孫鳳，劉香香，賈曉東

(1.重慶工程學院 土木工程學院，重慶市 400056；2.重慶交通大學 土木工程學院；3.重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯合工程實驗室)

隨著中國交通行業(yè)大力發(fā)展，道路瀝青用量逐年增加，但是隨著車輛的增加，重載超載對于瀝青路面的破壞愈發(fā)嚴重，道路翻新以及瀝青再生是當前道路養(yǎng)護中的主要工作。市面上各種再生劑價格較貴，對于瀝青再生無形中提高了造價?，F有研究表明，植物廢油再生瀝青具有一定可行性且廢油造價較低，在道路瀝青再生中可以降低整體造價，同時能夠保持較好的瀝青性能，對于瀝青再生發(fā)展方向無疑指明了一條新的研究方向。

王永剛等分別在試驗室將沈鐵、北環(huán)等公路段的5種廢舊道路瀝青混合料,采用工業(yè)苯作溶劑抽提回收出約占瀝青混合料2.06%～2.79%的舊瀝青，并根據其理化性質及組成選擇適宜的潤滑油精制過程中產生的廢油作復合再生劑，與所回收舊瀝青性質類似的新瀝青一起，調配出符合GB 50092-96《重交通道路石油瀝青質量標準》要求的AH90和AH70重交通道路石油瀝青。該方法簡單、易操作,預計可以節(jié)約50%以上的鋪路瀝青；盧強為提高瀝青的低溫性能且降低改性瀝青的成本，采用經濟環(huán)保的生物廢油改性瀝青技術。同時采用彎曲梁流變(BBR)試驗和單邊缺口梁(SENB)試驗評估了廢油對瀝青低溫性能的影響。結果表明：當添加生物基和精煉廢油后，瀝青勁度降低，m值提高，瀝青的斷裂能增加，表明生物基和精煉廢油提高了瀝青的低溫性能。此外，瀝青混合料的約束試件溫度應力試驗(TSRST)結果表明，與基質瀝青混合料相比，油改性瀝青混合料的凍斷溫度更低，這進一步驗證了所選用的油可以提高瀝青低溫性能。

總結前人經驗，該文模擬一定程度的老化瀝青，選取市面上的煎炸食物油然后過濾萃取植物廢油，將其與老化瀝青調配出再生瀝青，并確定最佳廢油摻量以及對再生瀝青的化學性能進行分析，通過混合料試驗評價植物廢油改性瀝青的性能以及混合料的成型壓實溫度、拌和溫度，最終對植物廢油再生瀝青提供實際的方案指導。

1 試驗方案

1.1 試驗原料及器材

廢植物油取自煎炸食物油(市面回收過濾萃取得來)，基質瀝青取自中殼牌生產的70#瀝青，其性質如表1所示。

表1 基質瀝青性質

試驗器材：多控可調節(jié)電爐，可調控溫度0～300 ℃；烘箱，可調控溫度0～120 ℃；瀝青布氏旋轉黏度計；固體核磁共振試驗儀；凝膠色譜儀；馬歇爾擊實儀；瀝青馬歇爾穩(wěn)定度測定儀。

1.2 試驗方案

(1)瀝青老化試驗方案：將烘箱加熱至80 ℃，基質瀝青置于不銹鋼鐵盤中，同時將瀝青厚度保持在(5±1)mm的范圍(利用體積法控制瀝青層厚度)，每間隔1 h攪拌瀝青同時在表層灑少許水，控制通風量使其達到3 L/min，連續(xù)加熱老化144 h，使其模擬具有等效壓力容器(PAV)老化作用下的瀝青老化程度(此老化方式相比PAV具有更加符合實際瀝青老化的過程)。

(2)再生瀝青制備試驗：取廢植物油與老化瀝青進行調和，依據組分調和理論和針入度恢復原理計算出最佳廢油用量(廢油的摻加主要提高老化瀝青中的輕組分同時依據針入度恢復原理，控制添加量使老化瀝青的針入度恢復到基質瀝青的水平即可)；確定出最佳廢油摻加量后，利用電爐控溫在(130±3)℃時加熱老化瀝青使其呈流動狀態(tài)，加入廢油后剪切攪拌10 min，速率3 000 r/min制備得到改性再生瀝青。

