廢食用油瀝青再生劑制備及性能研究

【摘要：】為解決傳統(tǒng)石化油基再生劑價(jià)格高昂且性能不穩(wěn)定的問(wèn)題，文章提出以廢食用油為基礎(chǔ)油分制備一種新型再生劑，并采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)、多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)及彎曲梁流變?cè)囼?yàn)分析了該再生劑對(duì)老化瀝青的還原效果。結(jié)果表明：該再生劑黏度較低、閃點(diǎn)較高、短期老化前后黏度比與質(zhì)量變化小，具備良好的流變性、施工安全性與抗老化性。

【關(guān)鍵詞：】廢食用油;再生劑;動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn);多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn);彎曲梁流變?cè)囼?yàn)

U416.03A110353

0 引言

隨著我國(guó)“十四五”規(guī)劃的發(fā)布，資源循環(huán)利用再次成為公路行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)與熱點(diǎn)。瀝青路面作為我國(guó)高等級(jí)公路的主要結(jié)構(gòu)形式，具有廣闊的再生利用空間。目前，瀝青路面再生方式分為廠拌熱再生、就地?zé)嵩偕S拌冷再生、就地冷再生和全深式冷再生[1]。其中，前兩種可以統(tǒng)稱為瀝青路面熱再生，其能夠充分利用廢舊瀝青混合料、減少環(huán)境污染、降低養(yǎng)護(hù)造價(jià)、恢復(fù)路面使用性能，因而成為道路學(xué)者研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。

根據(jù)目前的研究成果與應(yīng)用現(xiàn)狀可知，影響瀝青路面熱再生施工質(zhì)量的關(guān)鍵之一在于再生劑的質(zhì)量。傳統(tǒng)的再生劑多以石化油作為基礎(chǔ)油分，但相關(guān)研究表明此類型再生劑再生效率低、性能不穩(wěn)定且價(jià)格昂貴[2-3]，在一定程度上制約了熱再生技術(shù)的推廣應(yīng)用。近年來(lái)，已有學(xué)者先后以工業(yè)廢油、新鮮植物油等為主要成分研制出新型再生劑[4-5]，結(jié)果表明，不同再生劑對(duì)瀝青的再生效果不盡相同，瀝青路面再生劑研發(fā)仍需深入探索。

基于此，本文以廢食用油為再生劑主要成分，摻入增塑劑與抗老化劑復(fù)配制得一種新型再生劑。采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)、多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)及彎曲梁流變?cè)囼?yàn)分析了該再生劑對(duì)老化瀝青性能的影響規(guī)律，研究方法與結(jié)果對(duì)于該再生劑的推廣應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 RAP

采用阿布森法從某高速公路瀝青混合料回收料（RAP）中抽提老化瀝青，并對(duì)其相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。由表1可以看到，RAP中所含瀝青的針入度、延度較低，導(dǎo)致RAP極易發(fā)生低溫開(kāi)裂，因此通常添加再生劑以補(bǔ)充RAP瀝青缺失的輕質(zhì)油分。

1.1.2 再生劑

將購(gòu)置的廢食用油進(jìn)行過(guò)濾與脫水處理后與90#基質(zhì)瀝青在120 ℃條件下攪拌均勻，然后添加一定比例的增塑劑與抗老化劑，維持溫度并以400 r/min的速度剪切30 min至形成均勻液體，即得到一種新型再生劑。按照《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》（JTG T 5521-2019）對(duì)其相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果列于表2。表2中的60 ℃黏度、閃點(diǎn)、短期老化前后黏度比與質(zhì)量變化分別反映了再生劑的流變性、安全性與抗老化性。結(jié)果顯示，該再生劑黏度較低，能夠較容易地軟化老化瀝青并充分融合;閃點(diǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范要求的220 ℃，對(duì)于提高施工全過(guò)程的安全性是極為有利的。同時(shí)，該再生劑短期老化前后的黏度比與質(zhì)量變化很小，表明該再生劑具備優(yōu)秀的抗老化性能，彌補(bǔ)了老化瀝青的不足之處。

1.2 試驗(yàn)方法

將該再生劑分別以0、9%、12%、15%摻量添加到從RAP抽提出的老化瀝青中，并采用動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)（DSR）、多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)（MSCR）、彎曲梁流變?cè)囼?yàn)（BBR）分別評(píng)價(jià)其路用性能。

