廢食用油再生瀝青高低溫流變性能研究

楊萬智

(廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會進(jìn)步，居民生活水平不斷提升，與此相伴的是廢食用油的大量產(chǎn)生。廢食用油為餐飲不斷加工和使用過程中產(chǎn)生的不適于食用的廢棄油脂。我國每年產(chǎn)生大約2 000萬t的廢食用油，并且數(shù)量在逐年增長[1]。廢食用油一般可用于工業(yè)回收，如制造生物燃料、工業(yè)油酸、油脂皂脂等。將廢食用油加入老化瀝青中，可有效補(bǔ)充老化瀝青的飽和分和芳香分等輕質(zhì)組分，并降低瀝青質(zhì)的占比，因此可實(shí)現(xiàn)老化瀝青的再生[2]。

本文研究廢食用油再生瀝青的高低溫流變特性，量化廢食用油對老化瀝青的再生效果，研究結(jié)果可為廢食用油在道路工程的綜合利用提供一定的參考。

1 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

本文采用廢食用油作為老化瀝青的再生劑，老化瀝青來自西南某高速公路下面層，回收后的老化瀝青相關(guān)指標(biāo)如表1所示；廢食用油來自某地溝油回收站，相關(guān)指標(biāo)如表2所示。從表2可以看出，廢食用油的關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)到了《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTGT 5521-2019)RA-1再生劑的技術(shù)要求，可有效實(shí)現(xiàn)老化瀝青的再生。本文將廢食用油的摻量設(shè)置為2%、4%、6%和8%。

表1 70#老化瀝青技術(shù)指標(biāo)表

表2 廢食用油技術(shù)指標(biāo)表

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 DSR溫度掃描

廢食用油的摻量對再生瀝青的高溫性能有一定的影響。因此，采用動態(tài)剪切流變儀，對再生瀝青開展溫度掃描，探討再生瀝青高溫流變性能隨廢食用油摻量和溫度的變化規(guī)律[3]。試驗(yàn)溫度區(qū)間選擇為40 ℃～80 ℃，間隔為10 ℃；考慮到再生瀝青粘彈特性復(fù)雜，選擇1%應(yīng)變水平，加載頻率為10 rad/s。動態(tài)剪切流變儀型號為Bohlin Gemini 2 ADS，生產(chǎn)廠家為英國MALVERN公司。

1.2.2 多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)

多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)可有效表征瀝青的高溫性能，具體的試驗(yàn)過程為：分別進(jìn)行0.1 kPa和3.2 kPa剪切應(yīng)力水平下的蠕變恢復(fù)試驗(yàn)，蠕變和恢復(fù)的時(shí)間分別為0.1 s和9 s，以模擬路面實(shí)際荷載的作用過程，然后根據(jù)蠕變以及恢復(fù)過程的應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力水平下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr。不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr可有效表征瀝青膠結(jié)料的高溫性能，其值越低，瀝青膠結(jié)料的高溫性能越好。試驗(yàn)過程以及指標(biāo)計(jì)算公式參考美國規(guī)范ASTM D7405-08[4]。

1.2.3 彎曲梁流變(BBR)試驗(yàn)

美國SHRP規(guī)范采用彎曲梁流變(BBR)試驗(yàn)確定瀝青的低溫PG分級。然而由于低溫PG分級間隔為6 ℃，溫度間隔區(qū)間太大，難以區(qū)分相同低溫PG分級瀝青的優(yōu)劣[5]。因此，本文采用低溫連續(xù)PG分級評價(jià)再生瀝青的低溫性能，量化廢食用油摻量對再生瀝青的低溫性能影響。低溫連續(xù)PG分級試驗(yàn)方法和原理與低溫PG分級試驗(yàn)一致，只是增加勁度模量S和勁度模量變化率m的溫度插值公式，二者計(jì)算所得的溫度中最高值即為低溫連續(xù)PG分級指標(biāo)。插值計(jì)算公式見式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中：TS、Tm——S值和m值的低溫連續(xù)PG分級插值；

T1、T2——兩個(gè)測試溫度的低值和高值；

P1、P2——S值和m值在T1、T2溫度下的測試值；

Pm——S值和m值的要求值，對于S為300 MPa，對于m為0.3。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 DSR溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果及分析

