萬貴穩(wěn) 陳美祝 柳景祥 劉思晴 林 豪

(武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室 武漢 430070)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生500～750萬噸的廢食用油[1]，預計到2020年我國廢潤滑油年產(chǎn)量會達到5億L[2].面對如此巨大的廢油產(chǎn)量，如果得不到合理的利用，將會嚴重危害環(huán)境，危害人類健康.

目前我國對廢食用油的利用方式主要有：①生產(chǎn)生物柴油[3-5]，雖然在一定程度上使廢食用油得到了利用，但是其利用率仍然較低；②生產(chǎn)肥皂[6]，這種利用方式會產(chǎn)生二次污染；③用于瀝青改性或再生.對于廢潤滑油的處置方式主要有[7-8]：①丟棄或焚燒，會污染土壤、水域與空氣；②廢潤滑油經(jīng)脫重金屬后作為燃料；③道路油化，利用非潤滑油的粘度，在塵土飛揚的路上加入廢潤滑油，廢油和塵土一起，使塵土不易飛揚；④二次處理后作為潤滑油再利用.

根據(jù)瀝青老化機理，瀝青老化后具體表現(xiàn)為芳香分含量降低，瀝青質(zhì)含量增加，老化瀝青的再生主要依靠再生劑和新瀝青對其化學組成和個組分之間的含量進行調(diào)整.早期的再生劑大部分使用石油化工生產(chǎn)出來的輕質(zhì)油，如柴油、機油、潤滑油.由于廢食用油是一種低粘度的油料，其中芳香分的含量較高，可以補充瀝青老化過程中損失的芳香分，因此，國內(nèi)外開展了大量有關將廢油作為瀝青改性劑和再生劑的研究.Azahar等[9]將廢食用油作為改性劑加入到瀝青中，結(jié)果表明廢食用油使瀝青的物理性能及流變性能得到了明顯的改善.冷濱濱等[10]將廢食用油作為瀝青再生劑并研究了其對不同瀝青的再生效果，結(jié)果表明，廢食用油能明顯改善老化瀝青的各項物理指標并使老化瀝青恢復至原樣瀝青的水平.廢潤滑油屬于石油化工產(chǎn)品，是由原油提煉得到的，并且含有大量的烷烴等有機物，其成分與瀝青相似.但是目前國內(nèi)外對于廢潤滑油用于瀝青再生的研究還較少，王永剛等[11]將潤滑油精制過程中產(chǎn)生的廢油作為再生劑由于廢舊瀝青混合料的再生，結(jié)果表明，再生瀝青混合料完全滿足要求.

綜上所述，之前對廢油再生瀝青的研究僅僅局限于一種廢油，并且對于廢潤滑油再生瀝青的研究較少.基于此，文中基于對廢潤滑油再生瀝青性能的研究，并對比分析了廢食用油和廢潤滑油對瀝青再生效果的差異.

1 原材料及實驗方法

1.1 原材料及其基本性能

采用70#基質(zhì)瀝青，其物理性能見表1；廢食用油為煎炸廢油；廢潤滑油為經(jīng)機械磨削使用后產(chǎn)生的，其基本性能見表2.

表1 70#瀝青基本性能指標

表2 廢油基本性能指標 %

1.2 實驗方法

技術路線圖見圖1，瀝青的老化按照文獻[12]的實驗方法，薄膜烘箱實驗是在163.5 ℃下老化5 h,壓力老化實驗是在100 ℃下老化20 h，將70#新鮮瀝青先進行薄膜烘箱老化(TFOT)，然后再進行壓力老化(PAV)制得老化瀝青.向老化瀝青中分別加入質(zhì)量分數(shù)為3%～9%的廢食用油，制得廢食用油再生瀝青；由表2兩種廢油的基本性能來看，廢潤滑油中的輕質(zhì)組分含量要低于廢食用油，并且在前期探索實驗中發(fā)現(xiàn)較低摻量的廢潤滑油對老化瀝青的再生效果不明顯.因此增大了廢潤滑油在老化瀝青中的摻量，將5%～20%的廢潤滑油加入到老化瀝青中，制得廢潤滑油再生瀝青.

