復(fù)配廢油再生劑的再生瀝青性能研究

孫吉書，王為揚(yáng)，張洪峰，于克揚(yáng)

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.天津高速公路集團(tuán)有限公司，天津 300384)

從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的角度分析對廢舊瀝青混合料的二次利用是十分必要的[1]。在廢舊道路改建時(shí)，再生劑可與老化瀝青相互融合,并有效補(bǔ)充其輕質(zhì)組分，保證再生瀝青道路的路用性能[2-5]。廢機(jī)油和廢植物油均可改善老化瀝青的基本物理性能、高低溫流變性能，有效改善老化瀝青中羰基、亞砜基的含量[6-12]。

本文將廢食用油與廢機(jī)油作為基礎(chǔ)油分，復(fù)配一種新型瀝青再生劑，研究復(fù)配廢油再生劑的再生瀝青的三大指標(biāo)、高溫流變性能和微觀結(jié)構(gòu)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

倫特70#瀝青(基質(zhì)瀝青)；通過JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱實(shí)驗(yàn)(RTFOT)制備老化瀝青[13],兩種瀝青的基本性能見表1；廢機(jī)油由天津某汽車維修店回收；廢食用油，天津某餐飲機(jī)構(gòu)回收的大豆油，兩種廢油均先經(jīng)過2 μm的微孔濾膜進(jìn)行過濾，再經(jīng)過加熱除水處理；增塑劑環(huán)氧大豆油(ESO)，常溫下為淺黃色粘稠油狀液體，主要技術(shù)指標(biāo)見表2；增粘樹脂C9石油樹脂，為黃色顆粒狀固體，主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

表1 基質(zhì)及老化瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical index of matrix asphalt and aged asphalt

表2 ESO主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indexes of ESO

指標(biāo)軟化點(diǎn)(環(huán)球法)/℃色號(加氏法)酸值/(mg KOH·g-1)灰分/%比重/(g·cm-3)參數(shù)1207～11#1.00.11.07～1.09

FJ300-SH數(shù)顯高速分散均質(zhì)機(jī)；SYD-2801E 針入度儀；SYD-2806E 全自動瀝青軟化點(diǎn)實(shí)驗(yàn)器；SY-1.5B 自動恒溫?cái)?shù)顯瀝青延伸儀；85型旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱；MCR-102型動態(tài)剪切流變儀；TENSOR 27傅里葉變換紅外光譜儀。

1.2 復(fù)配廢油再生劑的制備

通過前期的研究，擬定復(fù)配廢油再生劑各組分比例，廢機(jī)油∶廢食用油∶環(huán)氧大豆油∶C9石油樹脂為15∶20∶10∶3。將廢機(jī)油、廢食用油和環(huán)氧大豆油在常溫下攪拌5 min，得到廢油混合物。將廢油進(jìn)行加熱控制溫度為(135±5) ℃，加入C9石油樹脂，采用高速剪切儀，轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，剪切20 min，制備復(fù)配廢油再生劑，基本性能見表4。

表4 復(fù)配廢油再生劑基本性能Table 4 Basic properties of compound waste oil

1.3 再生瀝青的制備

按照老化瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)的4%摻入復(fù)配廢油再生劑，按照規(guī)范[13]制備再生瀝青。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)配廢油再生劑的最佳摻量

將復(fù)配廢油再生劑按照老化瀝青質(zhì)量的0%，1%，2%，3%，4%，5%，6%，加入到老化瀝青當(dāng)中，使用高速剪切儀，調(diào)整其速率為3 000 r/min，控制溫度為(135±5) ℃的，剪切20 min，制備老化瀝青。進(jìn)行三大指標(biāo)和黏度實(shí)驗(yàn)，評價(jià)老化瀝青物理性能的恢復(fù)情況，以確定最佳的復(fù)配廢油再生劑摻量。

2.1.1 針入度 廢油再生劑摻入比例對老化瀝青針入度的影響見圖1。

圖1 再生瀝青針入度Fig.1 Penetration of recycled asphalt

由圖1可知，復(fù)配廢油再生劑中的大量的輕質(zhì)組分可補(bǔ)充老化瀝青中損失的輕質(zhì)組分，老化瀝青的針入度隨著復(fù)配廢油再生劑的加入而增大。當(dāng)復(fù)配廢油再生劑以老化瀝青的6%摻入時(shí)，針入度升高明顯，并為基質(zhì)瀝青的106.9%；而當(dāng)復(fù)配廢油再生劑以老化瀝青的5%摻入其中時(shí)，針入度基本得以還原，恢復(fù)至基質(zhì)瀝青的97.4%，且再生瀝青的硬度高于基質(zhì)瀝青。故從再生瀝青的針入度角度考慮，復(fù)配廢油再生劑的摻量為5%時(shí)其性能較佳。

