含餐廚廢油的道路坑槽修補用冷補瀝青室內性能評價

徐 茜， 耿立濤， 魏 雪， 鐘 陽， 馬川義

(1.大連理工大學 交通運輸學院， 遼寧 大連 116024； 2.山東建筑大學 交通工程學院， 山東 濟南 250101；3.齊魯交通發展集團有限公司， 山東 濟南 250101)

餐廚廢油是烹調產生的廢棄劣質油脂，其酸價、丙二醛、過氧化值等指標嚴重超標[1]，并含有鉛、鎘、砷等重金屬及苯并芘等有害物質[2-3].據統計，中國餐廚廢油每年至少產生500萬t[4]，嚴重污染環境并危及飲食安全.國內外學者進行了大量的餐廚廢油再利用研究工作，主要集中在制備生物柴油、建筑及化工材料等方面[5].Shishir等[6]和趙佳平等[7]分別利用聲化學反應、熱裂解、催化酯化工藝對餐廚廢油進行了生物柴油合成研究；Sharma等[8]評價了餐廚廢油所含辛酸的相變性能，并以餐廚廢油研制了用于房頂防水的智能液態聚合物；Zhang等[9]將餐廚廢油制成生物基兩性表面活性劑，并驗證了其油水界面性能；鄧琪等[10]研究了餐飲廢油的皂化機理及制備工藝；王益民等[11]開展了餐廚廢油在混凝土脫模劑中的應用研究.目前，餐廚廢油再利用的處理工藝相對復雜且加工成本較高，限制了餐廚廢油的規?；倮?

坑槽病害是影響路面結構性能與行車安全的一項主要病害，在中國北方地區坑槽病害尤為普遍，主要產生于冬季或春季[12-15].坑槽修補是道路養護部門的一項日常性工作，其特點為對修補材料總需求量大但單位用量少且分散.傳統上采用熱拌瀝青混合料進行坑槽修補，但由于拌和站無法在寒冷季節生產熱拌瀝青混合料，導致道路坑槽無法得到及時修補，加劇了坑槽周邊道路結構的損壞[16-17].冷補瀝青混合料通常采用稀釋瀝青或乳化瀝青與常溫石料拌制而得，其路用性能取決于冷補瀝青與石料的黏附性[18-19].與熱拌瀝青混合料相比，冷補瀝青混合料具有可長時間存儲、使用不受氣候影響、占用人力與機械設備少等優勢[20]，已成為近年來坑槽修補的熱點材料[21-23].從工程應用角度，進口冷補瀝青混合料性能好，但價格昂貴(約為熱拌瀝青混合料的3～5倍)，為此國內學者開展了關于冷補瀝青混合料的研究工作，取得了積極的研究成果[24-27].若能以餐廚廢油作為稀釋劑進行冷補瀝青混合料制備，則可為餐廚廢油的規模化再利用提供一條有益途徑.

本文開展了含餐廚廢油的道路坑槽修補用冷補瀝青混合料的性能評價：首先將餐廚廢油進行簡易物理過濾及吸附處理，與柴油共混作為冷補瀝青的稀釋劑；然后基于設定的混拌工藝，在不同的輔助添加劑摻量下，制備冷補瀝青，利用黏度控制標準初選基質瀝青與稀釋劑的摻配比例；最后優選冷補瀝青混合料的最佳瀝青用量，并在此瀝青用量下評價了優選配方冷補瀝青的黏附性和間接拉伸強度.

1 試驗材料

1.1 餐廚廢油

餐廚廢油(CWO)取自食堂餐廚廢棄物，棕黃色，含少量棕黑色殘渣，呈半稠狀.采用下述工藝對餐廚廢油進行簡易處理，取處理后的樣品進行后續試驗：將餐廚廢油經0.075mm標準篩過濾，除去大體積固體雜質后，再以活性白土吸附脫色，經過濾分離得到處理后的餐廚廢油.經上述工藝處理后的餐廚廢油呈淡黃色，透澈且無可見雜質，流動性較處理前有所增強.處理后餐廚廢油的20℃相對密度為0.9203、酸值為34.46(KOH)mg/g、碘值為94.01g/100g、過氧化值為28.6×10-3mol/kg，含有一定量的醇類、酸類、脂類等物質，部分組分與瀝青(主要由烷烴、環烷烴、芳香族化合物等物質組成)的化學組成相似，但酸值明顯高于基質瀝青.根據相似相容原理，餐廚廢油應該能很好地溶于瀝青中.

1.2 柴油及基質瀝青

選用道路工程中制備稀釋瀝青時普遍采用的國標0#柴油(D)，與餐廚廢油共混作為基質瀝青的稀釋劑.以國產70#道路石油瀝青(A)作為制備冷補瀝青的基質瀝青，其技術指標如表1所示.