圖1 技術路線圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同廢油對老化瀝青物理性能的影響

2.1.1針入度

針入度可以表征瀝青的軟硬程度和抵抗剪切破壞的能力，同時也反映了瀝青在特定條件下的稠度.針入度越大，瀝青越軟，針入度越小，瀝青越硬.圖2為兩種廢油在25 ℃下對老化瀝青針入度的影響結(jié)果.由圖2可知，瀝青老化后針入度明顯減小，說明瀝青老化后瀝青變硬，隨著廢油的加入，針入度均隨著兩種廢油摻量的增大而增大，但是兩種廢油使其增大的幅度存在差異.廢食用油再生瀝青針入度增加的幅度要大于廢潤滑油，當兩種廢油的摻量相同時，廢食用油的再生效果要明顯優(yōu)于廢潤滑油.這說明兩種廢油都能使瀝青變軟，并且使得瀝青的稠度變小，使瀝青能夠更好地裹覆于集料表面，但是廢食用油的效果更明顯.

圖2 不同廢油對老化瀝青針入度的影響

2.1.2軟化點

軟化點反映了瀝青的粘度和對溫度的敏感性，是衡量瀝青高溫性能的重要物理指標.瀝青的軟化點越高，粘度越大，溫度穩(wěn)定性越好.圖3為兩種廢油對老化瀝青軟化點的影響.由圖3可知，瀝青老化后軟化點增大，當加入廢油后，軟化點降低，并且隨著廢油摻量的增大，軟化點降低的也越明顯.與針入度結(jié)果相似，兩種廢油對軟化點的影響存在差異，廢食用油對軟化點的影響效果相對于廢潤滑油來說更加明顯，軟化點下降的幅度較大.這說明兩種廢油都能使瀝青變軟，溫度敏感性增強，高溫穩(wěn)定性下降，這與前面的針入度的實驗結(jié)果是一致的.因此，要控制廢油的摻量，廢油的摻量過高，使瀝青的粘性成分過多，對高溫性能有不利影響.

2.1.3延度

延度是瀝青受到外力拉伸作用時，所能承受的塑性變形的總能力，是衡量瀝青低溫柔韌性能的重要指標.表3為兩種廢油對老化瀝青延度的影響情況，由表3可知，當廢食用油摻量在3%～9%，廢潤滑油摻量在5%～20%時，老化瀝青的延度都隨著廢油摻量的增加而增大，但是廢食用油對瀝青延度的改善效果要比廢潤滑油明顯.當廢食用油和廢潤滑油的摻量為3%和5%時，延度值均已大于100 cm，滿足文獻[12]的要求.說明兩種廢油對延度的改善效果都很好，使瀝青的低溫柔韌性能和抗開裂性能變好，這與針入度、軟化點的實驗結(jié)果是一致的.同時，值得注意的是，不同廢油對瀝青的影響效果是不一樣的，因此，要根據(jù)不同廢油來確定不同的摻量.

圖3 不同廢油對老化瀝青軟化點的影響

摻量/%廢食用油03579廢潤滑油05101520延度(15℃)/cm57190500>500>50057124214280446

2.2 兩種廢油對老化瀝青低溫流變性能影響

對瀝青進行彎曲梁流變實驗可以研究瀝青的低溫流變性能，通過實驗可以獲得兩個實驗參數(shù)：蠕變勁度模量和蠕變速率.

蠕變勁度模量(S)為瀝青抵抗永久變形的能力.蠕變勁度模量越大，瀝青中的粘性成分越多，彈性成分越少，材料抵抗永久變形的能力越差.圖4為-12 ℃下兩種廢油對老化瀝青蠕變勁度模量影響的情況.由圖4可知，相對于原樣瀝青，老化瀝青的蠕變勁度模量明顯增大，加入廢油后，蠕變勁度模量明顯降低，當廢食用油和廢潤滑油的摻量分別為3%和5%時，再生瀝青的蠕變勁度模量與原樣瀝青相當.說明廢油的加入使老化瀝青中的彈性成分增多，抵抗永久變形的能力變好.值得注意的是，蠕變勁度模量隨著廢油的加入其下降的幅度減小.

圖4 不同廢油對老化瀝青蠕變勁度模量的影響

蠕變速率(m)為瀝青的應力松弛能力.m值越大，說明瀝青的應力松弛性能越好，其抵抗低溫開裂的能力也越好.圖5為在-12 ℃下兩種廢油對老化瀝青蠕變速率的影響情況，由圖5可知，相對于原樣瀝青，老化瀝青的蠕變速率明顯降低，加入廢油后，兩種廢油再生瀝青的蠕變勁度都隨著廢油摻量的增加而增大.說明兩種廢油的加入都能使老化瀝青的應力松弛性能變好.但是相同摻量的兩種廢油對瀝青的影響效果不同，廢食用油對老化瀝青的影響效果較廢潤滑油要更明顯，這是由于廢食用油中輕質(zhì)組分的含量要多于廢潤滑油.

