廢機(jī)油再生SBS改性瀝青的性能評(píng)價(jià)

趙培馨

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300392）

SBS改性瀝青以優(yōu)良的路用性能廣泛應(yīng)用于高等級(jí)公路、機(jī)場跑道、防水橋面的建設(shè)中；相應(yīng)的在道路養(yǎng)護(hù)與修補(bǔ)中會(huì)產(chǎn)生大量廢棄SBS 改性瀝青混合料。這些廢舊SBS 改性瀝青混合料不能用于其他工程，也不能降解，如果隨意丟棄，不僅占用土地，還會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境；因此，廢舊SBS 改性瀝青混合料的再生一直是一個(gè)亟待解決的問題[1]。

通常使用再生劑來恢復(fù)廢舊瀝青的性能。目前的再生劑大多是石油工業(yè)生產(chǎn)的樹脂和低黏度油的混合物。實(shí)踐表明，該類再生劑再生效果較理想，再生瀝青混合料性能相對(duì)穩(wěn)定；但樹脂和低黏度油的合成也需要不可再生的材料、專用設(shè)備和特定的工藝，這與環(huán)保理念不符，成本也相對(duì)較高[2]。因此，尋找一種穩(wěn)定性好、耐老化性好、擴(kuò)散性好、成本低的再生劑具有重要意義。

廢機(jī)油是指機(jī)油在使用過程中混入水分、灰塵、其他雜油及機(jī)件磨損產(chǎn)生的金屬粉末等雜質(zhì)，它的回收利用具有重大的環(huán)境意義。機(jī)油和道路瀝青均是由石油冶煉得到的產(chǎn)物，所以兩者的成分具有一定的相似性，根據(jù)同源理論和相似相溶性理論，廢機(jī)油中的輕質(zhì)組分可以用于調(diào)和老化瀝青并恢復(fù)其性能。Dedene C D 等[3]利用傅里葉變換紅外光譜來分析老化瀝青和廢機(jī)油的成分，發(fā)現(xiàn)廢機(jī)油能夠?yàn)槔匣癁r青補(bǔ)充輕質(zhì)組分。徐朋朋[4]通過試驗(yàn)室模擬瀝青老化，研究了廢機(jī)油對(duì)老化基質(zhì)瀝青的再生，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4%摻量的廢機(jī)油能夠使模擬老化10 h 的基質(zhì)瀝青基本恢復(fù)到老化前的性能。孫楚雨[5]、劉洋[6]也研究了廢機(jī)油對(duì)老化瀝青性能的影響，發(fā)現(xiàn)廢機(jī)油作為瀝青再生劑可以提高老化瀝青抵抗流動(dòng)變形的能力，恢復(fù)老化瀝青的低溫性能。

目前，利用廢機(jī)油再生SBS 改性瀝青的研究還比較少見。本文以廢機(jī)油為原料，采用熔融共混的方法再生老化的SBS 改性瀝青，通過針入度、軟化點(diǎn)、延度和黏度等指標(biāo)對(duì)廢機(jī)油再生SBS 改性瀝青的物理性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過紅外光譜分析，探討廢機(jī)油對(duì)老化SBS改性瀝青的再生機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 材料

選用基質(zhì)瀝青SK-70，物理性能見表1。

表1 SK-70瀝青物理性能

選用SBS 改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，SBS 改性劑的基本性能見表2。

表2 SBS改性劑基本性能

廢機(jī)油是從汽車服務(wù)公司回收的，見表3-表4和圖1。

表3 廢機(jī)油的物理性能

表4 廢機(jī)油的紅外光譜分析結(jié)果 %

圖1 廢機(jī)油的X射線熒光光譜

1.2 方法

1.2.1 樣品制備

1）SBS改性瀝青。將基質(zhì)瀝青在油浴加熱容器中加熱至180 ℃，使其自由流動(dòng)。使用高剪切分散乳化機(jī)，在低混合速度下緩慢加入硫磺和SBS 改性劑；在4 000 r/min 轉(zhuǎn)速下剪切1 h 后再均勻攪拌1.5 h，即制得SBS改性瀝青。

2）老化SBS改性瀝青。稱取50 g 制備好的SBS改性瀝青，注入內(nèi)徑140 mm的不銹鋼圓盤，置于163 ℃的瀝青薄膜烘箱中進(jìn)行25 h老化，制得老化SBS改性瀝青。

3）再生SBS改性瀝青。將老化SBS改性瀝青加熱至163 ℃，使其自由流動(dòng)，將摻量占老化SBS改性瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)0、5%、7.5%、10%、12.5%、15%的廢機(jī)油加入到老化SBS改性瀝青中，均勻攪拌30 min，制得再生SBS改性瀝青。