1.2.1 DSR試驗(yàn)

DSR試驗(yàn)通過(guò)對(duì)瀝青施加正弦荷載獲得其抗剪能力，本文試驗(yàn)條件為：試驗(yàn)溫度52 ℃～76 ℃（間隔6 ℃），加載頻率10 rad/s，應(yīng)變水平12%。

廢食用油瀝青再生劑制備及性能研究/陳蜀靜

1.2.2 MSCR試驗(yàn)

MSCR試驗(yàn)分別在0.1 kPa和3.2 kPa的應(yīng)力水平下對(duì)瀝青進(jìn)行10次蠕變恢復(fù)測(cè)試，一次蠕變恢復(fù)測(cè)試包括1 s蠕變和9 s恢復(fù)，試驗(yàn)溫度為64 ℃和70 ℃。

1.2.3 BBR試驗(yàn)

BBR試驗(yàn)本質(zhì)為瀝青蠕變現(xiàn)象，本文試驗(yàn)條件為：試驗(yàn)溫度-12 ℃～-24 ℃（間隔-6 ℃），跨中恒載980 mN持續(xù)240 s，卸載10 s。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 DSR試驗(yàn)

DSR試驗(yàn)通過(guò)計(jì)算可以獲得瀝青復(fù)數(shù)剪切模量G*與相位角δ兩個(gè)粘彈性參數(shù)，美國(guó)SHRP規(guī)范采用車轍因子G*/sinδ評(píng)判瀝青高溫性能等級(jí)，并要求G*/sinδ≥1.0 kPa。本文研究不同溫度及再生劑摻量下再生瀝青的車轍因子如圖1所示。由圖1可知，隨著溫度的增加，再生瀝青車轍因子降低，這主要是由于瀝青作為一種粘彈性材料，具有顯著的感溫性。另外，隨著再生劑摻量的增加，再生瀝青車轍因子同樣降低，這是因?yàn)樵偕鷦┑膿饺胙a(bǔ)充了老化瀝青的輕質(zhì)成分，提高了老化瀝青的黏性比例，瀝青的高溫抗變形能力減弱。根據(jù)SHRP規(guī)范分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)再生劑摻量為9%～15%時(shí)，再生瀝青高溫等級(jí)為PG70～PG64，原老化瀝青高溫等級(jí)為PG76，摻入再生劑后瀝青高溫性能降低1～2個(gè)等級(jí)，表明該再生劑的摻量不宜過(guò)高，否則會(huì)顯著降低瀝青高溫抗車轍能力。

2.2 MSCR試驗(yàn)

圖2為瀝青典型蠕變-恢復(fù)曲線的示意圖。根據(jù)加載與卸載過(guò)程中的應(yīng)變變化，可以通過(guò)式（1）和式（2）計(jì)算得到每個(gè)應(yīng)力水平及加載周期內(nèi)再生瀝青蠕變恢復(fù)率R和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr。將不同應(yīng)力水平下Jnr進(jìn)行對(duì)比，可以得到應(yīng)力敏感性指標(biāo)Jnr-diff如式（3）所示。

R（σ，N）=εc（N）-εr（N）εc（N）-ε0（N）×100%（1）

Jnr（σ，N）=εr（N）-ε0（N）σ（2）

Jnr-diff=Jnr，3.2-Jnr，0.1Jnr，0.1×100%（3）

式中：σ——應(yīng)力水平（0.1 kPa和3.2 kPa）;

ε0（N）——每個(gè)加載周期的初始應(yīng)變;

εc（N）——每個(gè)加載周期蠕變部分的應(yīng)變;

εr（N）——每個(gè)加載周期恢復(fù)部分的應(yīng)變;

N——加載次數(shù)。

蠕變恢復(fù)率R表征了瀝青的延遲彈性，R越大表明在恢復(fù)期的變形恢復(fù)越大，瀝青的高溫穩(wěn)定性越好[6]。兩種應(yīng)力水平下再生瀝青蠕變恢復(fù)率R計(jì)算結(jié)果如圖3（a）和（b）所示。由圖3可知，再生瀝青的R0.1與R3.2均隨再生劑摻量的增加而降低，與溫度的關(guān)系也是如此。這說(shuō)明摻入再生劑與升高溫度對(duì)瀝青粘彈性質(zhì)的影響是一致的，即均提高了瀝青的黏性比例。

