歐陽(yáng)洲

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410219)

0 引言

石油瀝青是原油加工的副產(chǎn)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(yīng)逐漸短缺且價(jià)格上漲，使瀝青路面的建設(shè)與養(yǎng)護(hù)成本逐年升高，其發(fā)展受到嚴(yán)重制約[1]。為減輕道路工程建設(shè)對(duì)瀝青的依賴，尋找傳統(tǒng)瀝青結(jié)合料的替代材料成為國(guó)內(nèi)外道路研究機(jī)構(gòu)廣泛關(guān)注重點(diǎn)。利用其他行業(yè)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(jī)油)作為瀝青的潛在替代品，在道路工程中的應(yīng)用可將其從廢棄材料轉(zhuǎn)向增值利用，符合現(xiàn)代社會(huì)倡導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展理念，環(huán)境保護(hù)意義重大。

近年來(lái)，研究人員在大力尋找傳統(tǒng)瀝青結(jié)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(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了研究[4]。廖曉峰等[5]通過(guò)對(duì)生物油改性瀝青常規(guī)性能和流變性能的研究發(fā)現(xiàn)，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(jié)合料的性能，結(jié)果表明生物油的加入改善了瀝青結(jié)合料的低溫抗裂性能，但高溫條件下的抗熱氧老化能力會(huì)減弱；FINI等[7]研究從豬糞中提取的生物油對(duì)瀝青性能的影響，結(jié)果表明該生物黏結(jié)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(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

廢食用油(WCO)是指食品加工中產(chǎn)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(quán)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(dá)1500萬(wàn)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(yán)重的環(huán)境污染。WCO的去向難以監(jiān)督，其合理的回收利用也難以準(zhǔn)確實(shí)施，從而難以保證最大程度地減少其對(duì)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(guó)研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注。同時(shí)，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(wěn)定性良好，故可作為傳統(tǒng)路用瀝青結(jié)合料的潛在替代材料。然而，將WCO作為替代材料應(yīng)用于瀝青結(jié)合料的研究剛剛起步，對(duì)其替代含量、路用性能及作用機(jī)理都缺乏深入的系統(tǒng)研究。

本文采用不同WCO摻量對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，在評(píng)價(jià)改性瀝青黏度、常規(guī)性能、流變性能及作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析WCO對(duì)基質(zhì)瀝青性能的影響，并評(píng)估其作為傳統(tǒng)瀝青替代品的潛力，為WCO在未來(lái)道路工程中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 材料

采用湖南高富AH-70#作為基質(zhì)瀝青控制瀝青結(jié)合料，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)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(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)類別針入度( 25 ℃) / 0.1 mm軟化點(diǎn)/℃延度( 10 ℃) / cm實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)644824.7技術(shù)要求60～80≥44≥10.0RTFO 試驗(yàn)( 163 ℃,85 min)質(zhì)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(zhì)(生產(chǎn)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(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0、5%、10%和15%，并分別命名為A0、A5、A10和A15。

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，采用布氏黏度儀測(cè)定各瀝青結(jié)合料120℃、135℃、150℃和165℃下的黏度。采用瀝青3大指標(biāo)(針入度、軟化點(diǎn)和延度)試驗(yàn)評(píng)價(jià)WCO對(duì)AH-70#瀝青高、低溫性能的影響。為評(píng)價(jià)WCO對(duì)基質(zhì)瀝青高溫穩(wěn)定性的影響，采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)分別測(cè)定20℃、30℃、40℃、50℃、60℃和70℃下各瀝青結(jié)合料的車轍因子G*/sinδ，試驗(yàn)頻率為0.1～100rad/s；其中，中 — 高溫(50℃、60℃和70℃)測(cè)試時(shí)選擇直徑為25mm、間隙為1mm的平行板，中 — 低溫(20℃、30℃和40℃)測(cè)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(cè)定-6℃、-12℃、-18℃和-24℃時(shí)各瀝青的勁度模量S及蠕變速率m，評(píng)價(jià)WCO改性瀝青的低溫抗裂性。采用Shimazu IRAffinity-1S型紅外光譜儀(FTIR)測(cè)試WCO與基質(zhì)瀝青間化學(xué)官能團(tuán)的變化，從分子尺度分析其作用機(jī)制，測(cè)試波長(zhǎng)范圍為400～4000cm-1，分辨率為8cm-1。

2 結(jié)果和討論

2.1 旋轉(zhuǎn)黏度

圖1為不同WCO摻量下各瀝青結(jié)合料的黏度隨溫度變化的結(jié)果。由圖1可知，瀝青結(jié)合料的黏度隨溫度的升高而降低，說(shuō)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(zhì)瀝青的黏度。當(dāng)WCO的摻量大于10%時(shí)，WCO改性瀝青結(jié)合料的黏度降低幅度變小，即過(guò)量的WCO對(duì)基質(zhì)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(dòng)促進(jìn)劑。

