含餐廚廢油的道路坑槽修補(bǔ)用冷補(bǔ)瀝青室內(nèi)性能評(píng)價(jià)

徐 茜， 耿立濤， 魏 雪， 鐘 陽， 馬川義

(1.大連理工大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院， 遼寧 大連 116024； 2.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250101；3.齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司， 山東 濟(jì)南 250101)

餐廚廢油是烹調(diào)產(chǎn)生的廢棄劣質(zhì)油脂，其酸價(jià)、丙二醛、過氧化值等指標(biāo)嚴(yán)重超標(biāo)[1]，并含有鉛、鎘、砷等重金屬及苯并芘等有害物質(zhì)[2-3].據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國餐廚廢油每年至少產(chǎn)生500萬t[4]，嚴(yán)重污染環(huán)境并危及飲食安全.國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的餐廚廢油再利用研究工作，主要集中在制備生物柴油、建筑及化工材料等方面[5].Shishir等[6]和趙佳平等[7]分別利用聲化學(xué)反應(yīng)、熱裂解、催化酯化工藝對(duì)餐廚廢油進(jìn)行了生物柴油合成研究；Sharma等[8]評(píng)價(jià)了餐廚廢油所含辛酸的相變性能，并以餐廚廢油研制了用于房頂防水的智能液態(tài)聚合物；Zhang等[9]將餐廚廢油制成生物基兩性表面活性劑，并驗(yàn)證了其油水界面性能；鄧琪等[10]研究了餐飲廢油的皂化機(jī)理及制備工藝；王益民等[11]開展了餐廚廢油在混凝土脫模劑中的應(yīng)用研究.目前，餐廚廢油再利用的處理工藝相對(duì)復(fù)雜且加工成本較高，限制了餐廚廢油的規(guī)?；倮?

坑槽病害是影響路面結(jié)構(gòu)性能與行車安全的一項(xiàng)主要病害，在中國北方地區(qū)坑槽病害尤為普遍，主要產(chǎn)生于冬季或春季[12-15].坑槽修補(bǔ)是道路養(yǎng)護(hù)部門的一項(xiàng)日常性工作，其特點(diǎn)為對(duì)修補(bǔ)材料總需求量大但單位用量少且分散.傳統(tǒng)上采用熱拌瀝青混合料進(jìn)行坑槽修補(bǔ)，但由于拌和站無法在寒冷季節(jié)生產(chǎn)熱拌瀝青混合料，導(dǎo)致道路坑槽無法得到及時(shí)修補(bǔ)，加劇了坑槽周邊道路結(jié)構(gòu)的損壞[16-17].冷補(bǔ)瀝青混合料通常采用稀釋瀝青或乳化瀝青與常溫石料拌制而得，其路用性能取決于冷補(bǔ)瀝青與石料的黏附性[18-19].與熱拌瀝青混合料相比，冷補(bǔ)瀝青混合料具有可長時(shí)間存儲(chǔ)、使用不受氣候影響、占用人力與機(jī)械設(shè)備少等優(yōu)勢[20]，已成為近年來坑槽修補(bǔ)的熱點(diǎn)材料[21-23].從工程應(yīng)用角度，進(jìn)口冷補(bǔ)瀝青混合料性能好，但價(jià)格昂貴(約為熱拌瀝青混合料的3～5倍)，為此國內(nèi)學(xué)者開展了關(guān)于冷補(bǔ)瀝青混合料的研究工作，取得了積極的研究成果[24-27].若能以餐廚廢油作為稀釋劑進(jìn)行冷補(bǔ)瀝青混合料制備，則可為餐廚廢油的規(guī)?；倮锰峁┮粭l有益途徑.

本文開展了含餐廚廢油的道路坑槽修補(bǔ)用冷補(bǔ)瀝青混合料的性能評(píng)價(jià)：首先將餐廚廢油進(jìn)行簡易物理過濾及吸附處理，與柴油共混作為冷補(bǔ)瀝青的稀釋劑；然后基于設(shè)定的混拌工藝，在不同的輔助添加劑摻量下，制備冷補(bǔ)瀝青，利用黏度控制標(biāo)準(zhǔn)初選基質(zhì)瀝青與稀釋劑的摻配比例；最后優(yōu)選冷補(bǔ)瀝青混合料的最佳瀝青用量，并在此瀝青用量下評(píng)價(jià)了優(yōu)選配方冷補(bǔ)瀝青的黏附性和間接拉伸強(qiáng)度.

