抽油煙機(jī)廢油協(xié)同天然瀝青復(fù)合改性瀝青性能評(píng)價(jià)

張航天，羅要飛，肖應(yīng)朝，陳俊曉，孫麗娜

(鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑學(xué)院 鄭州市 450046)

0 引言

天然瀝青加入基質(zhì)瀝青中能夠有效改善其高溫性能、老化性能、剝離性能和疲勞性能[1-2]。然而采用天然瀝青對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，多數(shù)研究認(rèn)為其損害了瀝青的低溫性能[3-4]。通過添加SBS聚合物、SBR聚合物、橡膠粉或增塑劑等材料能夠一定程度上改善天然瀝青改性瀝青的低溫性能[5-7]，但這些材料多為化學(xué)合成材料，制造工藝復(fù)雜且價(jià)格相對(duì)較貴；同時(shí)一些材料還增加了改性瀝青的制備難度和黏度，因此有必要尋求一種更為低廉和便捷的方法以改善天然瀝青改性瀝青的低溫性能，以擴(kuò)大其應(yīng)用。

目前我國抽油煙機(jī)廢油的回收再利用率較低，普遍做法是選擇直接倒掉，抽油煙機(jī)廢油的附著性較強(qiáng)，難以清洗，直接倒入下水道中會(huì)堵塞管道，甚至還會(huì)對(duì)市政生活污水的處理產(chǎn)生負(fù)面影響。抽油煙機(jī)廢油的主要成分與地溝油的成分相似，輕質(zhì)組分含量高，具有軟化瀝青、降低黏度的潛能，可以改善瀝青的柔韌性。鄧?yán)ひ玔8]研究指出，地溝油用于瀝青改性是可行的，地溝油/聚合物復(fù)合改性瀝青具有較好的高溫穩(wěn)定性、良好的低溫抗裂性和抗疲勞性能。然而，目前尚沒有抽油煙機(jī)廢油在瀝青中應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道，顯然不利于抽煙機(jī)廢油的回收利用。

因此，基于抽油煙機(jī)廢油在瀝青中應(yīng)用的考慮，嘗試將抽油煙機(jī)廢油與天然瀝青復(fù)合進(jìn)行改性，通過分析抽油煙機(jī)廢油摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響，推薦復(fù)合改性瀝青中抽油煙機(jī)廢油的合理摻加比例；同時(shí)驗(yàn)證復(fù)合改性瀝青的抗老化性能、黏附性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性等，說明廢油摻加對(duì)天然瀝青改性瀝青其他性能的影響變化。

1 材料與制備工藝

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青選擇重交-70#瀝青，基本指標(biāo)為：針入度(25℃，100g，5s)為75.5(0.1mm)、軟化點(diǎn)為45.5℃、15℃延度(5cm/min)為74.2cm、135℃粘度為0.506 Pa·s。

天然瀝青采用布敦巖瀝青，添加于基質(zhì)瀝青中可改善其相關(guān)性能，技術(shù)指標(biāo)如表1所示，布敦巖瀝青摻量選擇為10%和20%。

表1 布敦巖瀝青技術(shù)指標(biāo)

抽油機(jī)廢油從不同家庭收集后，經(jīng)過濾、等比例混合、烘箱保溫等處理后方可使用，抽油煙機(jī)廢油的添加量為0～6%。圖1為抽油機(jī)廢油的處理過程。

圖1 抽油煙機(jī)廢油的處理過程

1.2 制備工藝

根據(jù)研究成果及實(shí)驗(yàn)室前期工作，確定抽油煙機(jī)廢油/天然瀝青復(fù)合改性瀝青的制備工藝，具體流程如下：

(1)將70#基質(zhì)瀝青加熱到145～160℃后，緩慢添加稱量好的布敦巖瀝青，并用電動(dòng)攪拌器低速攪拌，直至巖瀝青添加完畢。

(2)采用高速剪切機(jī)以3000r/min轉(zhuǎn)速至少攪拌30min，直至改性瀝青中無顆粒感并穩(wěn)定融合，取少量制備好的改性瀝青測定其基本指標(biāo)。

(3)天然改性瀝青中分別添加2%～6%的抽煙機(jī)廢油，高速剪切機(jī)轉(zhuǎn)速維持在3000r/min進(jìn)行制備復(fù)合改性瀝青，剪切時(shí)間為30～40min。

(4)將制備好的復(fù)合改性瀝青置于145～155℃的烘箱中發(fā)育，時(shí)間不少于30min，待達(dá)到時(shí)間后按要求測定其基本指標(biāo)。

