廢生物油與廢機油復(fù)配再生瀝青及混合料研究

黃顯全

(廣西龍馬高速公路有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

自1988年我國第一條高速公路——滬嘉高速公路通車以來，經(jīng)過幾十年的飛速發(fā)展，我國已建成世界上規(guī)模最龐大的高速公路路網(wǎng)。隨之而來的是大量早期修建的高速公路進入維修養(yǎng)護期，維修養(yǎng)護會產(chǎn)生大量的廢舊瀝青混合料。同時，隨人民生活水平的提高，餐飲業(yè)與機械工業(yè)迅速發(fā)展，并在此過程中產(chǎn)生了大量的廢棄生物油及機油。廢生物油是指居民生活使用后廢棄的植物油或者動物油，機油是指超過使用標準被廢棄的機械潤滑油。據(jù)統(tǒng)計，僅2019年我國產(chǎn)生的廢生物油就達600萬t，廢機油約385萬t，而廢棄的生物油和機油仍然具有很高的利用價值。從其組分來看，廢生物油和廢機油均含有大量的輕質(zhì)組分，具備作為老化瀝青再生劑的條件。因此在廢棄的瀝青混合料、生物油和機油數(shù)量激增及倡導(dǎo)“資源循環(huán)利用”的背景下，許多道路工作者已開展了將廢生物油或機油作為再生劑摻入老化瀝青中制備再生瀝青混合料的研究。Rita Jalkh[1]采用廢食用油作為再生劑對舊路面回收瀝青進行再生，發(fā)現(xiàn)再生瀝青滿足低等級公路的應(yīng)用要求；滿琦[2]研究表明采用地溝油作為油基制備的再生劑有利于增強老化瀝青黏度，改善瀝青的低溫性能；潘浩志[3]采用蓖麻油制備了生物質(zhì)改性瀝青，發(fā)現(xiàn)改性瀝青具備良好的低溫性能和感溫性能，而高溫性能有所劣化；靳超[4]的研究表明植物油改性瀝青具有較好的低溫抗裂性能及抗老化性能；夏澤沛[5]認為采用廢機油作為瀝青再生劑時可改善高摻量RAP再生混合料的路用性能。

綜上所述，采用廢棄的生物油或機油對瀝青進行再生取得一定成果，廢生物油再生瀝青具有良好的低溫性能，但是高溫穩(wěn)定性不佳，而廢機油再生瀝青的耐老化性能及溫度穩(wěn)定性較好。因此本文采用廢生物油和廢機油對老化瀝青進行復(fù)配再生，改善單一油基再生瀝青的性能缺陷，進一步提高廢生物油及廢機油的應(yīng)用效果與推廣前景。

1 原材料

1.1 瀝青

本文試驗用瀝青選用殼牌70#瀝青，其性能指標如表1所示，老化瀝青采用70#基質(zhì)瀝青進行PAV老化后制得。

表1 70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標檢測結(jié)果表

1.2 廢生物油與廢機油

廢生物油采用從南寧市飯店回收的廢棄煎炸烹飪后的食用植物油，廢機油采用某品牌汽車行駛8 000 km后換下的機油，兩種廢棄油基經(jīng)過2.0 μm微孔濾膜過濾雜質(zhì)后，進行性能檢測，結(jié)果如表2所示。

表2 廢生物油及廢機油性能檢測結(jié)果表

1.3 增黏樹脂

廢生物油或廢機油因輕質(zhì)組分含量較高，黏度較低，因此可通過添加樹脂調(diào)節(jié)再生劑黏度以及與各組成材料之間的相容性，提高再生瀝青與集料粘附性。本文選用C5石油樹脂作為增黏樹脂。

2 復(fù)配再生瀝青制備及性能評價方法

借鑒國內(nèi)外研究學(xué)者及前期研究成果，確定廢生物油、廢機油及樹脂摻量水平見表3。老化瀝青再生制備及性能評價過程如下：

表3 再生瀝青外摻劑摻量一覽表

(1)將經(jīng)過PAV老化后70#基質(zhì)瀝青置于160 ℃烘箱中加熱30 min，至完全融化。

(2)按照試驗設(shè)計摻量同時加入廢生物油及廢機油，并用機械攪拌器攪拌10 min，溫度≤140 ℃。

(3)按照試驗設(shè)計摻量加入樹脂，再用機械攪拌器攪拌10 min，制得廢生物油與廢機油復(fù)配再生瀝青。

(4)采用三大指標試驗及135 ℃黏度試驗，對制備好的再生瀝青進行性能評價。

3 再生瀝青復(fù)配摻量研究

3.1 正交試驗方案設(shè)計

為確定廢生物油、廢機油及樹脂三種物質(zhì)的合適摻量，采用正交試驗進行研究分析。正交試驗在保證各試驗因數(shù)水平的情況下，進行相同試驗次數(shù)可簡化試驗組別，提高試驗效率，本文按L9(33)設(shè)計正交試驗，如表4所示。

表4 L9(33)正交設(shè)計表

3.2 復(fù)配再生瀝青性能分析

對根據(jù)表4制備的再生瀝青進行三大指標及135 ℃黏度試驗，試驗結(jié)果見下頁表5，其中K、R為不同試驗因素水平下的試驗結(jié)果平均值與極差。K可表征該水平對試驗結(jié)果影響規(guī)律。