表1 基質瀝青的技術指標

1.3 輔助添加劑

基質瀝青經稀釋后黏度降低、流動性增強，從而使冷補瀝青混合料具備了常溫拌和及長時間存儲的能力.但稀釋劑的引入會降低瀝青與石料的黏附性，另一方面，將餐廚廢油加入到稀釋劑中時，其含有的脂類組分也存在降低瀝青與石料黏附性的隱患，從而降低冷補瀝青混合料的抗水剝離性.因此，本文采用自主研發的輔助添加劑(add)來提高冷補瀝青與石料的黏附性.該輔助添加劑由乙烯基類硅氧烷、醇類潤濕劑等材料經化學合成所得，為深棕色無味液體，其相對密度為0.8249，主要作用在于增強稀釋瀝青與集料的界面黏結效應.

2 冷補瀝青的制備

2.1 布氏黏度測試

稀釋劑的摻量與黏度將影響冷補瀝青的黏度，從而影響冷補瀝青的施工和易性及冷補瀝青混合料的可存儲性.依據ASTM D 4402《American society for testing and materials. Standard test method for compressive strength of bituminous mixtures》方法測試了不同溫度下餐廚廢油(CWO)、柴油(D)及二者共混物(CWOD)的布氏黏度，結果如表2所示.表2同時給出了輔助添加劑在各溫度下的布氏黏度測試結果.

由表2可知：各測試樣本的布氏黏度均隨著測試溫度的增加而降低，除輔助添加劑外，各測試樣本的布氏黏度變化幅度均不顯著；相同溫度下柴油的布氏黏度最低，柴油與餐廚廢油的布氏黏度均顯著低于輔助添加劑，更遠低于基質瀝青(見表1)；餐廚廢油與柴油混溶物的布氏黏度則介于二者各自的布氏黏度之間.因此，從降低黏度角度考慮，采用餐廚廢油替代(或部分替代)柴油作為冷補瀝青的稀釋劑具有可行性，且當稀釋劑總體用量固定時，稀釋劑中柴油與餐廚廢油質量比的變化將不會對冷補瀝青的布氏黏度產生明顯影響.

表2 布氏黏度測試結果

2.2 冷補瀝青的制備與初選

通常以60℃布氏黏度來表征冷補瀝青的施工和易性，其適宜值約為0.8～1.6Pa·s[28-30].本文以下述工藝制備冷補瀝青：首先將基質瀝青加熱至135℃，然后加入餐廚廢油與柴油共混后的稀釋劑，保持體系溫度為(90±10)℃，勻速攪拌30min至體系混合均勻，繼續保持該溫度，加入輔助添加劑，再勻速攪拌90min，得到冷補瀝青樣品.選用表2所示的柴油與餐廚廢油質量比、基質瀝青與稀釋劑質量比以及輔助添加劑摻量(外摻，質量分數，文中涉及的摻量、用量等均為質量分數)來制備冷補瀝青，并測定其60℃布氏黏度，結果列于表3.

表3 冷補瀝青的60℃布氏黏度測試結果

由表3可知：稀釋劑對冷補瀝青布氏黏度的影響最為顯著，當基質瀝青與稀釋劑質量比由83∶17變化至75∶25時，冷補瀝青的60℃布氏黏度降低了約2.5～2.8倍；輔助添加劑的摻量對冷補瀝青布氏黏度的影響較??；稀釋劑中柴油與餐廚廢油的質量比由 85∶ 15變化至65∶35時，以及輔助添加劑摻量由0%變化至4%時，冷補瀝青的布氏黏度變化均在10%以內.表3中當基質瀝青與稀釋劑質量比為79∶21和 77∶ 23時，冷補瀝青的60℃布氏黏度均介于1.0～1.6Pa·s之間，故初選這2組配方進行后續冷補瀝青混合料的制備與測試.

3 冷補瀝青混合料的制備與測試

采用石灰巖石料拌制冷補瀝青混合料，礦料級配依據文獻[29]推薦的級配范圍進行選擇，具體級配設計見表4.