1 試驗(yàn)材料

1.1 餐廚廢油

餐廚廢油(CWO)取自食堂餐廚廢棄物，棕黃色，含少量棕黑色殘?jiān)拾氤頎?采用下述工藝對(duì)餐廚廢油進(jìn)行簡易處理，取處理后的樣品進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)：將餐廚廢油經(jīng)0.075mm標(biāo)準(zhǔn)篩過濾，除去大體積固體雜質(zhì)后，再以活性白土吸附脫色，經(jīng)過濾分離得到處理后的餐廚廢油.經(jīng)上述工藝處理后的餐廚廢油呈淡黃色，透澈且無可見雜質(zhì)，流動(dòng)性較處理前有所增強(qiáng).處理后餐廚廢油的20℃相對(duì)密度為0.9203、酸值為34.46(KOH)mg/g、碘值為94.01g/100g、過氧化值為28.6×10-3mol/kg，含有一定量的醇類、酸類、脂類等物質(zhì)，部分組分與瀝青(主要由烷烴、環(huán)烷烴、芳香族化合物等物質(zhì)組成)的化學(xué)組成相似，但酸值明顯高于基質(zhì)瀝青.根據(jù)相似相容原理，餐廚廢油應(yīng)該能很好地溶于瀝青中.

1.2 柴油及基質(zhì)瀝青

選用道路工程中制備稀釋瀝青時(shí)普遍采用的國標(biāo)0#柴油(D)，與餐廚廢油共混作為基質(zhì)瀝青的稀釋劑.以國產(chǎn)70#道路石油瀝青(A)作為制備冷補(bǔ)瀝青的基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示.

表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.3 輔助添加劑

基質(zhì)瀝青經(jīng)稀釋后黏度降低、流動(dòng)性增強(qiáng)，從而使冷補(bǔ)瀝青混合料具備了常溫拌和及長時(shí)間存儲(chǔ)的能力.但稀釋劑的引入會(huì)降低瀝青與石料的黏附性，另一方面，將餐廚廢油加入到稀釋劑中時(shí)，其含有的脂類組分也存在降低瀝青與石料黏附性的隱患，從而降低冷補(bǔ)瀝青混合料的抗水剝離性.因此，本文采用自主研發(fā)的輔助添加劑(add)來提高冷補(bǔ)瀝青與石料的黏附性.該輔助添加劑由乙烯基類硅氧烷、醇類潤濕劑等材料經(jīng)化學(xué)合成所得，為深棕色無味液體，其相對(duì)密度為0.8249，主要作用在于增強(qiáng)稀釋瀝青與集料的界面黏結(jié)效應(yīng).

2 冷補(bǔ)瀝青的制備

2.1 布氏黏度測試

稀釋劑的摻量與黏度將影響冷補(bǔ)瀝青的黏度，從而影響冷補(bǔ)瀝青的施工和易性及冷補(bǔ)瀝青混合料的可存儲(chǔ)性.依據(jù)ASTM D 4402《American society for testing and materials. Standard test method for compressive strength of bituminous mixtures》方法測試了不同溫度下餐廚廢油(CWO)、柴油(D)及二者共混物(CWOD)的布氏黏度，結(jié)果如表2所示.表2同時(shí)給出了輔助添加劑在各溫度下的布氏黏度測試結(jié)果.

由表2可知：各測試樣本的布氏黏度均隨著測試溫度的增加而降低，除輔助添加劑外，各測試樣本的布氏黏度變化幅度均不顯著；相同溫度下柴油的布氏黏度最低，柴油與餐廚廢油的布氏黏度均顯著低于輔助添加劑，更遠(yuǎn)低于基質(zhì)瀝青(見表1)；餐廚廢油與柴油混溶物的布氏黏度則介于二者各自的布氏黏度之間.因此，從降低黏度角度考慮，采用餐廚廢油替代(或部分替代)柴油作為冷補(bǔ)瀝青的稀釋劑具有可行性，且當(dāng)稀釋劑總體用量固定時(shí)，稀釋劑中柴油與餐廚廢油質(zhì)量比的變化將不會(huì)對(duì)冷補(bǔ)瀝青的布氏黏度產(chǎn)生明顯影響.

