廢食用油/新瀝青復合再生混合料路用性能研究*

劉思晴 陳美祝 張 東 柳景祥

(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

廢舊瀝青混合料的再生工藝有熱再生、冷再生兩種[1]，再生材料有軟瀝青、乳化瀝青、泡沫瀝青及再生劑等[2].Asli等[3]研究發現廢食用油可作為瀝青再生劑并改善老化瀝青的物理性能.Chen等[4-5]研究發現廢食用油能有效改善老化瀝青的物理、流變性能，并提高老化瀝青混合料的水穩定性能，但混合料的高溫性能有待進一步改善.Sawatzky等[6]在專利中提出了一種主要組分為污水污泥衍生油和軟瀝青的再生劑，能有效再生廢舊瀝青混合料，但工藝要求較高；王永剛等[7]采用新瀝青及廢機油對老化瀝青混合料進行復合再生，可節約50%以上的鋪筑瀝青.

為進一步改善廢舊瀝青混合料的再生效果，文中采用廢食用油及新瀝青對老化混合料進行復合再生.通過對再生混合料低溫性能、水穩定性能、高溫性能及疲勞性能進行測試，并采用薄層色譜分析瀝青再生前后化學組分的變化，為廢油再生瀝青的實際應用提供理論基礎.

1 原材料與實驗方法

1.1 原材料

瀝青選用AH-90重交石油瀝青，基本性能指標見表1，采用薄層色譜及熱裂解氣象色譜(Py-GC/MS)分析瀝青的化學組成，結果見表2.

表1 AH-90瀝青性能指標

表2 瀝青的四組分及GC-MS結果

廢食用油采用煎炸油，基本性能指標、四組分及Py-GC/MS測試結果見表3～4.

表3 廢食用油性能指標

集料采用安山巖，填料為石灰石礦粉， 測試結果均滿足相關規范標準，主要技術指標見表5～6.

表4 廢食用油的四組分及Py-GC/MS結果

表5 粗集料的主要技術指標

1.2 實驗方法

表6 礦粉的主要技術指標

依據文獻[8]中熱拌瀝青混合料加速老化方法(T0734-2000)，制備老化瀝青混合料，并采用熱再生的方式對老化瀝青混合料進行再生.

首先將老化瀝青混合料置于140 ℃烘箱中保溫2 h，再將其于175 ℃下預拌和60 s；向老化混合料中分別添加質量分數不同的廢食用油(6%，8%，10%，12%，14%)，繼續拌和90 s，獲得廢食用油再生混合料；研究廢食用油再生瀝青混合料的水穩定性能及低溫性能，以確定廢食用油的最佳摻量；向廢油再生瀝青混合料(最佳摻量)中分別添加質量分數不同的新瀝青(4%，8%，12%，16%，按舊瀝青質量百分比計，下文同)，于165 ℃下拌和90 s后制得復合再生瀝青混合料.按照文獻[8]所規定的實驗方法對混合料進行低溫性能、水穩定性能、高溫性能及疲勞壽命測試.具體的技術路線見圖1.

圖1 技術路線

2 結果與討論

2.1 最佳廢食用油摻量的確定

2.1.1低溫性能

瀝青路面抵抗低溫收縮變形開裂的能力稱為低溫抗裂性，它是評價瀝青路面低溫性能的重要指標.實驗室常采用試件的彎曲蠕變柔量評價試件的低溫抗裂性能，計算公式為

(1)

×d(t)=α×d(t)

(2)

(3)

式中：J(t)為彎曲蠕變柔量，1/MPa；ε(t)為彎拉應變；σ0為彎拉應力；h，b分別為跨中斷面試件的高度及寬度；L為試件寬度；L1為端部到支點的距離；q為單位長度的質量；F0為加載過程中承受的載荷.

廢食用油摻量對老化瀝青混合料彎曲蠕變柔量的影響見圖2.低溫狀態下，蠕變柔量越大，瀝青混合料在低溫下的變形適應能力越強.由圖2可知，老化瀝青混合料的蠕變柔量遠小于未老化瀝青混合料.隨著廢食用油摻量的增加，再生混合料的蠕變柔量呈現先增大后減小的趨勢.當廢食用油摻量為12%時，再生瀝青混合料的蠕變柔量達到最大值261 MPa-1，接近未老化瀝青混合料的85.8%，再生效果明顯.這是因為廢食用油中富含輕質組分，能較好地軟化瀝青，提高老化瀝青的流動性，改善其低溫抗裂性.當廢食用油摻量過高時，多余的油分游離在混合料中，導致其低溫性能下降.