表4 冷補瀝青混合料的級配設計

采用柴油與餐廚廢油質量比(85∶15、75∶25、65∶35)、輔助添加劑摻量(0%、3%、4%)、基質瀝青與稀釋劑質量比(79∶21、77∶23)全組合下的18組冷補瀝青樣品，制備了冷補瀝青混合料.其中瀝青用量(Pb)取4.4%、4.7%、5.0%和5.3%，以相同的工藝進行拌和試驗，于室溫條件下在相同容器中以玻璃棒人工攪拌10min，獲得冷補瀝青混合料樣品，每種冷補瀝青混合料均準備500g樣品.拌和試驗過程中發現，冷補瀝青混合料的拌和效果受瀝青用量影響最為顯著：當瀝青用量較低(4.4%)時，集料表面瀝青裹附不勻；當瀝青用量偏高(5.3%)時則存在瀝青流淌現象；當瀝青用量為4.7%和5.0%時，集料表面瀝青裹附均勻、混合料具有油潤光澤且無瀝青流淌現象.而基質瀝青與稀釋劑的質量比、稀釋劑中柴油與餐廚廢油的質量比及輔助添加劑摻量的變化對拌和效果無明顯影響.

冷補瀝青與集料的黏附性是表征冷補瀝青混合料性能優劣的核心指標，黏附性差則冷補瀝青混合料容易因水的影響而產生松散，導致坑槽修補失敗[19,30].本文取瀝青用量適中(4.7%、5.0%)的36組冷補瀝青混合料樣品進行黏附性測試及評價，其方法為：稱取50g冷補瀝青混合料置入沸水中，保持煮沸狀態并以玻璃棒勻速攪拌2min，撇除表面漂浮的瀝青后，隨機揀取100粒集料置于白紙上逐一觀察每顆集料表面的瀝青裹覆情況，統計表面完全被瀝青膜裹覆的集料數量記為裹附率(%)，裹附率高則黏附性佳.黏附性評價結果如表5所示.

表5 冷補瀝青混合料的裹附率

從表5可看出：輔助添加劑對于提升冷補瀝青混合料的黏附性貢獻顯著，未摻加輔助添加劑時所有冷補瀝青混合料樣品經水煮后瀝青均全部脫落，摻加輔助添加劑后冷補瀝青混合料的裹附率明顯提升，且該值隨著輔助添加劑摻量的提高而增大；隨著稀釋劑中餐廚廢油比例的增加、冷補瀝青中稀釋劑比例的增大以及冷補瀝青用量的降低，冷補瀝青混合料的黏附性產生了輕微的降低，但裹附率均在95%以上.

對于摻加輔助添加劑的各冷補瀝青混合料樣品，基于JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行間接拉伸強度測試，測試溫度為20℃、加載速率為50mm/min.由于稀釋瀝青類冷補瀝青混合料在稀釋劑開始揮發前(存儲期內或使用初期)呈松散狀態，為獲得可進行強度測試且具有代表性的試件，借鑒文獻[30]的方法進行試件制備：將冷補瀝青混合料置于135℃烘箱中養護12h后，在該溫度下以標準馬歇爾擊實儀雙面擊實(75次/面)獲得測試試件，該方法可模擬實際工程中坑槽修補使用數月后的冷補瀝青混合料狀態.表6為間接拉伸強度的測試結果.

表6 冷補瀝青混合料的間接拉伸強度

由表6可知：輔助添加劑摻量及基質瀝青與稀釋劑的質量比對冷補瀝青混合料的間接拉伸強度均產生了影響，提高輔助添加劑的摻量或降低稀釋劑的摻量均可提高冷補瀝青混合料的間接拉伸強度.原因在于二者均有助于增加瀝青與集料的黏附性，從而使得冷補瀝青混合料獲得更高的間接拉伸強度，其中尤以輔助添加劑摻量的影響更為明顯；稀釋劑中柴油與餐廚廢油的質量比及冷補瀝青用量則未對冷補瀝青混合料的間接拉伸強度產生明顯影響.綜合拌和試驗、黏附性測試及間接拉伸強度測試的結果認為，含餐廚廢油冷補瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.7%～5.0%.

4 結論

(1)從降低稀釋劑黏度的角度考慮，采用餐廚廢油部分替代柴油作為冷補瀝青稀釋劑具有可行性.

(2)瀝青用量是影響冷補瀝青混合料拌和效果的主要因素，基質瀝青與稀釋劑的質量比、稀釋劑中柴油與餐廚廢油的質量比及輔助添加劑的摻量對混合料拌和效果無明顯影響.

(3)稀釋劑中餐廚廢油摻量增加會對冷補瀝青混合料的黏附性產生輕微的負面影響、對冷補瀝青混合料的間接拉伸強度無明顯影響；摻加輔助添加劑后冷補瀝青混合料的黏附性可滿足使用需求.

(4)含餐廚廢油冷補瀝青的建議配方為：稀釋劑中柴油與餐廚廢油質量比85∶15～65∶35，基質瀝青與稀釋劑的質量比79∶21～77∶23，輔助添加劑摻量3%～4%(外摻).

(5)餐廚廢油冷補瀝青混合料的最佳瀝青用量為4.7%～5.0%.