1.2.2 測試

1）物理性能。按照T 0604—2011、T 0605—2011、T 0606—2011、T 0625—2011的規(guī)定對(duì)瀝青的針入度、延度、軟化點(diǎn)和黏度進(jìn)行測試。

基于老化SBS 改性瀝青再生前后的物理性能，采用針入度恢復(fù)指數(shù)（Penetration Recovery Index，PRI）、延度恢復(fù)指數(shù)（DuctilityRecovery Index，DRI）、軟化點(diǎn)恢復(fù)指數(shù)（SofteningPointRecovery Index，SRI）和黏度恢復(fù)指數(shù)（ViscosityRecoveryIndex，VRI）分析了廢機(jī)油對(duì)老化SBS改性瀝青的再生效果。

式中：P2、D2、S2、V2分別為再生后SBS 改性瀝青針入度、延度、軟化點(diǎn)和黏度；P1、D1、S1、V1分別為老化前SBS改性瀝青的針入度、延度、軟化點(diǎn)和黏度。

2）紅外光譜。通過紅外光譜儀對(duì)再生前后SBS改性瀝青的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。將試驗(yàn)樣品溶于二硫化碳溶劑中配成5%的溶液，測試開始前先掃描KBr 底片作為空白背景，再將配好的溶液滴在掃過背景的KBr 底片上，待二硫化碳完全揮發(fā)后，將其放入紅外光譜儀中進(jìn)行掃描測試，掃描64 次，所有光譜掃描波數(shù)范圍為4 000～400 cm-1，采用OMNIC 軟件對(duì)紅外光譜進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 物理性能

2.1.1 針入度

隨著廢機(jī)油摻量的增加，再生SBS改性瀝青的針入度和PRI逐漸增大，表明廢機(jī)油能夠?qū)匣疭BS改性瀝青的物理性能有所恢復(fù)。當(dāng)廢機(jī)油摻量為0～10%時(shí)，再生SBS改性瀝青的針入度和PRI隨廢機(jī)油摻量的增加而增大；摻量為10%～12.5%時(shí)，再生SBS改性瀝青的針入度與未老化SBS改性瀝青的針入度基本持平；摻量為10%～12.5%時(shí)，PRI達(dá)到0.99左右；摻量為12.5%～15%時(shí)，再生SBS改性瀝青的針入度和PRI迅速增加。見圖2。

圖2 廢機(jī)油再生SBS改性瀝青的針入度和PRI

根據(jù)PRI 的定義，PRI 越接近1，老化SBS 改性瀝青的再生效果越好；因此，當(dāng)廢機(jī)油摻量為10%～12.5%時(shí)，老化SBS 改性瀝青的針入度基本可以恢復(fù)到老化前的水平。

2.1.2 延度

隨著廢機(jī)油摻量的增加，再生SBS 改性瀝青的延度和DRI呈先增加后略有下降的趨勢。當(dāng)廢機(jī)油摻量為0～10%時(shí)，再生SBS 改性瀝青的延度和DRI 均勻增加；摻量為10%～15%時(shí)，再生SBS 改性瀝青的延度和DRI 略有下降。與老化前的SBS 改性瀝青相比，再生SBS改性瀝青的延度有所降低。見圖3。

廢機(jī)油雖能恢復(fù)老化SBS 改性瀝青的低溫性能（延度），但恢復(fù)程度達(dá)不到原有的水平。

2.1.3 軟化點(diǎn)

隨著廢機(jī)油摻量的增加，再生SBS 改性瀝青的軟化點(diǎn)和SRI 逐漸降低。當(dāng)廢機(jī)油摻量為0～12.5%時(shí)，再生SBS 改性瀝青的軟化點(diǎn)和SRI 呈線性下降；摻量為12.5%時(shí)，再生SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)接近老化前；摻量為12.5%～15%時(shí)，再生瀝青的軟化點(diǎn)迅速下降，低于老化前。見圖4。

圖4 廢機(jī)油再生SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)和SRI

過量的廢機(jī)油會(huì)對(duì)SBS 改性瀝青的高溫性能產(chǎn)生不利影響。

2.1.4 黏度

隨著廢機(jī)油摻量的增加，再生SBS 改性瀝青的黏度和VRI 逐漸降低。當(dāng)廢機(jī)油摻量為0～12.5%時(shí)，再生SBS 改性瀝青的黏度和VRI 隨著廢機(jī)油摻量的增加而逐漸降低；摻量為12.5～15%時(shí)，再生SBS 改性瀝青黏度迅速下降，低于老化前。見圖5。

