廢機(jī)油殘留物再生瀝青的老化性能研究

曲建濤，姚冬冬，周福全，宋文杰，趙培馨，馮振剛（通信作者）

（1煙臺(tái)公路材料保障中心 山東 煙臺(tái) 264000）

（2吉林省交通科學(xué)研究所 吉林 長(zhǎng)春 130012）

（3長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院 陜西 西安 710064）

0 引言

隨著機(jī)動(dòng)車等交通工具的劇增，我國(guó)每年僅在交通行業(yè)就產(chǎn)生約3 000萬t廢機(jī)油[1-2]。通過超濾、離心分離、分子蒸餾、絮凝處理和溶劑精制等工藝可將70%～80%廢機(jī)油生產(chǎn)成燃料油或潤(rùn)滑油，剩余的20%～30%由于混入較多雜質(zhì)無法進(jìn)行有效回收而成為廢機(jī)油殘留物（re-refined engine oil bottoms，REOB）[3]。目前，廢機(jī)油的回收利用率正在不斷增加，同時(shí)也產(chǎn)生大量的REOB，這些REOB往往被直接焚燒處理，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和大氣污染[4-6]。因此，REOB的高效回收利用已成為我國(guó)亟需解決的問題。

在國(guó)外，REOB作為軟化劑或改性劑被用于調(diào)節(jié)道路瀝青的性能（PG）等級(jí)，以滿足某些地區(qū)氣候條件對(duì)瀝青路面的要求[7-10]。YOU等[7]發(fā)現(xiàn)添加REOB不會(huì)對(duì)瀝青混合料的車轍性能和水穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，而瀝青混合料的低溫抗裂性會(huì)隨著REOB含量的增加而逐漸降低。PALIUKAITE等[9]研究了REOB對(duì)基質(zhì)瀝青和聚合物改性瀝青延展性的影響，研究發(fā)現(xiàn)REOB會(huì)降低瀝青的延展性。LI等[10]發(fā)現(xiàn)隨著REOB摻量的增加，REOB改性瀝青對(duì)水的敏感性更高，而REOB對(duì)瀝青低溫松弛、強(qiáng)度和斷裂性能的影響不大?，F(xiàn)有研究大多集中于利用REOB改性基質(zhì)瀝青[11-12]，而將REOB用于再生老化瀝青的相關(guān)研究較少，若將REOB用于老化瀝青的再生，不僅可實(shí)現(xiàn)REOB和廢舊瀝青混合料（reclaimed asphalt pavement，RAP）的回收利用，達(dá)到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的目的，并且可以提高瀝青路面的使用性能，降低成本，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境效益十分顯著。

本文采用2種不同來源的REOB（REOB-1和REOB-2）對(duì)3種不同老化程度（輕度老化、中度老化和重度老化）的瀝青進(jìn)行再生，利用薄膜烘箱試驗(yàn)（thin film oven test，TFOT）模擬REOB再生瀝青的老化過程，評(píng)價(jià)了不同REOB再生瀝青的老化性能，并通過微觀形貌試驗(yàn)探討了REOB對(duì)老化瀝青的作用機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青為GS-70#，物理性能見表1。

表1 GS-70#瀝青的物理性能

選用2種不同來源的REOB（REOB-1和REOB-2），2種REOB的物理性能和化學(xué)組成見表2。

表2 2種REOB的物理性能與化學(xué)組成

1.2 試樣制備

老化瀝青的制備：將瀝青置于（163±1）℃的薄膜烘箱中分別老化5、18和36 h，老化瀝青的物理性能見表3，將老化5、18和36 h的瀝青分別定義為輕度、中度和重度老化瀝青。

表3 老化瀝青的物理性能

REOB再生瀝青的制備：通過熔融共混的方法制備REOB再生瀝青，將3種不同老化程度的瀝青預(yù)熱至150 ℃，在攪拌的過程中將2種REOB分別加入到老化瀝青中，REOB的摻量為瀝青質(zhì)量的15%，然后在150 ℃下攪拌0.5 h確保REOB與老化瀝青混合均勻。