表2 布氏黏度測試結(jié)果

2.2 冷補(bǔ)瀝青的制備與初選

通常以60℃布氏黏度來表征冷補(bǔ)瀝青的施工和易性，其適宜值約為0.8～1.6Pa·s[28-30].本文以下述工藝制備冷補(bǔ)瀝青：首先將基質(zhì)瀝青加熱至135℃，然后加入餐廚廢油與柴油共混后的稀釋劑，保持體系溫度為(90±10)℃，勻速攪拌30min至體系混合均勻，繼續(xù)保持該溫度，加入輔助添加劑，再勻速攪拌90min，得到冷補(bǔ)瀝青樣品.選用表2所示的柴油與餐廚廢油質(zhì)量比、基質(zhì)瀝青與稀釋劑質(zhì)量比以及輔助添加劑摻量(外摻，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的摻量、用量等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))來制備冷補(bǔ)瀝青，并測定其60℃布氏黏度，結(jié)果列于表3.

表3 冷補(bǔ)瀝青的60℃布氏黏度測試結(jié)果

由表3可知：稀釋劑對(duì)冷補(bǔ)瀝青布氏黏度的影響最為顯著，當(dāng)基質(zhì)瀝青與稀釋劑質(zhì)量比由83∶17變化至75∶25時(shí)，冷補(bǔ)瀝青的60℃布氏黏度降低了約2.5～2.8倍；輔助添加劑的摻量對(duì)冷補(bǔ)瀝青布氏黏度的影響較??；稀釋劑中柴油與餐廚廢油的質(zhì)量比由 85∶ 15變化至65∶35時(shí)，以及輔助添加劑摻量由0%變化至4%時(shí)，冷補(bǔ)瀝青的布氏黏度變化均在10%以內(nèi).表3中當(dāng)基質(zhì)瀝青與稀釋劑質(zhì)量比為79∶21和 77∶ 23時(shí)，冷補(bǔ)瀝青的60℃布氏黏度均介于1.0～1.6Pa·s之間，故初選這2組配方進(jìn)行后續(xù)冷補(bǔ)瀝青混合料的制備與測試.

3 冷補(bǔ)瀝青混合料的制備與測試

采用石灰?guī)r石料拌制冷補(bǔ)瀝青混合料，礦料級(jí)配依據(jù)文獻(xiàn)[29]推薦的級(jí)配范圍進(jìn)行選擇，具體級(jí)配設(shè)計(jì)見表4.

表4 冷補(bǔ)瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)

采用柴油與餐廚廢油質(zhì)量比(85∶15、75∶25、65∶35)、輔助添加劑摻量(0%、3%、4%)、基質(zhì)瀝青與稀釋劑質(zhì)量比(79∶21、77∶23)全組合下的18組冷補(bǔ)瀝青樣品，制備了冷補(bǔ)瀝青混合料.其中瀝青用量(Pb)取4.4%、4.7%、5.0%和5.3%，以相同的工藝進(jìn)行拌和試驗(yàn)，于室溫條件下在相同容器中以玻璃棒人工攪拌10min，獲得冷補(bǔ)瀝青混合料樣品，每種冷補(bǔ)瀝青混合料均準(zhǔn)備500g樣品.拌和試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，冷補(bǔ)瀝青混合料的拌和效果受瀝青用量影響最為顯著：當(dāng)瀝青用量較低(4.4%)時(shí)，集料表面瀝青裹附不勻；當(dāng)瀝青用量偏高(5.3%)時(shí)則存在瀝青流淌現(xiàn)象；當(dāng)瀝青用量為4.7%和5.0%時(shí)，集料表面瀝青裹附均勻、混合料具有油潤光澤且無瀝青流淌現(xiàn)象.而基質(zhì)瀝青與稀釋劑的質(zhì)量比、稀釋劑中柴油與餐廚廢油的質(zhì)量比及輔助添加劑摻量的變化對(duì)拌和效果無明顯影響.