圖2 廢食用油摻量對老化瀝青混合料彎曲蠕變柔量的影響

2.1.2水穩定性能

水穩定性能反映瀝青混合料抵抗因水侵蝕而產生剝離、松散、坑槽等病害的能力，采用凍融劈裂實驗及浸水馬歇爾實驗進行評價.廢食用油摻量對老化瀝青混合料水穩定性能的影響見圖3.

圖3 廢食用油摻量對老化瀝青混合料MS0,TSR值的影響

凍融劈裂強度比(tensile strength ratio,TSR)，即凍融循環前后劈裂強度的比值.TSR值越大，瀝青混合料的抗水損害能力越強.殘留穩定度(marshall stability,MS0)是指試件恒溫水浴后與標準馬歇爾穩定度的比值.MS0值越大，瀝青混合料的水穩定性能越好.由圖2可知，隨著廢食用油摻量的增加，再生混合料的TSR及MS0值均呈現先增大后減小的趨勢.當廢食用油摻量為12%時，廢食用油再生混合料的TSR及MS0均達到了最大值，分別為78.63%和78.91%，接近未老化瀝青混合料的水平(82.7%和82.8%)，但仍不滿足規范要求(MS0≥80%).這是因為廢食用油的摻入能增強瀝青與集料間的粘附性，減少引發水損害的薄弱點，從而改善老化瀝青混合料的抗水損害性能.

廢食用油中富含輕質組分，與瀝青中油分類似，將其添加到老化瀝青中能較好地調節四組分的配比.然而，廢食用油對老化瀝青的再生效果有限，且過量的廢食用油易造成瀝青與集料間的粘附性下降.由圖2～3可知，當廢食用油摻量為12%時，再生混合料的低溫性能及水穩定性能均達到最佳，故選用12%作為廢食用油的最佳摻量.

2.2 廢食用油/新瀝青復合再生混合料

2.2.1水穩定性能

當廢食用油摻量為12%時，再生混合料的MS0為78.91%，不滿足規范要求(MS0≥80%).為進一步改善老化瀝青混合料的水穩定性能，在廢食用油再生瀝青混合料中摻入新瀝青進行復合再生，新瀝青摻量對廢油再生混合料水穩定的影響見圖4.

圖4 新瀝青摻量對廢油再生瀝青混合料MS0,TSR值的影響

由圖4可知，隨著新瀝青摻量的增加，復合再生混合料的TSR，MS0值均呈現先增加后減小的趨勢，且均優于未添加新瀝青的廢食用油再生混合料，并滿足文獻[8]要求(TSR≥75%，MS0≥80%).當新瀝青摻量為8%時，復合再生混合料TSR,MS0值分別達到最高值88.47%,88.2%，接近未老化瀝青混合料的92.4%,93.0%，改善效果明顯.新瀝青的摻入能進一步提高瀝青與礦料間粘附性，避免水侵蝕時發生瀝青膜剝離、松散的現象，進而增大混合料的強度，抗水損害能力增強.

2.2.2低溫性能

為了進一步改善老化瀝青混合料的低溫性能，在廢食用油再生瀝青混合料中添加新瀝青進行復合再生，新瀝青摻量對廢油再生混合料彎曲蠕變柔量的影響見圖5.由圖5可知，隨著新瀝青摻量的增加，復合再生混合料的蠕變柔量呈現先增加后減小的趨勢.當新瀝青摻量為12%時，復合再生混合料的蠕變柔量值達到最大(293 MPa-1)，接近未老化瀝青混合料的96.3%，滿足相關規范要求.新瀝青的摻入可以增加老化瀝青的黏彈性，提高混合料的極限變形能力，從而改善再生混合料的低溫性能，但新瀝青摻量過多時，游離的瀝青膠漿會降低混合料的低溫性能.

圖5 新瀝青摻量對廢油再生瀝青混合料彎曲蠕變柔量的影響

2.2.3高溫性能

高溫穩定性，即瀝青混合料在夏季高溫條件下，經車輛載荷長期作用后，不產生車轍、推移、波浪、壅包等病害的能力.利用車轍實驗評價瀝青混合料高溫抗永久變形能力，結果見圖6.