1.3 REOB再生瀝青的老化試驗(yàn)

利用TFOT模擬REOB再生瀝青的短期熱氧老化，TFOT按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中T0609-2011的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)溫度為（163±1）℃，加熱時(shí)間為5 h。

1.4 物理性能試驗(yàn)

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）中T0604-2011、T0605-2011、T0606-2011的規(guī)定測(cè)試REOB再生瀝青的針入度、延度和軟化點(diǎn)。

1.5 微觀形貌試驗(yàn)

采用Bruker公司Nano ManVS型原子力顯微鏡（atomic force microscope，AFM）對(duì)不同瀝青試樣的微觀形貌進(jìn)行觀測(cè)。將REOB再生瀝青加熱至130 ℃，取1滴熱瀝青滴于10 mm×10 mm×1 mm的銅片上，然后在5 ℃下冷卻24 h。AFM試驗(yàn)選用輕敲成像模式，懸臂梁彈性常數(shù)為26 N/m，探針高度為11 μm，懸臂梁長(zhǎng)度為160 μm，寬度為40 μm，曲率半徑為7 nm，共振頻率為300 kHz。

2 結(jié)果與討論

2.1 REOB再生瀝青的老化性能

分別采用殘留針入度比（PRR）、軟化點(diǎn)增量（SPI）和延度保留率（DRR）評(píng)價(jià)REOB再生瀝青的老化性能，計(jì)算式表示為：

公式（1）～（3）中，P2、S2、D2分別為老化后瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度；P1、S1、D1分別為老化前瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度。一般地，殘留針入度比和延度保留率越大，軟化點(diǎn)增量越小，瀝青的抗老化性能越好。

2.1.1 殘留針入度比

不同REOB再生瀝青的PRR如圖1所示。可以看出，2種REOB再生瀝青的PRR均大于基質(zhì)瀝青，且瀝青老化程度越深，REOB再生瀝青的PRR越大，表明REOB再生瀝青的耐老化性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青，且REOB對(duì)老化程度越嚴(yán)重的瀝青耐老化性能改善效果越顯著。對(duì)于輕度老化瀝青，REOB-1再生瀝青的PRR低于REOB-2再生瀝青，而對(duì)于中度老化瀝青和重度老化瀝青而言，REOB-1再生瀝青的PRR要高于REOB-2再生瀝青。這表明對(duì)于輕度老化瀝青而言，REOB-2再生瀝青的耐老化性能優(yōu)于REOB-1再生瀝青；而對(duì)于中度老化瀝青和重度老化瀝青而言，REOB-1再生瀝青的耐老化性能優(yōu)于REOB-2再生瀝青。

圖1 不同REOB再生瀝青的PRR

2.1.2 軟化點(diǎn)增量

不同REOB再生瀝青的SPI如圖2所示?？梢钥闯觯瑢?duì)于不同老化程度的瀝青，REOB-1再生瀝青的SPI均低于基質(zhì)瀝青的SPI；對(duì)于輕度老化瀝青而言，SPI（REOB-2再生瀝青）＜SPI（REOB-1再生瀝青）＜SPI（基質(zhì)瀝青）；而對(duì)于中度老化瀝青和重度老化瀝青而言，SPI（REOB-1再生瀝青）＜SPI（基質(zhì)瀝青）＜SPI（REOB-2再生瀝青）。這表明REOB-1再生瀝青的耐老化性能要優(yōu)于基質(zhì)瀝青和REOB-2再生瀝青。對(duì)于輕度老化瀝青，REOB-2再生瀝青的耐老化性能優(yōu)于REOB-1再生瀝青；對(duì)于中度老化瀝青和重度老化瀝青而言，REOB-1再生瀝青的耐老化性能優(yōu)于REOB-2再生瀝青。