2 結果與討論

2.1 瀝青老化再生前后三大指標試驗

依據老化前后瀝青的三大指標能夠確定廢油的最佳摻量，試驗結果見表2。

表2 瀝青老化再生前后三大指標

從表2可以看出：① 瀝青老化后針入度以及延度降低明顯，軟化點增加，瀝青變硬變脆，在溫差較大時同時作用荷載，是瀝青路面出現病害的根本原因；② 添加不同量的植物廢油，隨著廢油摻量的增加瀝青的針入度和延度逐漸增加，軟化點基本線性降低，當達到基質瀝青軟化點時，增加廢油軟化點降低不太明顯；③ 在摻量為15%和20%時瀝青再生基本已經恢復到基質瀝青的三大指標水平，道路規(guī)范規(guī)定用于三級以上公路的瀝青其軟化點應大于45 ℃，但20%的摻加量其軟化點小于45 ℃，因此選取15%摻量作為最佳廢油摻量。

2.2 凝膠滲透色譜試驗(GPC)

凝膠滲透色譜(GPC)不僅可用于小分子物質的分離和鑒定，而且可用來分析化學性質相同分子體積不同的高分子同系物(依據：聚合物在分離柱上按分子流體力學體積大小被分離開，體積大小與分子大小有關)。

試驗采用GPC分析老化瀝青和再生瀝青分子量大小的變化，選取老化144 h的瀝青和15%廢油摻加量的再生瀝青，流動相采用四氯化碳，將瀝青溶解于四氯化碳溶液中，瀝青與四氯化碳質量比為1∶10，常溫25 ℃下進行試驗。試驗結果見圖1。

圖1 改性瀝青與老化瀝青GPC譜圖

圖1中橫坐標為樣品的淋洗時間，在流動相——四氫呋喃開始淋洗前的7.5 min基本無電信號響應，表明基本沒有物質通過凝膠色譜柱隨流動相流出。隨著流動相淋洗時間的延長，在第7.5 min左右，兩個樣品均開始產生電信號，并且隨著時間增加，電信號迅速增加，約在9.2 min時達到最大的電信號，其中再生瀝青的電信號高于老化瀝青的電信號，大約在12.5 min和13 min時兩組瀝青的電信號趨近于0。通過對比可以看出：再生瀝青與老化瀝青的相對分子量的變化較小即瀝青再生前后小分子化合物以及大分子化合物變化較小，但其電信號響應程度有差別即瀝青老化可能產生基團的重新排布或者有新的原子構型出現。

表3為再生瀝青和老化瀝青的相對分子量與分散系數計算結果。由表3可知：再生瀝青的數均相對分子質量較老化瀝青的大但重均分子量較老化瀝青少，這是因為瀝青老化后，輕組分減少，重組分增加，芳香分、飽和分以及瀝青質膠質轉變成瀝青質沉淀。已有研究表明，數均分子量Mn對小分子量的化合物敏感性極強，當小分子含量較多時，Mn呈現降低趨勢；而重均分子量Mw對大分子量化合物敏感性極強，當大分子含量較多時，Mn呈現增長趨勢。結果發(fā)現GPC譜圖信息與相對分子量計算結果一致，小分子化合物含量高的再生瀝青有較低的Mn，而大分子含量高的老化瀝青樣品含有較高的Mw。此外，通過對多分散系數D的計算發(fā)現，老化瀝青樣品的D大于再生瀝青，表明老化瀝青具有更窄的分子量分布，分子量更為集中。

表3 相對分子量與分散系數計算結果

2.3 固體核磁試驗(SSNMR)

固體核磁共振技術(SSNMR)是以固態(tài)樣品為研究對象的分析技術。試驗依據：在固體樣品中，分子的快速運動將導致核磁共振譜線增寬的各種相互作用(如化學位移各向異性和偶極-偶極相互作用等)平均掉，從而獲得高分辨固體核磁譜圖。試驗過程:將老化144 h的瀝青和15%廢油摻加量的再生瀝青置于金箔紙托盤中，稱取0.1 g，將試樣在烘箱中烘30 min，保溫100 ℃，烘干水分，再將烘干水分的試樣置于儀器中進行測試。檢測并分析老化144 h的瀝青和15%廢油摻加量的再生瀝青碳原子核核磁共振(13C NMR)，試驗結果見圖2，譜圖橫坐標為化學位移(δ)。