DSR溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。為便于識圖，對再生瀝青進(jìn)行編號，編號規(guī)則主要依據(jù)廢食用油的摻量，例如2%O代表摻加2%廢食用油的再生瀝青，后文同，不再贅述。從圖1可以看出：隨著溫度增加，不同摻量的再生瀝青復(fù)數(shù)模量呈指數(shù)下降，相位角逐漸增加；不同摻量廢食用油再生瀝青復(fù)數(shù)模量規(guī)律明顯，廢食用油的摻加降低了再生瀝青的高溫性能。同時(shí)，廢食用油摻量對再生瀝青的相位角有顯著影響，表明廢食用油摻加進(jìn)再生瀝青中之后，改變了再生瀝青的粘彈特性，且對摻量變化較為敏感，不同摻量的廢食用油再生瀝青相位角有明顯區(qū)別。值得注意的是，隨著廢食用油摻量增加，再生瀝青的高溫敏感性下降。為了量化溫度敏感性的變化情況，采用復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS評價(jià)再生瀝青的溫度敏感性。具體的計(jì)算公式見式(3)。復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS計(jì)算結(jié)果如表3所示。從表3可以得出結(jié)論：復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS擬合結(jié)果回歸系數(shù)R2都很高，均>0.99；廢食用油有效降低了再生瀝青的溫度敏感性，且隨著廢食用油摻量的增加，溫度敏感性指標(biāo)GTS的下降幅度更大。

lglgG*=GTS×lgT+C

(3)

式中：GTS——復(fù)數(shù)模量指數(shù)；

G*——復(fù)數(shù)模量(Pa)；

T——試驗(yàn)溫度(K)。

圖1 復(fù)數(shù)模量試驗(yàn)結(jié)果對比曲線圖

圖2 相位角試驗(yàn)結(jié)果對比曲線圖

表3 溫度敏感性分析結(jié)果表

2.2 多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果及分析

多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)的溫度分別為58℃、64℃和70℃，該溫度區(qū)間符合夏天路面溫度實(shí)際情況。試驗(yàn)結(jié)果如下頁圖3、圖4所示。從圖3和圖4可以得出結(jié)論：老化瀝青摻加廢食用油后，廢食用油再生瀝青的高溫性能有一定程度的下降，具體表現(xiàn)為0.1 kPa和3.2 kPa下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr均隨著廢食用油摻量的增加而不斷增加，且呈線性增加規(guī)律。值得注意的是，隨著溫度增加，再生瀝青的高溫性能下降較快，主要的原因在于瀝青膠結(jié)料對溫度敏感性高，高溫下溫度的升高是瀝青膠結(jié)料性能下降的主要因素，遠(yuǎn)超廢食用油摻量對瀝青膠結(jié)料高溫性能的影響。

圖3 0.1 kPa下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S溫度變化曲線圖

圖4 3.2 kPa下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S溫度變化曲線圖

2.3 BBR試驗(yàn)結(jié)果及分析

瀝青低溫彎曲梁試驗(yàn)(BBR)溫度設(shè)置為-12 ℃和-18 ℃，試驗(yàn)按照《瀝青彎曲蠕變勁度試驗(yàn)(彎曲梁流變儀法)》(JTG E20T0627-2011)[6]進(jìn)行，并根據(jù)式(1)和式(2)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示。從表4可以得出：隨著廢食用油摻量的增加，再生瀝青的低溫性能有較大程度的提升，特別是8%摻量的再生瀝青，其低溫連續(xù)PG分級較不摻廢食用油的再生瀝青提高42.8%。因此，廢食用油有效改善了再生瀝青的低溫性能，與其他不能有效恢復(fù)再生瀝青低溫性能甚至過高摻量對再生瀝青低溫性能有損害的再生劑相比有顯著優(yōu)勢。

表4 低溫連續(xù)PG分級結(jié)果表

3 結(jié)語

(1)老化瀝青添加廢食用油后，其復(fù)數(shù)模量隨廢食用油摻量增加而顯著下降，但GTS指標(biāo)有所改善，再生瀝青的溫度敏感性有所下降。

(2)廢食用油摻量增加，將會降低再生瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚瑢υ偕鸀r青的高溫性能不利；與廢食用油摻量因素相比，溫度對瀝青膠結(jié)料高溫性能的影響更為顯著。

(3)廢食用油可有效改善再生瀝青的低溫性能，且改善程度與摻量呈顯著相關(guān)，在摻量為8%時(shí)低溫性能提升最為明顯。