2 抽油煙機(jī)廢油摻量優(yōu)化研究

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)提供的方法測定復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)、針入度、延度和粘度指標(biāo)，分析抽油煙機(jī)廢油摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)的影響。

2.1 抽油煙機(jī)廢油摻量對(duì)天然瀝青改性瀝青(10%)性能的影響

不同抽油煙機(jī)廢油摻量下復(fù)合改性瀝青性能測試結(jié)果如表2所示，其中布敦巖瀝青摻量為10%。

表2 復(fù)合改性瀝青性能指標(biāo)變化

由表2可知：

(1)隨著抽油煙機(jī)廢油摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的高溫性能和黏度值逐漸降低，其中廢油摻量超過2.0%后，復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)低于基質(zhì)瀝青，這說明天然瀝青改性瀝青中添加抽油煙機(jī)廢油也并非越多越好，高溫黏度值的下降導(dǎo)致復(fù)合改性瀝青的施工拌和與攤鋪溫度降低。

(2)復(fù)合改性瀝青低溫性能指標(biāo)隨著抽油煙機(jī)廢油摻量的增加而逐漸增大，分別增加178%、226%和241%，這意味天然瀝青改性瀝青添加廢油后，低溫性能得到明顯改善，能夠擴(kuò)展其應(yīng)用范圍和環(huán)境。

2.2 抽油煙機(jī)廢油摻量對(duì)天然瀝青改性瀝青(20%)性能的影響

不同抽油煙機(jī)廢油摻量下復(fù)合改性瀝青性能測試結(jié)果如表3所示，其中布敦巖瀝青摻量為20%。

表3 復(fù)合改性瀝青(巖瀝青摻量20%)性能測試結(jié)果

從表3中看出：

(1)天然瀝青改性瀝青高溫性能隨著抽煙機(jī)廢油摻量的增加而逐漸降低，只不過降低的幅度逐漸減小，當(dāng)抽煙機(jī)廢油摻量超過4%后，復(fù)合改性瀝青的高溫性能低于70#基質(zhì)瀝青。

(2)隨著抽煙機(jī)廢油摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的高溫黏度值逐漸降低，這意味著混合料的拌和、攤鋪溫度可適當(dāng)下降，混合料的和易性得到改善。

(3)抽煙機(jī)廢油協(xié)同天然瀝青改性瀝青，其低溫性能隨著廢油摻量的增加而得到改善，說明該瀝青可應(yīng)用于冬季氣溫較低的地區(qū)，擴(kuò)展了應(yīng)用環(huán)境。

根據(jù)抽油煙機(jī)廢油對(duì)不同布敦巖瀝青改性瀝青的性能影響分析，建議天然瀝青改性瀝青中布敦巖瀝青的摻量為10%時(shí)，抽油煙機(jī)廢油的摻量不高于2%；布敦巖瀝青摻量為20%時(shí)，抽油煙機(jī)廢油協(xié)同天然瀝青改性瀝青，抽油煙機(jī)廢油摻量建議不超過4%。

3 抽油煙機(jī)廢油協(xié)同天然瀝青復(fù)合改性瀝青相關(guān)性能驗(yàn)證

基于更好認(rèn)識(shí)抽油煙機(jī)廢油對(duì)天然瀝青改性瀝青性能影響的考慮，采用規(guī)范推薦的方法評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的抗老化性能、粘附性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性等。布敦巖瀝青摻量為10%和20%，抽油煙機(jī)廢油摻量統(tǒng)一為2%。

3.1 抗老化性能評(píng)價(jià)

瀝青結(jié)合料老化性能模擬采用JTG E20—2011中的瀝青薄膜加熱試驗(yàn)(T 069-2011)進(jìn)行，不同類型瀝青的抗老化性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同瀝青抗老化性能評(píng)價(jià)

由表4可知：

(1)基質(zhì)瀝青中添加不同摻量的布敦巖瀝青，可一定程度上改善瀝青結(jié)合料的抗老化性能，天然巖瀝青摻量越大、抗老化性能相對(duì)越好，這是因?yàn)樘烊粠r瀝青吸附了基質(zhì)瀝青中的輕質(zhì)組分，導(dǎo)致瀝青在加熱過程中組分不易揮發(fā)。

(2)抽油煙機(jī)廢油添加到天然瀝青改性瀝青中，一定程度上降低了改性瀝青的抗老化性能，原因?yàn)槌橛蜔煓C(jī)廢油為輕質(zhì)組分，在長期高溫狀態(tài)下容易揮發(fā)；但老化后復(fù)合改性瀝青的低溫性能優(yōu)于天然瀝青改性瀝青，當(dāng)布敦巖瀝青摻量為20%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的抗老化性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青，這說明只要布敦巖瀝青摻量合適，復(fù)合改性瀝青仍具有較好的抗老化性能。