不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr反映了瀝青抗永久變形能力，Jnr越小表明瀝青抗車轍變形能力越強(qiáng)[6]。兩種應(yīng)力水平下不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr計(jì)算結(jié)果如圖4（a）和（b）所示?？梢杂^察到，瀝青Jnr0.1與Jnr3.2均隨著再生劑摻量的增加而增加，但增加的幅度逐漸減小，這說(shuō)明在一定摻量范圍內(nèi)該再生劑對(duì)瀝青高溫穩(wěn)定性的削弱是有限的。圖4（c）顯示了再生瀝青不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃繎?yīng)力敏感性指標(biāo)Jnr-diff，Jnr-diff越大表明其對(duì)應(yīng)力水平越敏感。加入該再生劑后，瀝青Jnr-diff值降低約10%～20%，表明該再生劑的摻入降低了瀝青對(duì)應(yīng)力的敏感性，但Jnr-diff與再生劑摻量并未顯現(xiàn)出一定的數(shù)量關(guān)系。這可能是由于再生瀝青受應(yīng)力、溫度與再生劑的耦合影響，其線性與非線性臨界狀態(tài)并不一致，故而導(dǎo)致在不同條件下瀝青應(yīng)力敏感性出現(xiàn)差別。

2.3 BBR試驗(yàn)

BBR試驗(yàn)可以獲得瀝青小梁跨中撓度隨時(shí)間的變化關(guān)系，通過(guò)式（4）～（6）可以計(jì)算得到任意時(shí)刻瀝青勁度模量S（t）與蠕變速率變化率m（t）。

S（t）=PL34bh3δ（t）（4）

lgS（t）=A+B（lgt）+C（lgt）2（5）

m（t）=dlgS（t）dlgt=B+2Clgt（6）

式中：P——恒荷載（N）;

L——小梁跨度（mm）;

b——小梁寬度（mm）;

h——小梁高度（mm）;

δ——小梁撓度（mm）;

t——加載時(shí)間（s）;

A、B、C——擬合參數(shù)。

不同溫度及再生劑摻量下再生瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果如后頁(yè)圖5所示。SHRP規(guī)范中采用60 s時(shí)小梁彎曲勁度模量S及蠕變速率變化率m評(píng)價(jià)瀝青低溫性能，并要求S≤300 MPa且m≥0.3。由圖5（a）和（b）可知，隨著溫度的降低，再生瀝青勁度模量增加而蠕變速率變化率降低;隨著再生劑摻量的增加，再生瀝青勁度模量降低而蠕變速率變化率升高。當(dāng)再生劑摻量為9%～15%時(shí)，再生瀝青低溫等級(jí)均為PG28，而原老化瀝青低溫等級(jí)為PG16，該再生劑使老化瀝青低溫性能提升了2個(gè)等級(jí)，解決了瀝青路面在長(zhǎng)期老化作用下容易產(chǎn)生低溫開(kāi)裂的問(wèn)題。綜合考慮瀝青高低溫性能及經(jīng)濟(jì)性，建議該再生劑摻量控制在9%～12%。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以廢食用油為再生劑主要成分，摻入增塑劑與抗老化劑復(fù)配制得一種新型再生劑，通過(guò)試驗(yàn)研究得到以下結(jié)論：

（1）該再生劑黏度較低，閃點(diǎn)較高，短期老化前后黏度比與質(zhì)量變化小，具備良好的流變性、施工安全性與抗老化性。

（2）隨著再生劑摻量的增加，瀝青車轍因子與蠕變恢復(fù)率R降低，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr升高，應(yīng)力敏感性Jnr-diff降低，瀝青高溫抗車轍變形能力減弱，當(dāng)再生劑摻量為9%～12%時(shí)，瀝青高溫性能降低1～2個(gè)等級(jí)。

（3）隨著再生劑摻量的增加，瀝青低溫勁度模量減小而蠕變速率變化率增加，瀝青低溫抗裂性得到顯著增強(qiáng)，當(dāng)再生劑摻量為9%～12%時(shí)，瀝青低溫性能提升2個(gè)等級(jí)。

（4）以廢食用油為基礎(chǔ)油分制備瀝青熱再生劑具備可行性，綜合考慮瀝青高低溫路用性能及經(jīng)濟(jì)性，建議該再生劑摻量為9%～12%。

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