廢生物油與廢機(jī)油復(fù)配再生瀝青及混合料研究

黃顯全

(廣西龍馬高速公路有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

自1988年我國第一條高速公路——滬嘉高速公路通車以來，經(jīng)過幾十年的飛速發(fā)展，我國已建成世界上規(guī)模最龐大的高速公路路網(wǎng)。隨之而來的是大量早期修建的高速公路進(jìn)入維修養(yǎng)護(hù)期，維修養(yǎng)護(hù)會(huì)產(chǎn)生大量的廢舊瀝青混合料。同時(shí)，隨人民生活水平的提高，餐飲業(yè)與機(jī)械工業(yè)迅速發(fā)展，并在此過程中產(chǎn)生了大量的廢棄生物油及機(jī)油。廢生物油是指居民生活使用后廢棄的植物油或者動(dòng)物油，機(jī)油是指超過使用標(biāo)準(zhǔn)被廢棄的機(jī)械潤滑油。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅2019年我國產(chǎn)生的廢生物油就達(dá)600萬t，廢機(jī)油約385萬t，而廢棄的生物油和機(jī)油仍然具有很高的利用價(jià)值。從其組分來看，廢生物油和廢機(jī)油均含有大量的輕質(zhì)組分，具備作為老化瀝青再生劑的條件。因此在廢棄的瀝青混合料、生物油和機(jī)油數(shù)量激增及倡導(dǎo)“資源循環(huán)利用”的背景下，許多道路工作者已開展了將廢生物油或機(jī)油作為再生劑摻入老化瀝青中制備再生瀝青混合料的研究。Rita Jalkh[1]采用廢食用油作為再生劑對(duì)舊路面回收瀝青進(jìn)行再生，發(fā)現(xiàn)再生瀝青滿足低等級(jí)公路的應(yīng)用要求；滿琦[2]研究表明采用地溝油作為油基制備的再生劑有利于增強(qiáng)老化瀝青黏度，改善瀝青的低溫性能；潘浩志[3]采用蓖麻油制備了生物質(zhì)改性瀝青，發(fā)現(xiàn)改性瀝青具備良好的低溫性能和感溫性能，而高溫性能有所劣化；靳超[4]的研究表明植物油改性瀝青具有較好的低溫抗裂性能及抗老化性能；夏澤沛[5]認(rèn)為采用廢機(jī)油作為瀝青再生劑時(shí)可改善高摻量RAP再生混合料的路用性能。

綜上所述，采用廢棄的生物油或機(jī)油對(duì)瀝青進(jìn)行再生取得一定成果，廢生物油再生瀝青具有良好的低溫性能，但是高溫穩(wěn)定性不佳，而廢機(jī)油再生瀝青的耐老化性能及溫度穩(wěn)定性較好。因此本文采用廢生物油和廢機(jī)油對(duì)老化瀝青進(jìn)行復(fù)配再生，改善單一油基再生瀝青的性能缺陷，進(jìn)一步提高廢生物油及廢機(jī)油的應(yīng)用效果與推廣前景。

1 原材料

1.1 瀝青

本文試驗(yàn)用瀝青選用殼牌70#瀝青，其性能指標(biāo)如表1所示，老化瀝青采用70#基質(zhì)瀝青進(jìn)行PAV老化后制得。

表1 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果表

1.2 廢生物油與廢機(jī)油

廢生物油采用從南寧市飯店回收的廢棄煎炸烹飪后的食用植物油，廢機(jī)油采用某品牌汽車行駛8 000 km后換下的機(jī)油，兩種廢棄油基經(jīng)過2.0 μm微孔濾膜過濾雜質(zhì)后，進(jìn)行性能檢測，結(jié)果如表2所示。

表2 廢生物油及廢機(jī)油性能檢測結(jié)果表

1.3 增黏樹脂

廢生物油或廢機(jī)油因輕質(zhì)組分含量較高，黏度較低，因此可通過添加樹脂調(diào)節(jié)再生劑黏度以及與各組成材料之間的相容性，提高再生瀝青與集料粘附性。本文選用C5石油樹脂作為增黏樹脂。