2.1.2 軟化點(diǎn) 軟化點(diǎn)是表征瀝青高溫穩(wěn)定性的指標(biāo)。由圖2可知，老化瀝青的軟化點(diǎn)明顯高于不同摻量下的再生瀝青和基質(zhì)瀝青。當(dāng)復(fù)配廢油再生劑的摻加量為6%時(shí)，再生瀝青的軟化點(diǎn)為48.2 ℃，高于瀝青的技術(shù)水平要求，但低于基質(zhì)瀝青。而當(dāng)復(fù)配廢油再生劑以老化瀝青的5%摻入其中時(shí)，基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)和再生瀝青的軟化點(diǎn)相差0.4 ℃。故從再生瀝青的軟化點(diǎn)角度考慮，復(fù)配廢油再生劑的摻量為5%時(shí)其性能較佳。

圖2 再生瀝青軟化點(diǎn)Fig.2 Softening of recycled asphalt

2.1.3 延度 延度的大小決定瀝青材料低溫抗裂能力和延性。由圖3可知，瀝青的老化作用會極大降低瀝青的延性。而再生瀝青的延度隨著廢油再生劑摻量增加而增大。當(dāng)復(fù)配廢油再生劑摻量為5%時(shí)，再生瀝青的延度得以恢復(fù)，這表明該摻量下的再生瀝青的低溫抗裂能力已經(jīng)滿足基質(zhì)瀝青的低溫性能，而當(dāng)摻量為4%時(shí)，復(fù)配廢油再生瀝青延度低于基質(zhì)瀝青，但為其92%，這是因?yàn)閺?fù)配廢油再生劑中廢植物油存在脂肪烴的結(jié)構(gòu)分子有利于老化瀝青的硬度得以軟化，可以更好恢復(fù)老化瀝青的延性[14]。而復(fù)配廢油再生劑中含有性能良好的增塑劑環(huán)氧大豆油，可以有效的恢復(fù)老化瀝青的低溫延性。

圖3 再生瀝青延度Fig.3 Ductility of recycled asphalt

2.1.4 黏度 135 ℃表觀黏度可以表征瀝青在施工過程中的內(nèi)部摩擦情況，圖4為不同再生程度下瀝青的135 ℃布式黏度。

圖4 再生瀝青黏度Fig.4 Viscosity of recycled asphalt

由圖4可知，瀝青經(jīng)過老化作用，導(dǎo)致瀝青成分中的芳香分向?yàn)r青質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，老化瀝青的黏度因受重質(zhì)組分的累積而明顯增大，為基質(zhì)瀝青的189.87%。隨著復(fù)配廢油再生劑的加入，老化瀝青的黏度顯著降低，流動性得到有效恢復(fù)。表明廢油再生劑可以改變老化瀝青的黏度，這是因?yàn)閺?fù)配廢油再生劑恢復(fù)了瀝青老化所損失的輕質(zhì)組分，改善了老化瀝青中的黏彈性組成，減小彈性成分。然而，即使復(fù)配廢油再生劑摻量為6%時(shí)，黏度仍高于基質(zhì)瀝青。

通過從再生瀝青的三大指標(biāo)和黏度分析，當(dāng)復(fù)配廢油再生劑摻量為5%時(shí)，再生瀝青的三大指標(biāo)得以還原，當(dāng)復(fù)配廢油再生劑摻加量為6%時(shí)，再生瀝青的黏度改善明顯，但仍高于基質(zhì)瀝青。因此確定復(fù)配廢油再生劑采用老化瀝青質(zhì)量的5%時(shí)為最佳摻量。

2.2 再生瀝青的高溫流變性能

瀝青經(jīng)過老化、摻加復(fù)配廢油再生劑后，其性質(zhì)與基質(zhì)瀝青不再相同。采用車轍因子[G*sin-1δ]不可回復(fù)蠕變?nèi)崃?MSCR)Jnr兩個(gè)指標(biāo)對再生瀝青的高溫性能進(jìn)行評價(jià)。其中溫度掃描區(qū)間為46～76 ℃，應(yīng)變控制12%，頻率為10 rad/s。MSCR實(shí)驗(yàn)采用58 ℃和64 ℃兩種實(shí)驗(yàn)溫度，應(yīng)力水平采用0.1 kPa和3.2 kPa，加載1 s，卸載9 s，循環(huán)10次。