根據(jù)表5繪制不同摻量水平下再生瀝青性能變化趨勢，如下頁圖1～4所示。

表5 正交試驗結(jié)果表

由圖1～4可知：

(1)隨廢生物油及廢機油摻量增加，再生瀝青軟化點均值降低，隨樹脂摻量增加，再生瀝青軟化點升高。由圖1可知，廢生物油摻量及廢機油摻量從1.6%提升至2.4%，軟化點均值分別下降了6.9%、5.7%，這是因為生物油與機油中含有大量油分物質(zhì)，使瀝青中大分子分解分散在油分中，從而使軟化點下降；而樹脂摻量從0.2%提升至0.6%，軟化點均值升高了1.7%，這是因為樹脂的固化特性使得瀝青熱固性增加，瀝青的軟化點升高。

圖1 軟化點均值變化趨勢圖

(2)隨廢生物油、廢機油摻量增加，再生瀝青針入度均值降低，隨樹脂摻量增加，針入度均值下降。由圖2可知，廢生物油和廢機油摻量從水平1至水平3，針入度均值分別提高了24.6%、21.1%，相較于廢機油，廢生物油改善效果更明顯，但觀察曲線趨勢，隨摻量水平繼續(xù)升高，廢機油使針入度升高趨勢快于廢生物油；樹脂摻量由水平1至水平3針入度下降了5.1%，說明樹脂有助于提高其稠度，提高了瀝青膠體的穩(wěn)定性。

圖2 25 ℃針入度均值變化趨勢圖

(3)隨廢生物油及廢機油摻量增加，再生瀝青延度均值呈現(xiàn)上升趨勢，隨樹脂摻量增加，再生瀝青延度略微下降。由圖3可知，廢生物油和廢機油摻量從1.6%提升至2.4%，再生瀝青延度均值分別上升了82.3%、50.8%，兩者對再生瀝青延度提高具有積極作用，延度越高，瀝青的低溫延展性越好，越不易發(fā)生低溫開裂；而樹脂摻量從0.2%提升至0.6%，再生瀝青延度均值出現(xiàn)一定程度下降，下降了20.0%。這是因為廢生物油中含有大量芳香烴，且廢機油中的油分物質(zhì)可分解瀝青中的大分子，從而改善瀝青組分，使得延度升高，而樹脂屬于增黏劑，在一定程度上會使瀝青向“硬化”體質(zhì)轉(zhuǎn)化，故延度降低。

圖3 10 ℃延度變化趨勢圖

(4)隨廢生物油與廢機油摻量增加，再生瀝青黏度呈現(xiàn)下降趨勢，隨樹脂含量增加，黏度呈現(xiàn)上升趨勢。由圖4可知，廢生物油和廢機油摻量從1.6%提升至2.4%，再生瀝青黏度均值分別降低了9.9%、15.9%，而樹脂摻量從0.2%至0.6%，黏度增加了19.3%。這是因為廢油脂中的含有大量油分，對瀝青中的極性大分子起到了潤滑的作用，從而使瀝青黏度下降，劣化瀝青與集料的黏附性，而樹脂本身作為增黏劑，具有良好的增黏性和耐熱性[6]，因此有利于改善和調(diào)節(jié)再生瀝青黏度。

圖4 黏度均值變化趨勢圖

3.3 再生瀝青復(fù)配摻量的確定

瀝青再生應(yīng)是盡量恢復(fù)老化性能至原狀瀝青性能，但是一般來說老化瀝青的高溫性能及粘附性會更優(yōu)良，結(jié)合前文試驗分析廢生物油和廢機油會降低瀝青的高溫性能和黏性，而提升再生瀝青針入度和低溫性能，而C5石油樹脂對黏度提升明顯，對低溫性能劣化影響不大。因此綜合考慮確定廢生物油、廢機油及C5石油樹脂的摻量分別為：2.4%、2.0%、0.2%。

4 廢生物油與廢機油復(fù)配再生瀝青混合料性能研究

為驗證復(fù)配再生瀝青的路用性能，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)采用車轍試驗、瀝青混合料低溫彎曲試驗及凍融劈裂試驗，對原樣瀝青及再生瀝青拌和的混合料進行高低溫性能及水穩(wěn)定性能評價，再生瀝青混合料一般應(yīng)用于下面層，故采用AC-25型級配混合料。試驗結(jié)果如表6所示。

表6 再生瀝青與原樣瀝青再生混合料試驗結(jié)果表

由表6可知，復(fù)配再生瀝青混合料的高低溫及水穩(wěn)定性能均能滿足規(guī)范要求，復(fù)配再生瀝青混合料的動穩(wěn)定度高于原樣瀝青混合料，說明其高溫性能更優(yōu)良，而低溫及水穩(wěn)性能略低于原樣瀝青混合料，但仍然滿足規(guī)范技術(shù)要求。

5 結(jié)語

本文通過室內(nèi)試驗對廢生物油與廢機油復(fù)配再生瀝青展開研究，采用正交試驗分析了廢生物油、廢機油及C5石油樹脂對再生瀝青性能影響，發(fā)現(xiàn)廢生物油及廢機油有利于提高再生瀝青低溫性能，而樹脂有利于提高再生瀝青的高溫性能和黏度，并通過綜合分析，確定復(fù)配再生瀝青制備廢生物油、廢機油及C5石油樹脂的摻量分別為：2.4%、2.0%、0.2%。通過對再生瀝青與原樣瀝青拌和的混合料路用性能研究發(fā)現(xiàn)，再生瀝青混合料的高低溫及水穩(wěn)性能均能滿足規(guī)范要求，且高溫性能優(yōu)于原樣瀝青混合料。