冷補(bǔ)瀝青與集料的黏附性是表征冷補(bǔ)瀝青混合料性能優(yōu)劣的核心指標(biāo)，黏附性差則冷補(bǔ)瀝青混合料容易因水的影響而產(chǎn)生松散，導(dǎo)致坑槽修補(bǔ)失敗[19,30].本文取瀝青用量適中(4.7%、5.0%)的36組冷補(bǔ)瀝青混合料樣品進(jìn)行黏附性測試及評(píng)價(jià)，其方法為：稱取50g冷補(bǔ)瀝青混合料置入沸水中，保持煮沸狀態(tài)并以玻璃棒勻速攪拌2min，撇除表面漂浮的瀝青后，隨機(jī)揀取100粒集料置于白紙上逐一觀察每顆集料表面的瀝青裹覆情況，統(tǒng)計(jì)表面完全被瀝青膜裹覆的集料數(shù)量記為裹附率(%)，裹附率高則黏附性佳.黏附性評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示.

表5 冷補(bǔ)瀝青混合料的裹附率

從表5可看出：輔助添加劑對(duì)于提升冷補(bǔ)瀝青混合料的黏附性貢獻(xiàn)顯著，未摻加輔助添加劑時(shí)所有冷補(bǔ)瀝青混合料樣品經(jīng)水煮后瀝青均全部脫落，摻加輔助添加劑后冷補(bǔ)瀝青混合料的裹附率明顯提升，且該值隨著輔助添加劑摻量的提高而增大；隨著稀釋劑中餐廚廢油比例的增加、冷補(bǔ)瀝青中稀釋劑比例的增大以及冷補(bǔ)瀝青用量的降低，冷補(bǔ)瀝青混合料的黏附性產(chǎn)生了輕微的降低，但裹附率均在95%以上.

對(duì)于摻加輔助添加劑的各冷補(bǔ)瀝青混合料樣品，基于JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行間接拉伸強(qiáng)度測試，測試溫度為20℃、加載速率為50mm/min.由于稀釋瀝青類冷補(bǔ)瀝青混合料在稀釋劑開始揮發(fā)前(存儲(chǔ)期內(nèi)或使用初期)呈松散狀態(tài)，為獲得可進(jìn)行強(qiáng)度測試且具有代表性的試件，借鑒文獻(xiàn)[30]的方法進(jìn)行試件制備：將冷補(bǔ)瀝青混合料置于135℃烘箱中養(yǎng)護(hù)12h后，在該溫度下以標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)儀雙面擊實(shí)(75次/面)獲得測試試件，該方法可模擬實(shí)際工程中坑槽修補(bǔ)使用數(shù)月后的冷補(bǔ)瀝青混合料狀態(tài).表6為間接拉伸強(qiáng)度的測試結(jié)果.

表6 冷補(bǔ)瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度

由表6可知：輔助添加劑摻量及基質(zhì)瀝青與稀釋劑的質(zhì)量比對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度均產(chǎn)生了影響，提高輔助添加劑的摻量或降低稀釋劑的摻量均可提高冷補(bǔ)瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度.原因在于二者均有助于增加瀝青與集料的黏附性，從而使得冷補(bǔ)瀝青混合料獲得更高的間接拉伸強(qiáng)度，其中尤以輔助添加劑摻量的影響更為明顯；稀釋劑中柴油與餐廚廢油的質(zhì)量比及冷補(bǔ)瀝青用量則未對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響.綜合拌和試驗(yàn)、黏附性測試及間接拉伸強(qiáng)度測試的結(jié)果認(rèn)為，含餐廚廢油冷補(bǔ)瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.7%～5.0%.

4 結(jié)論

(1)從降低稀釋劑黏度的角度考慮，采用餐廚廢油部分替代柴油作為冷補(bǔ)瀝青稀釋劑具有可行性.

(2)瀝青用量是影響冷補(bǔ)瀝青混合料拌和效果的主要因素，基質(zhì)瀝青與稀釋劑的質(zhì)量比、稀釋劑中柴油與餐廚廢油的質(zhì)量比及輔助添加劑的摻量對(duì)混合料拌和效果無明顯影響.

(3)稀釋劑中餐廚廢油摻量增加會(huì)對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料的黏附性產(chǎn)生輕微的負(fù)面影響、對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度無明顯影響；摻加輔助添加劑后冷補(bǔ)瀝青混合料的黏附性可滿足使用需求.

(4)含餐廚廢油冷補(bǔ)瀝青的建議配方為：稀釋劑中柴油與餐廚廢油質(zhì)量比85∶15～65∶35，基質(zhì)瀝青與稀釋劑的質(zhì)量比79∶21～77∶23，輔助添加劑摻量3%～4%(外摻).

(5)餐廚廢油冷補(bǔ)瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.7%～5.0%.