圖5 不同廢油對老化瀝青蠕變速率的影響

2.3 高溫流變性能

2.3.1復合模量

復合模量(G*)為瀝青樣品在重復剪切時產(chǎn)生的變形總量.在高溫環(huán)境下復合模量越大，瀝青的變形總量越小，瀝青的彈性性能越好.圖6是兩種廢油再生瀝青的復合模量隨廢油摻量和溫度的變化情況.由圖6可知，復合模量隨溫度的升高而降低，相對于原樣瀝青，老化瀝青的復合模量明顯增加，這說明瀝青老化后其抵抗變形的能力增強.與基本物理性能的實驗結(jié)果一致，隨著廢油的加入，同溫度下復合模量隨著廢油摻量的增加而下降，這說明廢油的加入對瀝青起到了軟化作用，增加了瀝青中的粘性成分.如果瀝青中的粘性成分過多會使瀝青的高溫性能變差，因此，要適當控制廢油的摻量.另外，當廢食用油和廢潤滑油的摻量分別為5%和15%時，再生瀝青的復合模量接近原樣瀝青，說明兩種廢油對老化瀝青起到了再生效果.

圖6 不同廢油對老化瀝青復合模量的影響

2.3.2相位角

相位角(δ)的大小可以表征瀝青中粘性成分和彈性成分的多少.在高溫環(huán)境下，相位角越小，瀝青中的彈性成分越多，粘性成分越少，瀝青越不易產(chǎn)生流動變形.圖7為兩種廢油再生瀝青的相位角隨廢油摻量和溫度變化的情況.由圖7可知，瀝青的相位角隨溫度的升高而增大，瀝青老化后同溫度下相位角明顯下降，加入廢油后，兩種再生瀝青同溫度下相位角都明顯下降，但是，廢食用油對相位角的影響效果更為明顯.值得注意的是，對于廢食用油和廢潤滑油的摻量分別在3%～9%和5%～20%范圍內(nèi)，兩種廢油再生瀝青的相位角都小于原樣瀝青，這說明兩種廢油再生瀝青高溫抵抗流動變形的能力都優(yōu)于原樣瀝青.

圖7 不同廢油對老化瀝青相位角的影響

2.3.3車轍因子

G*與δ的正弦比值G*/sinδ即車轍因子，反映了瀝青高溫下抵抗相對變形的能力，車轍因子越大表示高溫性能越好.圖8為兩種廢油對老化瀝青車轍因子的影響情況.由圖8可知，老化瀝青的車轍因子明顯升高，并且瀝青的車轍因子隨溫度的升高而降低.加入廢油后，同溫度下瀝青的車轍因子隨廢油摻量的增加而逐漸減小，這說明升高溫度和加入廢油都使瀝青變得更軟，說明廢油能使老化瀝青軟化.當廢食用油和廢潤滑油摻量分別為5%和15%時，再生瀝青的車轍因子與70#原樣瀝青基本一致，繼續(xù)增加廢油的摻量，使得再生瀝青的車轍因子低于原樣瀝青，高溫抗車轍性能較差.

圖8 不同廢油對老化瀝青車轍因子的影響

3 結(jié) 論

1) 常規(guī)物理性能測試顯示, 兩種廢油都能使老化瀝青的物理性能得到改善，使瀝青變軟，當廢食用油和廢潤滑油摻量的質(zhì)量分數(shù)分別為7%, 20%時，可以使70#老化瀝青恢復至原樣瀝青的水平的90%，廢食用油的改善效果較廢潤滑油要明顯.

2) 流變性能測試結(jié)果顯示，對于低溫流變性能，廢食用油和廢潤滑油都能使老化瀝青的蠕變勁度模量明顯降低，蠕變速率明顯升高；對于高溫流變性能，兩種廢油都使老化瀝青的復合模量減小，相位角增大，車轍因子下降.在相同摻量下，廢食油再生瀝青的流變性能優(yōu)于廢潤滑油.

3) 兩種廢油都可使瀝青得到再生，改善老化瀝青的低溫性能，并可恢復至原樣瀝青水平，起到了對老化瀝青軟化的效果，但是若摻量過大會對高溫性能有不利影響.另外，廢食用油對老化瀝青的再生效果要優(yōu)于廢潤滑油，這是由于廢食用油中的芳香分的成分要比廢潤滑油中的多，而對老化瀝青再生起關鍵作用的是廢油中的芳香分.

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