3.2 粘附性能評(píng)價(jià)

考慮到當(dāng)前規(guī)范中提供的瀝青與集料粘附性能評(píng)價(jià)方法——水煮法存在的種種缺陷，該部分借助水煮法改進(jìn)試驗(yàn)，開展不同瀝青與集料粘附性定量評(píng)價(jià)工作，以盡量減小路面水損病害發(fā)生的幾率。瀝青與集料粘附性能評(píng)價(jià)采用水煮法改進(jìn)試驗(yàn)的結(jié)果與采用表面能方法、數(shù)字圖像技術(shù)得到的結(jié)論具有一致性。水煮法改進(jìn)試驗(yàn)操作流程如圖2所示，裹覆瀝青結(jié)合料的集料浸煮時(shí)間確定為6min，集料選擇石灰?guī)r、粒徑大小為13.2～16.0mm。浸煮后集料表面瀝青剝落率計(jì)算結(jié)果如表5所示。

圖2 水煮法改進(jìn)試驗(yàn)測試步驟

表5 浸煮6min后集料表面瀝青剝落率結(jié)果

從表5中看出：

(1)基質(zhì)瀝青與布敦巖瀝青共混，可明顯改善瀝青結(jié)合料的粘附性，且改善效果與巖瀝青摻量呈比例關(guān)系，這是因?yàn)椴级貛r瀝青的摻加提高了結(jié)合料的粘度，導(dǎo)致集料與瀝青結(jié)合料的粘結(jié)強(qiáng)度增加，因此在水煮狀態(tài)下不易發(fā)生瀝青的脫落現(xiàn)象。

(2)抽油煙機(jī)廢油協(xié)同天然瀝青復(fù)合改性瀝青，粘附性能得到相應(yīng)的改善，雖然廢油為輕質(zhì)組分，可降低改性瀝青的粘度，但抽油煙機(jī)廢油具有較強(qiáng)的附著性，故與改性瀝青共混后，能夠在一定程度上提高復(fù)合改性瀝青與集料的粘附性能。

3.3 儲(chǔ)存穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

儲(chǔ)存穩(wěn)定性的好壞直接影響著改性瀝青的使用品質(zhì)及優(yōu)良性能的正常發(fā)揮，該部分借鑒JTG E20—2011中聚合物改性瀝青離析試驗(yàn)方法對(duì)不同改性瀝青進(jìn)行儲(chǔ)存穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，說明抽煙機(jī)廢油的添加對(duì)天然瀝青改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性的影響。不同瀝青結(jié)合料儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同瀝青結(jié)合料儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

從表6中看出：

(1)基質(zhì)瀝青與天然瀝青共混，導(dǎo)致瀝青結(jié)合料的儲(chǔ)存穩(wěn)定性變差，且摻量越大鋁管上下軟化點(diǎn)差異越明顯，原因?yàn)椴级貛r瀝青中含有大量的無機(jī)物顆粒，導(dǎo)致其與基質(zhì)瀝青的相容性較差，說明天然瀝青改性瀝青制備完成后需要盡快使用，不宜長時(shí)間存儲(chǔ)。

(2)天然瀝青改性瀝青中添加抽油煙機(jī)廢油，能夠改善其儲(chǔ)存穩(wěn)定性，對(duì)于高摻量巖瀝青的復(fù)合改性瀝青儲(chǔ)存穩(wěn)定性仍劣于低摻量巖瀝青的復(fù)合改性瀝青，抽油煙機(jī)廢油的添加降低了復(fù)合改性瀝青中巖瀝青與基質(zhì)瀝青的密度差，因此復(fù)合改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性得到提高。

4 結(jié)論

(1)不同劑量的天然瀝青改性瀝青中抽煙機(jī)廢油的合理摻量存在差異，對(duì)于布敦巖瀝青摻量為10%的改性瀝青，建議抽煙機(jī)廢油的摻量不高于2%；對(duì)于布敦巖瀝青摻量為20%的改性瀝青，抽油煙機(jī)廢油的摻量建議不超過4%。

(2)抽油煙機(jī)廢油摻量在0～6%范圍變化時(shí)，天然瀝青改性瀝青的高溫性能和粘度值逐漸降低，而低溫抗裂性能逐漸提高，對(duì)比基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)，抽油煙機(jī)廢油劑量存在合理的取值范圍。

(3)抽油煙機(jī)廢油與天然瀝青改性瀝青共混，一定程度上降低了改性瀝青的抗老化性能，但當(dāng)布敦巖瀝青摻量為20%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的抗老化性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青，而其粘附性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性均得到提高。