2.2.1 復(fù)數(shù)模量 復(fù)數(shù)模量G*的大小直接決定了瀝青的高溫性能。由圖5可知，老化瀝青G*相對于基質(zhì)瀝青提升了160.89%。這是因?yàn)闉r青受到老化作用后，瀝青組分中各組分比例發(fā)生改變，從而導(dǎo)致瀝青材料變硬，因此老化作用在一定的程度上提高瀝青材料抵抗剪切變形能力和高溫抗車轍能力。復(fù)配廢油再生劑的摻量為6%的再生瀝青，其復(fù)數(shù)模量為4組瀝青中的最低值，當(dāng)摻量為5%時(shí)，再生瀝青的G*低于老化瀝青但高于基質(zhì)瀝青，表明復(fù)配廢油再生劑可以改變老化瀝青中的組分組成，從而改善其膠體結(jié)構(gòu)。所以，當(dāng)采用5%摻量復(fù)配廢油再生劑的再生瀝青高溫穩(wěn)定性能高于基質(zhì)瀝青。

圖5 瀝青復(fù)數(shù)模量-溫度Fig.5 Complex modulus-temperature of asphalt

2.2.2 相位角 相位角δ的大小，直接決定了瀝青材料中黏性成分的多少，表征其抵抗永久變形的能力。圖6是老化瀝青、基質(zhì)瀝青、5%復(fù)配廢油再生劑的再生瀝青、6%復(fù)配廢油再生劑的再生瀝青相位角-溫度圖。

圖6 瀝青相位角-溫度Fig.6 Phase angle-temperature of asphalt

由圖6可知，由于老化瀝青中粘彈性成分發(fā)生改變，導(dǎo)致相位角為四組瀝青中的最低值，表明老化作用可以調(diào)高瀝青的抵抗變形能力。相位角大小排序?yàn)榛|(zhì)瀝青>6%再生瀝青>5%再生瀝青>老化瀝青，老化瀝青的粘彈性組分的比例隨著復(fù)配廢油再生劑的摻加得以改善，再生瀝青的黏彈性能基本得以還原，但是復(fù)配廢油再生劑再生瀝青的高溫性能仍高于基質(zhì)瀝青。

2.2.3 車轍因子 以G*sin-1δ表示車轍因子。由圖7可知，老化瀝青的車轍因子明顯高于其他三組瀝青，車轍因子大小排序?yàn)槔匣癁r青>5%再生瀝青>基質(zhì)瀝青>6%再生瀝青，可知，隨著復(fù)配廢油再生劑的加入，車轍因子降低。復(fù)配廢油再生劑中的烷烴和環(huán)烷烴等組分改變了老化瀝青中的各部分組分，老化瀝青中的黏性成分提高，彈性成分降低。復(fù)配廢油再生劑的加入，對再生瀝青的高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生了不利影響。而5%的復(fù)配廢油再生劑的再生瀝青的車轍因子僅低于老化瀝青，高于另外兩組數(shù)值。

圖7 瀝青車轍因子-溫度Fig.7 Rutting factor-temperature of asphalt

2.2.4 多應(yīng)力蠕變回復(fù)(MSCR)實(shí)驗(yàn) 圖8、圖9分別為樣品在58，64 ℃，0.1，3.2 kPa的應(yīng)力作用下的累積應(yīng)變曲線。

圖8 瀝青58 ℃ MSCR實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 The result of asphalt MSCR test at 58 ℃

圖9 瀝青64 ℃ MSCR實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 The result of asphalt MSCR test at 64 ℃

由圖8，圖9可知，瀝青抵抗剪切變形能力與瀝青的老化程度成正相關(guān)。兩種實(shí)驗(yàn)溫度下的4組瀝青的累計(jì)變形大小順序?yàn)?%再生瀝青>基質(zhì)瀝青>5%再生瀝青>老化瀝青。復(fù)配廢油再生劑摻量為6%的再生瀝青抗變形能力低于摻量為5%的再生瀝青，說明復(fù)配廢油再生劑的加入改變了老化瀝青的抗變形能力。

通過MSCR實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出在0.1，3.2 kPa應(yīng)力下瀝青材料的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr，見圖10、圖11。

圖10 瀝青58 ℃ JnrFig.10 Asphalt of Jnr at 58 ℃

由圖10、圖11可知，在58 ℃時(shí)，在0.1 kPa和3.2 kPa的應(yīng)力作用下，老化瀝青的Jnr明顯低于基質(zhì)瀝青的Jnr。5%再生瀝青的Jnr為基質(zhì)瀝青的83.68%，84.22%。6%的再生瀝青Jnr為基質(zhì)瀝青的127.54%，130.48%。而在64 ℃下，5%再生瀝青的Jnr為基質(zhì)瀝青的84.89%，80.71%，6%的再生瀝青為基質(zhì)瀝青的112.19%，114.46%。瀝青材料因?yàn)槔匣鴮?dǎo)致Jnr數(shù)值降低，而復(fù)配廢油再生劑的加入，再生瀝青材料的Jnr數(shù)值得以提高，當(dāng)5%的復(fù)配廢油再生劑的再生瀝青在兩種不同溫度和應(yīng)力的條件下較基質(zhì)瀝青有更好的高溫穩(wěn)定性能，而當(dāng)摻量為6%的再生瀝青高溫穩(wěn)定性能低于基質(zhì)瀝青。

