廢食用油改性瀝青結合料的性能研究

歐陽洲

(湖南省交通規劃勘察設計院有限公司, 湖南 長沙 410219)

0 引言

石油瀝青是原油加工的副產品，常被用作柔性路面筑路材料。但隨著不可再生的石油資源不斷被消耗，石油瀝青的供應逐漸短缺且價格上漲，使瀝青路面的建設與養護成本逐年升高，其發展受到嚴重制約[1]。為減輕道路工程建設對瀝青的依賴，尋找傳統瀝青結合料的替代材料成為國內外道路研究機構廣泛關注重點。利用其他行業的廢料部分替代瀝青，不僅可以減少瀝青消耗，還可提高瀝青的路用性能[2-3]。此外，廢棄材料(如廢食用油、廢機油)作為瀝青的潛在替代品，在道路工程中的應用可將其從廢棄材料轉向增值利用，符合現代社會倡導的可持續發展理念，環境保護意義重大。

近年來，研究人員在大力尋找傳統瀝青結合料的替代品或改性劑，如微藻、分餾生物油、棉籽油、粗甘油等生物改性劑，且對其應用進行了研究[4]。廖曉峰等[5]通過對生物油改性瀝青常規性能和流變性能的研究發現，生物油的加入可顯著降低瀝青黏度和施工溫度，改善其低溫抗裂性能。馬峰等[6]研究了生物油改性瀝青結合料的性能，結果表明生物油的加入改善了瀝青結合料的低溫抗裂性能，但高溫條件下的抗熱氧老化能力會減弱；FINI等[7]研究從豬糞中提取的生物油對瀝青性能的影響，結果表明該生物黏結劑可有效降低瀝青的黏度和剛度，改善瀝青的低溫抗裂性能，具有良好的環境和經濟效益。

廢食用油(WCO)是指食品加工中產生的廢棄油脂，包括煎炸廢油、餐飲廢油和地溝油，通常由已授權的公司從餐館、家庭廚余、食品廠或回收中心收集。雖然世界上每年可收集的WCO已達1500萬t，但只有少量WCO得到了妥善收集和再利用。大部分WCO被非法傾倒或填埋，造成了嚴重的環境污染。WCO的去向難以監督，其合理的回收利用也難以準確實施，從而難以保證最大程度地減少其對水和土壤資源的污染。因此，WCO的回收和再利用引起了世界各國研究機構的廣泛關注。同時，基于WCO與石油瀝青的成分相似原理，二者混合后的相容性與穩定性良好，故可作為傳統路用瀝青結合料的潛在替代材料。然而，將WCO作為替代材料應用于瀝青結合料的研究剛剛起步，對其替代含量、路用性能及作用機理都缺乏深入的系統研究。

本文采用不同WCO摻量對基質瀝青進行改性，在評價改性瀝青黏度、常規性能、流變性能及作用機理的基礎上，分析WCO對基質瀝青性能的影響，并評估其作為傳統瀝青替代品的潛力，為WCO在未來道路工程中的應用提供數據參考。

1 材料與試驗方法

1.1 材料

采用湖南高富AH-70#作為基質瀝青控制瀝青結合料，其技術指標見表1。WCO由湖南一家食品超市提供，為大豆煎炸廢油，其基本性能如表2所示。

表1 AH-70#基質瀝青的技術指標類別針入度( 25 ℃) / 0.1 mm軟化點/℃延度( 10 ℃) / cm實測數據644824.7技術要求60～80≥44≥10.0RTFO 試驗( 163 ℃,85 min)質量變化/%殘留針入度( 25 ℃)/ 0.1 mm延度(10 ℃)/ cm-0.0169.810-0.8～+0.8≥58.0≥4