圖6 新瀝青摻量對廢油再生瀝青混合料動穩定度的影響

動穩定度越大，瀝青混合料高溫穩定性能越好.由圖6可知，隨著新瀝青摻量的增加，復合再生混合料的動穩定度先些許增加后急劇下降.當新瀝青摻量為4%時，動穩定度為1 550次/mm，接近未老化瀝青混合料的66%，較廢食用油再生混合料有所改善，但改善效果不佳.這是因為瀝青老化后，發生一系列脫氫、縮合等反應，質地變硬，抵抗高溫變形的能力增加.廢食用油的添加使老化瀝青軟化，高溫抗變形能力減弱，動穩定度下降.新瀝青中油分較廢食用油相對較少，添加適量的新瀝青，能提高老化瀝青的粘度，改善其高溫性能.但過量的新瀝青使老化瀝青混合料質地變軟，高溫抗變形能力下降，從而影響其高溫性能.

2.2.4疲勞性能

疲勞是指由于荷載的重復作用，在遠低于材料的極限強度下發生路面開裂的一種破壞現象，疲勞性能主要表征瀝青路面抵抗疲勞斷裂破壞的能力.文中采用瀝青混合料四點彎曲疲勞壽命實驗進行評價，結果見圖7.

圖7 新瀝青摻量對廢油再生混合料疲勞壽命的影響

疲勞壽命越大，瀝青路面抵抗疲勞斷裂破壞的能力越強.由圖7可知，隨著新瀝青摻量的增加，復合再生混合料的疲勞壽命先增大后減小，且均優于廢食用油再生混合料.當新瀝青摻量達到12%時，復合再生瀝青混合料的疲勞壽命達到最佳(1 820次)，接近未老化瀝青混合料(疲勞壽命為2 045次)的89%，較未加新瀝青的再生混合料(疲勞壽命為1 112次)改善效果明顯.這是因為瀝青老化后，與集料間粘附性下降，混合料力學強度降低，疲勞壽命縮短.新瀝青的添加能提高老化瀝青與集料間的粘結能力，改善其抗疲勞性能.

2.3 四組分分析

采用棒狀薄層色譜法將瀝青分為飽和分、芳香分、膠質及瀝青質四個組分.膠體理論認為，瀝青的膠體結構是若干個聚集的瀝青質顆粒吸膠質形成膠團，分散于溶膠質中.凝膠指數Ic被用來反映瀝青中老化過程中膠體結構的變化，計算公式為

Ic=(As+S)/(Ar+R)

(4)

式中：As為瀝青質；S為飽和分；Ar為芳香分；R為膠質.

芳香分和飽和分屬于輕質油分，在瀝青中起著潤滑和軟化作用.瀝青質相對分子量大，結構復雜，對瀝青的硬度及感溫性能有重要影響.圖8為新瀝青及復合再生瀝青四組分的含量.由圖8可知，隨著新瀝青摻量的增加，芳香分含量逐漸增加，而瀝青質含量呈現先減小后增大的趨勢，膠質與飽和分變化不大.這是因為與廢油再生瀝青相比，新瀝青中含有更高的芳香分，較小的瀝青質.

圖8 新瀝青及復合再生瀝青的四組分含量

表7為新瀝青及不同新瀝青摻量復合再生瀝青的凝膠指數，Ic值越高，膠體結構越趨向凝膠結構.由表7可知，新瀝青的Ic值較復合再生瀝青小，且隨著新瀝青摻量的增加，復合再生瀝青的Ic值呈現逐漸減小的趨勢.這是因為隨著新瀝青摻量的增大，老化瀝青中有足夠的芳香族組分，分散瀝青質膠團的能力增強，不易形成空間網狀結構，膠體結構趨向溶膠型.

表7 新瀝青與復合再生瀝青的凝膠指數

3 結 論

1) 廢食用油對老化瀝青的再生效果較好，當廢食用油摻量為12%時，廢油再生瀝青混合料的低溫抗裂性能及抗水損害性能達到最佳，恢復至未老化混合料的80%以上.

2) 新瀝青與廢食用油的復合添加，能進一步提高老化瀝青混合料的低溫抗裂性能、水穩定性能及抗疲勞性能，而高溫穩定性能有待進一步改善.當新瀝青摻量為8%時，復合再生混合料的TSR，MS0、蠕變柔量及疲勞壽命值達到最佳，分別為88.4%, 88.2%, 293 MPa-1及 1 820次，恢復至未老化混合料的90%以上.

3) 從微觀機理上講，隨著廢食用油及新瀝青的添加，老化瀝青中芳香分增加、瀝青質減小，膠體不穩定指數降低，膠體結構向溶膠型轉變.

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