圖11 瀝青64 ℃ JnrFig.11 Asphalt of Jnr at 64 ℃

綜上所述，對于采用車轍因子G*sin-1δ和不可回復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr均可很好表征復(fù)配廢油再生劑的再生瀝青高溫流變性能。MSCR實(shí)驗(yàn)和車轍因子均可用于評價(jià)復(fù)配廢油再生劑的再生瀝青的高溫性能。通過上述實(shí)驗(yàn)，從瀝青高溫穩(wěn)定性的角度分析，5%的摻量下的再生瀝青強(qiáng)于基質(zhì)瀝青，而這與上述5%摻量的再生瀝青的軟化點(diǎn)高于基質(zhì)瀝青的結(jié)論相同。

2.3 復(fù)配廢油再生劑和再生瀝青微觀結(jié)構(gòu)

2.3.1 復(fù)配廢油再生劑的紅外光譜分析 復(fù)配廢油再生劑的紅外光譜圖見圖12。

圖12 復(fù)配廢油再生劑紅外光譜Fig.12 Infrared spectrum of compound waste oil

由上可知，復(fù)配廢油再生劑的化學(xué)成分主要有烷烴、醇類、環(huán)烷烴和酯類等物質(zhì)，含有與瀝青的組分中相同的物質(zhì)。因此，根據(jù)瀝青的再生原理，本文所復(fù)配的廢油再生劑的組分與瀝青材料相似，進(jìn)而可以與其相容并補(bǔ)充老化瀝青中的輕質(zhì)組分，改善再生瀝青結(jié)構(gòu)。

2.3.2 再生瀝青紅外分析 圖13為6%復(fù)配廢油再生劑的再生瀝青、5%復(fù)配廢油再生劑的再生瀝青、老化瀝青和基質(zhì)瀝青的4種瀝青紅外光譜圖。

圖13 不同瀝青紅外光譜Fig.13 Infrared spectrum of different asphalts

由圖13可知，瀝青老化后，其峰的位置未發(fā)生變化，只是峰的振動面積變化。通過對圖中老化瀝青、基質(zhì)瀝青和再生瀝青的官能團(tuán)峰面積的大小，評定復(fù)配廢油再生劑的再生效果。瀝青老化后其組分含量發(fā)生改變。老化瀝青在2 924 cm-1和800～500 cm-1處的振動峰面積變小，這是因?yàn)闉r青經(jīng)過老化以后，其內(nèi)部芳香分向?yàn)r青質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)變。老化作用導(dǎo)致重質(zhì)組分累積，因此導(dǎo)致圖中1 030 cm-1處的亞楓基和在1 700 cm-1處的羰基吸收峰的強(qiáng)度增強(qiáng)。由圖13可知，瀝青經(jīng)過老化、再生并未產(chǎn)生新的基團(tuán)，沒有改變?yōu)r青的化學(xué)結(jié)構(gòu)組成。復(fù)配廢油再生劑加入，降低了1 030 cm-1處和1 700 cm-1處的峰的面積。因此復(fù)配廢油再生劑加入老化瀝青中起到了稀釋以及調(diào)和作用，并且有效改善了老化瀝青中各組分之間的比例。

3 結(jié)論

(1)通過不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)復(fù)配廢油再生劑對老化瀝青基本物理性能的影響，分析再生瀝青三大指標(biāo)和黏度，得出復(fù)配廢油再生劑的最佳摻量為5% 。

(2)摻加5%復(fù)配廢油再生劑的再生瀝青相對于老化瀝青相位角增大，復(fù)數(shù)模量和車轍因子降低。而5%復(fù)配廢油再生劑摻量下，再生瀝青的復(fù)數(shù)模量、相位角和車轍因子均高于基質(zhì)瀝青。從瀝青高溫穩(wěn)定性考慮，再生瀝青的復(fù)配廢油再生劑摻量為5%。

(3)通過MSCR實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證再生瀝青的高溫穩(wěn)定性能，復(fù)配廢油再生劑摻量在5%時(shí)，通過不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr分析再生瀝青的高溫穩(wěn)定性，與軟化點(diǎn)和車轍因子表征相同，5%的復(fù)配再生瀝青高溫穩(wěn)定性強(qiáng)于基質(zhì)瀝青。

(4)利用紅外光譜對復(fù)配廢油再生劑和廢油再生瀝青進(jìn)行官能團(tuán)驗(yàn)證，復(fù)配廢油再生劑中含有易溶于瀝青之中的物質(zhì)，將其加入老化瀝青中起到了稀釋以及調(diào)和作用，并且有效改善了老化瀝青中各組分之間的比例。