表2 WCO的基本性質(生產商提供)顏色含水量/%黏度(20 ℃)/(Pa·s)密度(20 ℃)/(g ·cm3)淡黃色0.020.080.885

1.2 試樣制備

擬定WCO在AH-70#瀝青中的摻量(質量分數)分別為0、5%、10%和15%，并分別命名為A0、A5、A10和A15。

1.3 試驗方法

依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)，采用布氏黏度儀測定各瀝青結合料120℃、135℃、150℃和165℃下的黏度。采用瀝青3大指標(針入度、軟化點和延度)試驗評價WCO對AH-70#瀝青高、低溫性能的影響。為評價WCO對基質瀝青高溫穩定性的影響，采用動態剪切流變儀(DSR)分別測定20℃、30℃、40℃、50℃、60℃和70℃下各瀝青結合料的車轍因子G*/sinδ，試驗頻率為0.1～100rad/s；其中，中 — 高溫(50℃、60℃和70℃)測試時選擇直徑為25mm、間隙為1mm的平行板，中 — 低溫(20℃、30℃和40℃)測試則選擇直徑為8mm、間隙為2mm的平行板。采用低溫彎曲流變儀(BBR)測定-6℃、-12℃、-18℃和-24℃時各瀝青的勁度模量S及蠕變速率m，評價WCO改性瀝青的低溫抗裂性。采用Shimazu IRAffinity-1S型紅外光譜儀(FTIR)測試WCO與基質瀝青間化學官能團的變化，從分子尺度分析其作用機制，測試波長范圍為400～4000cm-1，分辨率為8cm-1。

2 結果和討論

2.1 旋轉黏度

圖1為不同WCO摻量下各瀝青結合料的黏度隨溫度變化的結果。由圖1可知，瀝青結合料的黏度隨溫度的升高而降低，說明瀝青為感溫材料；同一溫度條件下，WCO改性瀝青的黏度隨WCO摻量的增加而顯著降低，表明WCO的加入可顯著降低基質瀝青的黏度。當WCO的摻量大于10%時，WCO改性瀝青結合料的黏度降低幅度變小，即過量的WCO對基質瀝青的黏度影響不大。因此，添加適量的WCO可作為瀝青路面施工的降黏劑和流動促進劑。

圖1 不同WCO摻量下瀝青結合料的黏度測試結果

基于以上黏度試驗結果，依據JTG E20—2011，采用黏度-溫度曲線確定瀝青混合料的施工溫度，拌和與壓實溫度對應的黏度分別為(0.17±0.02) Pa·s和(0.28±0.03)Pa·s，計算得到各瀝青結合料的施工溫度(見表3)。

由表3可以看出，WCO的加入可降低基質瀝青混合料的拌和與壓實溫度。當WCO摻量為10%時，改性瀝青混合料的平均拌和與壓實溫度分別比基質瀝青混合料低8.5℃和5.0℃，表明WCO的加入不僅可改善瀝青混合料的施工和易性，還可降低瀝青混合料生產和鋪筑過程中的能源消耗與環境污染。因此，將WCO作為傳統瀝青的替代品不僅節能環保，還具有重要的社會經濟效益，其潛在應用前景廣闊。

2.2 瀝青3大指標

表4為不同WCO摻量下瀝青結合料3大指標測試結果。由表4可看出，隨著WCO摻量的增加，基質瀝青的針入度和延度升高而軟化點降低。當WCO摻量從0%增加到10%時，基質瀝青結合料的針入度和延度分別增大21.9%和13.6%，而軟化點降低7.9%。表明WCO的加入可降低瀝青的稠度、抗剪切變形能力和黏度，使其高溫穩定性受到一定程度的影響；相反地，WCO可改善瀝青在低溫條件下的塑性，使其具有良好的延展性，進而顯著提高其低溫抗裂性能。

表4 不同WCO摻量下瀝青結合料3大指標測試結果樣品編號針入度( 25 ℃) /0.1 mm軟化點/℃延度( 5 ℃)/cmA06448.019.8A57245.821.3A107844.222.5A158343.123.8

2.3 高溫穩定性

G*/sinδ是表征瀝青抗永久變形能力的指標，其值越大，瀝青結合料的抗永久變形能力越強，高溫抗車轍性能越好。各瀝青結合料DSR測試所得G*/sinδ結果如圖2所示。