圖2 不同REOB再生瀝青的SPI

2.1.3 延度保留率

不同REOB再生瀝青的DRR如圖3所示?？梢钥闯?，不同REOB再生瀝青的DRR均大于基質(zhì)瀝青。REOB-1再生輕度老化瀝青的DRR低于REOB-2再生輕度老化瀝青，而REOB-1再生中度老化瀝青和重度老化瀝青的DRR高于REOB-2再生中度老化瀝青和重度老化瀝青。這再次表明REOB再生瀝青的耐老化性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青。對(duì)于輕度老化瀝青而言，REOB-2再生瀝青的耐老化性能優(yōu)于REOB-1再生瀝青。對(duì)于中度老化瀝青和重度老化瀝青而言，REOB-1對(duì)老化瀝青耐老化性能的改善作用優(yōu)于REOB-2。

圖3 不同REOB再生瀝青的DRR

綜合考慮PRR、SPI和DRR這3個(gè)指標(biāo)，對(duì)于輕度老化瀝青，REOB-2再生瀝青的耐老化性能優(yōu)于REOB-1再生瀝青；對(duì)于中度和重度老化瀝青，REOB-1再生瀝青的耐老化性能優(yōu)于REOB-2再生瀝青。

2.2 REOB再生瀝青的微觀形貌

對(duì)不同老化程度的基質(zhì)瀝青和REOB再生重度老化瀝青進(jìn)行了AFM試驗(yàn)，結(jié)果分別如圖4和圖5所示。由圖4可知，基質(zhì)瀝青表面平滑，相態(tài)均勻。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，瀝青表面逐漸變得粗糙，坑洞增多，重度老化瀝青表面的坑洞逐漸變?yōu)椤胺錉罱Y(jié)構(gòu)”。瀝青“蜂狀結(jié)構(gòu)”的形成主要與瀝青質(zhì)的團(tuán)聚有關(guān)，在瀝青的老化過程中，芳香分轉(zhuǎn)化為膠質(zhì)，膠質(zhì)又轉(zhuǎn)化為瀝青質(zhì)，導(dǎo)致瀝青質(zhì)含量增多，破壞了瀝青的膠體結(jié)構(gòu)。

圖4 不同老化程度瀝青的微觀形貌

圖5 REOB再生重度老化瀝青的微觀形貌

由圖5可知，在重度老化瀝青中加入REOB后，老化瀝青表面的“蜂狀結(jié)構(gòu)”數(shù)量和尺寸減少，且在“蜂狀結(jié)構(gòu)”附近可以看到有一圈油狀物質(zhì)包裹著，“蜂狀結(jié)構(gòu)”部分溶解，瀝青表面的粗糙度有所降低。這是由于REOB不僅能夠調(diào)節(jié)老化瀝青中輕質(zhì)組分的含量，還能夠溶解老化瀝青中的瀝青質(zhì)，調(diào)整其膠體結(jié)構(gòu)，提高了老化瀝青膠體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。2種REOB再生重度老化瀝青相比，REOB-1再生重度老化瀝青的表面更加光滑和平整，這是因?yàn)镽EOB-1對(duì)重度老化瀝青中瀝青質(zhì)的溶解作用強(qiáng)于REOB-2，因此REOB-1再生瀝青的耐老化性能優(yōu)于REOB-2再生瀝青。

3 結(jié)論

（1）REOB再生瀝青的抗老化性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青，這可歸因于REOB不僅能夠調(diào)節(jié)老化瀝青中輕質(zhì)組分的含量，還能夠溶解老化瀝青中的瀝青質(zhì)，提高老化瀝青膠體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（2）對(duì)于輕度老化瀝青，REOB-2再生瀝青的耐老化性能優(yōu)于REOB-1再生瀝青；對(duì)于中度和重度老化瀝青而言，REOB-1再生瀝青的耐老化性能優(yōu)于REOB-2再生瀝青。