2 復(fù)配再生瀝青制備及性能評(píng)價(jià)方法

借鑒國內(nèi)外研究學(xué)者及前期研究成果，確定廢生物油、廢機(jī)油及樹脂摻量水平見表3。老化瀝青再生制備及性能評(píng)價(jià)過程如下：

表3 再生瀝青外摻劑摻量一覽表

(1)將經(jīng)過PAV老化后70#基質(zhì)瀝青置于160 ℃烘箱中加熱30 min，至完全融化。

(2)按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)摻量同時(shí)加入廢生物油及廢機(jī)油，并用機(jī)械攪拌器攪拌10 min，溫度≤140 ℃。

(3)按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)摻量加入樹脂，再用機(jī)械攪拌器攪拌10 min，制得廢生物油與廢機(jī)油復(fù)配再生瀝青。

(4)采用三大指標(biāo)試驗(yàn)及135 ℃黏度試驗(yàn)，對(duì)制備好的再生瀝青進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

3 再生瀝青復(fù)配摻量研究

3.1 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為確定廢生物油、廢機(jī)油及樹脂三種物質(zhì)的合適摻量，采用正交試驗(yàn)進(jìn)行研究分析。正交試驗(yàn)在保證各試驗(yàn)因數(shù)水平的情況下，進(jìn)行相同試驗(yàn)次數(shù)可簡化試驗(yàn)組別，提高試驗(yàn)效率，本文按L9(33)設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，如表4所示。

表4 L9(33)正交設(shè)計(jì)表

3.2 復(fù)配再生瀝青性能分析

對(duì)根據(jù)表4制備的再生瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)及135 ℃黏度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見下頁表5，其中K、R為不同試驗(yàn)因素水平下的試驗(yàn)結(jié)果平均值與極差。K可表征該水平對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響規(guī)律。

根據(jù)表5繪制不同摻量水平下再生瀝青性能變化趨勢，如下頁圖1～4所示。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果表

由圖1～4可知：

(1)隨廢生物油及廢機(jī)油摻量增加，再生瀝青軟化點(diǎn)均值降低，隨樹脂摻量增加，再生瀝青軟化點(diǎn)升高。由圖1可知，廢生物油摻量及廢機(jī)油摻量從1.6%提升至2.4%，軟化點(diǎn)均值分別下降了6.9%、5.7%，這是因?yàn)樯镉团c機(jī)油中含有大量油分物質(zhì)，使瀝青中大分子分解分散在油分中，從而使軟化點(diǎn)下降；而樹脂摻量從0.2%提升至0.6%，軟化點(diǎn)均值升高了1.7%，這是因?yàn)闃渲墓袒匦允沟脼r青熱固性增加，瀝青的軟化點(diǎn)升高。

圖1 軟化點(diǎn)均值變化趨勢圖

(2)隨廢生物油、廢機(jī)油摻量增加，再生瀝青針入度均值降低，隨樹脂摻量增加，針入度均值下降。由圖2可知，廢生物油和廢機(jī)油摻量從水平1至水平3，針入度均值分別提高了24.6%、21.1%，相較于廢機(jī)油，廢生物油改善效果更明顯，但觀察曲線趨勢，隨摻量水平繼續(xù)升高，廢機(jī)油使針入度升高趨勢快于廢生物油；樹脂摻量由水平1至水平3針入度下降了5.1%，說明樹脂有助于提高其稠度，提高了瀝青膠體的穩(wěn)定性。