圖1 不同WCO摻量下瀝青結(jié)合料的黏度測(cè)試結(jié)果

基于以上黏度試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)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(shí)溫度對(duì)應(yīng)的黏度分別為(0.17±0.02) Pa·s和(0.28±0.03)Pa·s，計(jì)算得到各瀝青結(jié)合料的施工溫度(見(jiàn)表3)。

由表3可以看出，WCO的加入可降低基質(zhì)瀝青混合料的拌和與壓實(shí)溫度。當(dāng)WCO摻量為10%時(shí)，改性瀝青混合料的平均拌和與壓實(shí)溫度分別比基質(zhì)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(chǎn)和鋪筑過(guò)程中的能源消耗與環(huán)境污染。因此，將WCO作為傳統(tǒng)瀝青的替代品不僅節(jié)能環(huán)保，還具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，其潛在應(yīng)用前景廣闊。

2.2 瀝青3大指標(biāo)

表4為不同WCO摻量下瀝青結(jié)合料3大指標(biāo)測(cè)試結(jié)果。由表4可看出，隨著WCO摻量的增加，基質(zhì)瀝青的針入度和延度升高而軟化點(diǎn)降低。當(dāng)WCO摻量從0%增加到10%時(shí)，基質(zhì)瀝青結(jié)合料的針入度和延度分別增大21.9%和13.6%，而軟化點(diǎn)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(wěn)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(jìn)而顯著提高其低溫抗裂性能。

表4 不同WCO摻量下瀝青結(jié)合料3大指標(biāo)測(cè)試結(jié)果樣品編號(hào)針入度( 25 ℃) /0.1 mm軟化點(diǎn)/℃延度( 5 ℃)/cmA06448.019.8A57245.821.3A107844.222.5A158343.123.8

2.3 高溫穩(wěn)定性

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

圖2 不同WCO摻量下瀝青結(jié)合料G*/sinδ測(cè)試結(jié)果

由圖2可知，各瀝青結(jié)合料的G*/sinδ值隨溫度的升高而逐漸降低，說(shuō)明溫度越高，瀝青結(jié)合料的高溫穩(wěn)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(zhì)瀝青的G*/sinδ值減小，即WCO會(huì)降低瀝青結(jié)合料的剛度，進(jìn)而影響瀝青的高溫穩(wěn)定性，導(dǎo)致其抗變形能力降低。究其原因，WCO可使基質(zhì)瀝青中的輕組分含量增多，使結(jié)合料內(nèi)的連續(xù)相增多，進(jìn)而降低瀝青結(jié)合料的高溫穩(wěn)定性。

2.4 低溫抗裂性

不同WCO摻量下瀝青結(jié)合料的BBR測(cè)試結(jié)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(shí)間的敏感性，m值反映瀝青的應(yīng)力松弛能力。若低溫條件下瀝青結(jié)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(jù)SHRP對(duì)瀝青低溫等級(jí)的規(guī)定，瀝青的S和m值需滿足S<300MPa且m>0.3的標(biāo)準(zhǔn)。

表5 不同WCO摻量下瀝青結(jié)合料BBR測(cè)試結(jié)果瀝青編號(hào)-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(yàn)溫度的降低，不同WCO摻量下瀝青結(jié)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(jié)合料的剛度越大，應(yīng)力松弛能力減弱，不利于抵抗溫度應(yīng)力引起的拉應(yīng)力，致使其抗裂性能降低。同一測(cè)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(shí)，添加5%、10%和15%的WCO 可使基質(zhì)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(shí)，依據(jù)S<300MPa且m>0.3的標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)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(zhì)瀝青的低溫分級(jí)溫度從-12℃降低到-18℃，使其低溫等級(jí)提高一級(jí)。當(dāng)WCO含量增大至15%時(shí)，WCO可進(jìn)一步提高基質(zhì)瀝青的低溫等級(jí)。基于以上分析可知，采用WCO替代部分瀝青時(shí)可使瀝青的延展性增強(qiáng)，應(yīng)力松弛能力增大，減弱低溫條件下溫度應(yīng)力對(duì)其性能的影響，從而提高瀝青的低溫抗裂性能。

2.5 化學(xué)特性

為分析WCO與基質(zhì)瀝青間的化學(xué)反應(yīng)，采用FTIR測(cè)試基質(zhì)瀝青與WCO改性瀝青的FTIR圖譜，結(jié)果如圖3所示。

由圖可知，添加WCO可使基質(zhì)瀝青在1747.75cm-1處出現(xiàn)由于C=O伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的新峰。同時(shí)，WCO可使基質(zhì)瀝青在3300～3600cm-1范圍內(nèi)的O-H鍵振動(dòng)發(fā)生變化。因此，WCO可與基質(zhì)瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和物理共混，并改變?yōu)r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(zhì)瀝青與WCO改性瀝青的FTIR光譜圖

3 結(jié)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(shí)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(diǎn)降低，從而降低瀝青的稠度和硬度，提高瀝青結(jié)合料的塑性，使其具有優(yōu)異的低溫抗裂性，而高溫穩(wěn)定性有所下降。

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

4) WCO可作為傳統(tǒng)石油瀝青替代品，具有潛在應(yīng)用前景。