圖2 固體核磁共振譜圖

通過GPC分析可以發(fā)現老化瀝青再生前后分子量變化較小，且瀝青老化后多以大分子量的物質存在，為了更好地分析瀝青再生前后的化學組成，采用固體核磁共振分析碳譜。再生瀝青的電化學位移信號為-10～60 ppm，老化瀝青的電化學位移為-56～22 ppm，由此可以看出老化瀝青更容易在負電化學出現信號即老化瀝青中的電子偶極矩呈現負電性較多而再生瀝青呈現的偶極矩正電性較多；再生瀝青化學位移δ=2.508 ppm、老化瀝青δ=-0.236 ppm處分別有兩個獨立的主峰，即瀝青再生前后主要物質的電化學位移變化不大，新物質生成較少，以基線作為水準先進行積分可以發(fā)現再生瀝青面積為74.2 ppm2，老化瀝青面積為89.9 ppm2,相差數值較小即瀝青再生前后沒有改變?yōu)r青的結構主要增加了瀝青中的輕組分。由于主要峰位于2.508和-0.236 ppm處，根據核磁共振碳譜可以得出δ小于50 ppm,主要是脂肪鏈碳原子，因此可以得出瀝青再生前后主要是以脂肪烴的長鏈組成。

2.4 壓實和成型溫度試驗

在SHARP計劃中，旋轉黏度是瀝青的一個重要條件指標，其可以用來確定各種瀝青的混合料施工拌和溫度和壓實溫度，同時黏度也是從側面反映瀝青的“軟硬”，即黏度越大，瀝青越硬；黏度大的瀝青在荷載作用下產生較小的剪切變形，彈性恢復性能好，殘留的永久塑性變形小，即路面抵抗車轍的能力強。試驗結果見圖3。

圖3 老化瀝青與再生瀝青旋轉黏度

從圖3可以看出：① 老化瀝青相比再生瀝青其黏度增加，隨著溫度的增加，瀝青再生前后的黏度逐漸降低；② 隨著溫度升高，在半對數坐標系中，瀝青老化前后的旋轉黏度逐漸降低，且線性關系較為明顯。根據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》T0625-2000中可知：當使用石油瀝青施工時，宜應用黏度為(0.17±0.02)Pa·s時的溫度作為拌和溫度；以(0.28±0.03)Pa·s時的溫度作為壓實成型溫度。各老化階段的拌和溫度和壓實成型溫度見表4。

表4 不同老化階段瀝青的拌和溫度和壓實成型溫度

由表4可以看出：老化后的瀝青相比再生瀝青其拌和溫度和壓實成型溫度均增加，主要因為老化后瀝青中輕組分轉變?yōu)橹亟M分即芳香分轉變成膠質和瀝青質，瀝青的分子鏈段逐漸增加，因此，相同溫度下的老化瀝青流動性降低，拌和溫度和壓實成型溫度增加，而再生瀝青由于摻加了植物廢油作為再生劑，其拌和溫度降低了4.8%，壓實成型溫度降低了5.7%，即摻加15%廢油再生老化瀝青能夠有效降低瀝青的拌和以及壓實成型溫度。

2.5 集料級配及混合料性能試驗

試驗選用級配為AC-13混合料配合比，將再生瀝青和基質瀝青成型馬歇爾試件對其混合料進行性能試驗，以評價再生瀝青的性能。采用規(guī)范級配范圍內合成級配作為試驗各集料質量比。具體選取比例見表5?；旌狭霞壟湟妶D4。

表5 混合料質量百分率選取

圖4 混合料級配圖

由圖4可以看出：選取的混合料級配滿足理論最大級配和最小級配。通過試驗得出基質瀝青最佳油石比為4.7%，15%廢油的再生瀝青最佳油石比為4.5%。依據前文得出的拌和以及成型壓實溫度成型馬歇爾試件，待24 h后脫模進行瀝青的馬歇爾性能試驗，結果見表6。

從表6可以看出：再生瀝青相比基質瀝青具有更好的流值(即黏流性能)，但穩(wěn)定度較低一些，整體上可以看出瀝青再生后與基質瀝青混合料相比性能基本保持一致且具有更好的黏流性能，表明廢油再生瀝青性能較好，同時造價較低。

表6 瀝青再生前后馬歇爾性能試驗結果

3 結語

瀝青老化后瀝青質增加，瀝青變硬變脆，加入廢油再生劑后瀝青能夠恢復到基質瀝青的水準；摻加廢油含量達到老化瀝青質量的15%時，再生瀝青的三大指標均能滿足試驗規(guī)程要求；依據組分調和理論以及GPC試驗發(fā)現瀝青再生前后分子量變化較小，即瀝青老化與再生分子量的改變主要是廢油摻加后引起的分子變化，結合SSNMR試驗驗證了瀝青老化前后僅僅化學電性發(fā)生變化，主要的非電化學位移基本相似；根據布氏黏度試驗發(fā)現再生瀝青能夠有效降低瀝青老化的成型壓實溫度和拌和溫度；混合料試驗發(fā)現，15%廢油再生瀝青和基質瀝青相比穩(wěn)定度差異較小，流值變大，表明植物廢油再生瀝青具有良好的再生效果。