圖2 不同WCO摻量下瀝青結合料G*/sinδ測試結果

由圖2可知，各瀝青結合料的G*/sinδ值隨溫度的升高而逐漸降低，說明溫度越高，瀝青結合料的高溫穩定性越弱，抗變形能力越差。同一溫度下，隨著WCO摻量的增大，基質瀝青的G*/sinδ值減小，即WCO會降低瀝青結合料的剛度，進而影響瀝青的高溫穩定性，導致其抗變形能力降低。究其原因，WCO可使基質瀝青中的輕組分含量增多，使結合料內的連續相增多，進而降低瀝青結合料的高溫穩定性。

2.4 低溫抗裂性

不同WCO摻量下瀝青結合料的BBR測試結果如表5所示。其中，蠕變勁度S值反映瀝青的剛度和勁度隨時間的敏感性，m值反映瀝青的應力松弛能力。若低溫條件下瀝青結合料的S值較小，而m值較大，則瀝青具有良好的低溫抗裂性能。此外，根據SHRP對瀝青低溫等級的規定，瀝青的S和m值需滿足S<300MPa且m>0.3的標準。

表5 不同WCO摻量下瀝青結合料BBR測試結果瀝青編號-6 ℃-12 ℃-18 ℃-24 ℃S/MPamS/MPamS/MPamS/MPamA0104.30.382189.80.309277.9———A587.30.413117.20.332217.60.310——A1061.20.44169.10.390160.70.371——A1558.10.44962.90.418135.20.403164.40.306

由表5可知，隨著試驗溫度的降低，不同WCO摻量下瀝青結合料的S值增大而m值減小，表明瀝青的低溫抗裂性能隨溫度的降低而減弱。其原因是溫度越低，瀝青結合料的剛度越大，應力松弛能力減弱，不利于抵抗溫度應力引起的拉應力，致使其抗裂性能降低。同一測試溫度下，隨著WCO摻量的增加，WCO改性瀝青的S值減小而m值增大。-12℃時，添加5%、10%和15%的WCO 可使基質瀝青的S值分別降低38.3%、63.6%和66.9%，而m值分別增大7.4%、26.2%和35.3%，添加WCO可顯著提高瀝青的低溫抗裂性能。同時，依據S<300MPa且m>0.3的標準，并對比各WCO改性瀝青的S值和m值，添加5%和10%的WCO均可將基質瀝青的低溫分級溫度從-12℃降低到-18℃，使其低溫等級提高一級。當WCO含量增大至15%時，WCO可進一步提高基質瀝青的低溫等級。基于以上分析可知，采用WCO替代部分瀝青時可使瀝青的延展性增強，應力松弛能力增大，減弱低溫條件下溫度應力對其性能的影響，從而提高瀝青的低溫抗裂性能。

2.5 化學特性

為分析WCO與基質瀝青間的化學反應，采用FTIR測試基質瀝青與WCO改性瀝青的FTIR圖譜，結果如圖3所示。

由圖可知，添加WCO可使基質瀝青在1747.75cm-1處出現由于C=O伸縮振動產生的新峰。同時，WCO可使基質瀝青在3300～3600cm-1范圍內的O-H鍵振動發生變化。因此，WCO可與基質瀝青發生化學反應和物理共混，并改變瀝青分子間的氫鍵作用和范德華力，從而降低瀝青的黏度。

圖3 基質瀝青與WCO改性瀝青的FTIR光譜圖

3 結論

1) WCO可降低瀝青的黏度，從而降低瀝青混合料的拌和與壓實溫度，使其具有良好的施工和易性。

2) WCO可使瀝青的針入度和延度增大、軟化點降低，從而降低瀝青的稠度和硬度，提高瀝青結合料的塑性，使其具有優異的低溫抗裂性，而高溫穩定性有所下降。

3) WCO與基質瀝青混合時存在物理共混和化學反應，二者具有良好的相容性，WCO可改變基質瀝青的氫鍵作用。

4) WCO可作為傳統石油瀝青替代品，具有潛在應用前景。