圖2 25 ℃針入度均值變化趨勢圖

(3)隨廢生物油及廢機(jī)油摻量增加，再生瀝青延度均值呈現(xiàn)上升趨勢，隨樹脂摻量增加，再生瀝青延度略微下降。由圖3可知，廢生物油和廢機(jī)油摻量從1.6%提升至2.4%，再生瀝青延度均值分別上升了82.3%、50.8%，兩者對(duì)再生瀝青延度提高具有積極作用，延度越高，瀝青的低溫延展性越好，越不易發(fā)生低溫開裂；而樹脂摻量從0.2%提升至0.6%，再生瀝青延度均值出現(xiàn)一定程度下降，下降了20.0%。這是因?yàn)閺U生物油中含有大量芳香烴，且廢機(jī)油中的油分物質(zhì)可分解瀝青中的大分子，從而改善瀝青組分，使得延度升高，而樹脂屬于增黏劑，在一定程度上會(huì)使瀝青向“硬化”體質(zhì)轉(zhuǎn)化，故延度降低。

圖3 10 ℃延度變化趨勢圖

(4)隨廢生物油與廢機(jī)油摻量增加，再生瀝青黏度呈現(xiàn)下降趨勢，隨樹脂含量增加，黏度呈現(xiàn)上升趨勢。由圖4可知，廢生物油和廢機(jī)油摻量從1.6%提升至2.4%，再生瀝青黏度均值分別降低了9.9%、15.9%，而樹脂摻量從0.2%至0.6%，黏度增加了19.3%。這是因?yàn)閺U油脂中的含有大量油分，對(duì)瀝青中的極性大分子起到了潤滑的作用，從而使瀝青黏度下降，劣化瀝青與集料的黏附性，而樹脂本身作為增黏劑，具有良好的增黏性和耐熱性[6]，因此有利于改善和調(diào)節(jié)再生瀝青黏度。

圖4 黏度均值變化趨勢圖

3.3 再生瀝青復(fù)配摻量的確定

瀝青再生應(yīng)是盡量恢復(fù)老化性能至原狀瀝青性能，但是一般來說老化瀝青的高溫性能及粘附性會(huì)更優(yōu)良，結(jié)合前文試驗(yàn)分析廢生物油和廢機(jī)油會(huì)降低瀝青的高溫性能和黏性，而提升再生瀝青針入度和低溫性能，而C5石油樹脂對(duì)黏度提升明顯，對(duì)低溫性能劣化影響不大。因此綜合考慮確定廢生物油、廢機(jī)油及C5石油樹脂的摻量分別為：2.4%、2.0%、0.2%。

4 廢生物油與廢機(jī)油復(fù)配再生瀝青混合料性能研究

為驗(yàn)證復(fù)配再生瀝青的路用性能，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)采用車轍試驗(yàn)、瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)，對(duì)原樣瀝青及再生瀝青拌和的混合料進(jìn)行高低溫性能及水穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)，再生瀝青混合料一般應(yīng)用于下面層，故采用AC-25型級(jí)配混合料。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 再生瀝青與原樣瀝青再生混合料試驗(yàn)結(jié)果表

由表6可知，復(fù)配再生瀝青混合料的高低溫及水穩(wěn)定性能均能滿足規(guī)范要求，復(fù)配再生瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度高于原樣瀝青混合料，說明其高溫性能更優(yōu)良，而低溫及水穩(wěn)性能略低于原樣瀝青混合料，但仍然滿足規(guī)范技術(shù)要求。

5 結(jié)語

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)廢生物油與廢機(jī)油復(fù)配再生瀝青展開研究，采用正交試驗(yàn)分析了廢生物油、廢機(jī)油及C5石油樹脂對(duì)再生瀝青性能影響，發(fā)現(xiàn)廢生物油及廢機(jī)油有利于提高再生瀝青低溫性能，而樹脂有利于提高再生瀝青的高溫性能和黏度，并通過綜合分析，確定復(fù)配再生瀝青制備廢生物油、廢機(jī)油及C5石油樹脂的摻量分別為：2.4%、2.0%、0.2%。通過對(duì)再生瀝青與原樣瀝青拌和的混合料路用性能研究發(fā)現(xiàn)，再生瀝青混合料的高低溫及水穩(wěn)性能均能滿足規(guī)范要求，且高溫性能優(yōu)于原樣瀝青混合料。