下降.當(dāng)新瀝青摻量為4%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度為1 550次/mm，接近未老化瀝青混合料的66%，較廢食用油再生混合料有所改善，但改善效果不佳.這是因?yàn)闉r青老化后，發(fā)生一系列脫氫、縮合等反應(yīng)，質(zhì)地變硬，抵抗高溫變形的能力增加.廢食用油的添加使老化瀝青軟化，高溫抗變形能力減弱，動(dòng)穩(wěn)定度下降.新瀝青中油分較廢食用油相對(duì)較少，添加適量的新瀝青，能提高老化瀝青的粘度，改善其高溫性能.但過量的新瀝青使老化瀝青混合料質(zhì)地變軟，高溫抗變形能力下降，從而影響其高溫性能.

2.2.4疲勞性能

疲勞是指由于荷載的重復(fù)作用，在遠(yuǎn)低于材料的極限強(qiáng)度下發(fā)生路面開裂的一種破壞現(xiàn)象，疲勞性能主要表征瀝青路面抵抗疲勞斷裂破壞的能力.文中采用瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞壽命實(shí)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見圖7.

圖7 新瀝青摻量對(duì)廢油再生混合料疲勞壽命的影響

疲勞壽命越大，瀝青路面抵抗疲勞斷裂破壞的能力越強(qiáng).由圖7可知，隨著新瀝青摻量的增加，復(fù)合再生混合料的疲勞壽命先增大后減小，且均優(yōu)于廢食用油再生混合料.當(dāng)新瀝青摻量達(dá)到12%時(shí)，復(fù)合再生瀝青混合料的疲勞壽命達(dá)到最佳(1 820次)，接近未老化瀝青混合料(疲勞壽命為2 045次)的89%，較未加新瀝青的再生混合料(疲勞壽命為1 112次)改善效果明顯.這是因?yàn)闉r青老化后，與集料間粘附性下降，混合料力學(xué)強(qiáng)度降低，疲勞壽命縮短.新瀝青的添加能提高老化瀝青與集料間的粘結(jié)能力，改善其抗疲勞性能.

2.3 四組分分析

采用棒狀薄層色譜法將瀝青分為飽和分、芳香分、膠質(zhì)及瀝青質(zhì)四個(gè)組分.膠體理論認(rèn)為，瀝青的膠體結(jié)構(gòu)是若干個(gè)聚集的瀝青質(zhì)顆粒吸膠質(zhì)形成膠團(tuán)，分散于溶膠質(zhì)中.凝膠指數(shù)Ic被用來反映瀝青中老化過程中膠體結(jié)構(gòu)的變化，計(jì)算公式為

Ic=(As+S)/(Ar+R)

(4)

式中：As為瀝青質(zhì)；S為飽和分；Ar為芳香分；R為膠質(zhì).

芳香分和飽和分屬于輕質(zhì)油分，在瀝青中起著潤滑和軟化作用.瀝青質(zhì)相對(duì)分子量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)瀝青的硬度及感溫性能有重要影響.圖8為新瀝青及復(fù)合再生瀝青四組分的含量.由圖8可知，隨著新瀝青摻量的增加，芳香分含量逐漸增加，而瀝青質(zhì)含量呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，膠質(zhì)與飽和分變化不大.這是因?yàn)榕c廢油再生瀝青相比，新瀝青中含有更高的芳香分，較小的瀝青質(zhì).

圖8 新瀝青及復(fù)合再生瀝青的四組分含量

表7為新瀝青及不同新瀝青摻量復(fù)合再生瀝青的凝膠指數(shù)，Ic值越高，膠體結(jié)構(gòu)越趨向凝膠結(jié)構(gòu).由表7可知，新瀝青的Ic值較復(fù)合再生瀝青小，且隨著新瀝青摻量的增加，復(fù)合再生瀝青的Ic值呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢.這是因?yàn)殡S著新瀝青摻量的增大，老化瀝青中有足夠的芳香族組分，分散瀝青質(zhì)膠團(tuán)的能力增強(qiáng)，不易形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，膠體結(jié)構(gòu)趨向溶膠型.

表7 新瀝青與復(fù)合再生瀝青的凝膠指數(shù)

3 結(jié) 論

1) 廢食用油對(duì)老化瀝青的再生效果較好，當(dāng)廢食用油摻量為12%時(shí)，廢油再生瀝青混合料的低溫抗裂性能及抗水損害性能達(dá)到最佳，恢復(fù)至未老化混合料的80%以上.

2) 新瀝青與廢食用油的復(fù)合添加，能進(jìn)一步提高老化瀝青混合料的低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性能及抗疲勞性能，而高溫穩(wěn)定性能有待進(jìn)一步改善.當(dāng)新瀝青摻量為8%時(shí)，復(fù)合再生混合料的TSR，MS0、蠕變?nèi)崃考捌趬勖颠_(dá)到最佳，分別為88.4%, 88.2%, 293 MPa-1及 1 820次，恢復(fù)至未老化混合料的90%以上.

3) 從微觀機(jī)理上講，隨著廢食用油及新瀝青的添加，老化瀝青中芳香分增加、瀝青質(zhì)減小，膠體不穩(wěn)定指數(shù)降低，膠體結(jié)構(gòu)向溶膠型轉(zhuǎn)變.

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