圖5 廢機(jī)油再生SBS改性瀝青的黏度和VRI

過量的廢機(jī)油會(huì)對(duì)SBS 改性瀝青的黏度產(chǎn)生不利影響。

2.1.5 小結(jié)

綜上所述，隨著廢機(jī)油摻量的增加，老化SBS 改性瀝青的物理性能逐漸恢復(fù)。當(dāng)廢機(jī)油摻量為10%～12.5%時(shí)，再生SBS 改性瀝青的性能基本可以恢復(fù)到老化前。De Dene C D[7]對(duì)廢機(jī)油組成的研究表明，廢機(jī)油能夠?yàn)槔匣癁r青補(bǔ)充輕質(zhì)組分，從而恢復(fù)老化瀝青的性能。當(dāng)廢機(jī)油摻量超過12.5%時(shí)，再生SBS 改性瀝青的軟化點(diǎn)和黏度均低于老化前，表明過量的廢機(jī)油會(huì)對(duì)SBS 改性瀝青的性能產(chǎn)生不利影響；因此，廢機(jī)油含量在10%～12.5%時(shí)，有利于老化SBS 改性瀝青的再生。

2.2 紅外光譜分析

不同摻量廢機(jī)油再生SBS 改性瀝青的紅外光譜見圖6。對(duì)圖6中出現(xiàn)的吸收峰進(jìn)行分析識(shí)別，結(jié)果見表5。

圖6 不同摻量廢機(jī)油再生SBS改性瀝青紅外光譜

表5 廢機(jī)油再生SBS改性瀝青的FTIR光譜識(shí)別

比較未摻加廢機(jī)油和摻加廢機(jī)油的瀝青紅外光譜圖發(fā)現(xiàn)，主要差別似乎在于羰基（C＝O）官能團(tuán)的存在。摻加廢機(jī)油的SBS 改性瀝青紅外光譜在羰基（C＝O）波段處的吸收峰較明顯，而不摻加廢機(jī)油的紅外光譜在羰基（C＝O）波段處的吸收峰強(qiáng)度較低或不存在。這可能是因?yàn)閺U機(jī)油在較高的使用溫度下經(jīng)歷了嚴(yán)重的氧化，因此產(chǎn)生了反映在羰基官能團(tuán)上的氧化組分。

為了對(duì)再生前后SBS 改性瀝青中特征官能團(tuán)的變化進(jìn)行定量分析，采用羰基官能團(tuán)指數(shù)（IC=O）、丁二烯官能團(tuán)指數(shù)（IC=C）、亞砜基官能團(tuán)指數(shù)（IS=O）進(jìn)行分析。

式中：AC=O為羰基吸收峰的面積；AC=C為丁二烯吸收峰的面積；AS=O為亞砜基吸收峰的面積；∑A為 各吸收峰面積之和，∑A=A2920+A2851+A1700+A1601+A1456+A1376+A1032+A967+A811+A746+A699。

依據(jù)式（5）～（7）分別計(jì)算了羰基官能團(tuán)指數(shù)（IC=O）、丁二烯官能團(tuán)指數(shù)（IC=C）、亞砜基官能團(tuán)指數(shù)（IS=O），見表6。

表6 廢機(jī)油再生SBS改性瀝青的官能團(tuán)指數(shù)

IC=O值隨著廢機(jī)油摻量的逐漸增加呈先減小后增大的趨勢，表明一定量的廢機(jī)油能夠降低SBS 改性瀝青的老化程度，但過量的廢機(jī)油會(huì)增加SBS 改性瀝青的老化程度；也證實(shí)了過量的廢機(jī)油會(huì)對(duì)SBS 改性瀝青的物理性能產(chǎn)生不利影響。IS=O值隨著廢機(jī)油摻量的增加而緩慢減小，表明摻入廢機(jī)油在一定程度上能夠降低SBS改性瀝青的氧化程度。此外，IC=C值隨著廢機(jī)油摻量增加的變化很小，表明廢機(jī)油對(duì)SBS 改性瀝青的丁二烯（C=C）影響很小。

3 結(jié)論

1）廢機(jī)油能夠降低老化SBS 改性瀝青的軟化點(diǎn)和黏度，提高針入度和延度，對(duì)老化SBS 改性瀝青有良好的再生效果。

2）過量的廢機(jī)油會(huì)對(duì)SBS 改性瀝青的物理性能產(chǎn)生不利影響。

3）當(dāng)廢機(jī)油摻量為10%～12.5%時(shí)，再生SBS 改性瀝青的性能基本接近老化前的水平。