廢機油殘留物再生瀝青的抗老化性能

李 晉,于淼章,崔新壯,2，李英勇，盛余祥

(1.山東交通學院 交通土建工程學院，山東 濟南 250357；2.山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250061; 3.山東省交通運輸事業服務中心，山東 濟南 250002；4.日照市水務集團有限公司，山東 日照 276826)

中國每年僅交通行業就產生2500～3000萬t的廢機油(REO)[1]，其中70%～80%可以通過蒸餾-白土或蒸餾-加氫精制等再生工藝實現回收利用[2]，剩余20%～30%的殘渣油因混入雜質較多而無法有效回收利用，被稱為廢機油殘留物(REOB).針對REOB，大多采用丟棄、掩埋或燃燒進行處理，如此將造成嚴重的環境污染.為實現對REOB的資源再利用，同時為尋求性能良好且經濟的瀝青改性劑或再生劑，基于REOB與瀝青的相似相容性，國內外相繼出現了將REOB用于瀝青材料的相關專利報道[3-4]和探索.Hesp等[5-6]采用X射線熒光光譜(XRF)證實REOB可用于瀝青結合料中，并探討了REOB對瀝青路面開裂的不利影響；Rubab等[7]將REOB與直餾瀝青拌和后，發現REOB雖能增加瀝青的性能等級，但也會加快改性后瀝青的氧化速度；丁海波等[8-9]利用REOB對瀝青進行改性或再生，試驗發現REOB對瀝青的抗延性斷裂性能及低溫性能不利.究其原因，應該是REOB中的石蠟會使瀝青質沉淀，以及鐵、銅、鉻等金屬會加速瀝青氧化，從而促使REOB及瀝青的老化所致.因此，為探討REOB用作瀝青再生劑的長期穩定性及缺陷，有必要針對REOB再生瀝青的抗老化性能開展全面系統的研究.

本文以REOB作為模擬老化瀝青的再生劑，通過對REOB自身、REOB再生瀝青以及REOB再生瀝青混合料3個層面的老化性能進行對比分析，綜合評價了老化對REOB再生瀝青及其混合料路用性能的影響，從而為REOB用于瀝青再生提供改進依據.

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1再生劑

廢機油殘留物(REOB)取自于某大型廢機油處理廠，對其微量元素含量(質量分數，本文所涉及的含量、組分等均為質量分數)進行XRF分析，結果見表1；同時選取市場上一種以礦物油作為基礎油的專業再生劑RA5作為對比，采用棒狀薄層色譜測試了兩者的四組分含量及基本性質，結果見表2.

表1 REOB的XRF分析結果

1.1.2瀝青

原樣瀝青選用70-A基質瀝青，其性能分級為PG70-28.原樣瀝青經薄膜烘箱老化試驗(TFOT)及壓力老化容器(PAV)試驗后制得模擬老化瀝青.在150℃下，分別添加占老化瀝青質量7%、5%的REOB和RA5，并以4000r/min的轉速高速剪切10min，制備出REOB再生瀝青和RA5再生瀝青，此時兩者的物理指標及PG分級均恢復至接近原樣瀝青的水平.不同瀝青結合料的性能指標見表3.

表3 不同瀝青結合料的性能指標

1.1.3瀝青混合料

為準確比較3種瀝青對瀝青混合料性能的影響，分別以REOB再生瀝青、RA5再生瀝青和70-A基質瀝青作為AC-20瀝青混合料的膠結料，并采用馬歇爾設計法得到3種瀝青混合料的最佳油石比均為4.4%.

1.2 試驗方法

1.2.1延時TFOT試驗

標準TFOT試驗能模擬瀝青在拌和及攤鋪過程中的短期老化，PAV試驗能模擬路面服役5a后的瀝青老化，但研究發現標準TFOT試驗未能使瀝青達到充分老化[10].因此，采用改進的延時TFOT試驗(老化時間分別為5、10、15、20、25h)來模擬瀝青壽命周期內的老化.具體步驟參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的標準試驗，需注意的是在每老化5h后要用玻璃棒對試樣皿中的瀝青進行攪拌，以避免瀝青表面結膜，減緩氧氣進入瀝青內部而降低其氧化速率[6].

1.2.2布氏黏度試驗與彎曲梁流變試驗

布氏旋轉黏度計型號為NDJ-1C，上海昌吉地質儀器有限公司生產；彎曲梁流變儀(BBR)型號為TE-BBR-F，美國CANNON設備公司生產；按照JTG E20—2011中相關方法測試瀝青黏度及其蠕變勁度、蠕變速率.

1.2.3加速加載試驗

為在較短時間內快速模擬若干年內實際交通荷載對路面的破壞情況，采用自主研發的回轉式加速加載試驗系統(RALT)[11]，在常溫和高溫下開展了路面加速加載試驗.RALT的外形尺寸為3360mm×2120mm×2526mm；最大軸載為10kN，輪胎壓力為0.8～1.2MPa，碾壓速度為10～35km/h(3000次/h～15000次/h)；有效加載長度為1m.RALT另設有溫度調節系統，可調溫度為-15～60℃.

1.2.4落錘式彎沉儀

落錘式彎沉儀能準確捕捉路面在動荷載作用下的實際變形，用于反算路面結構層模量，從而科學地評價路面的承載能力.采用荷蘭Grontmij公司生產的PRIMAX 1500落錘式彎沉儀進行路面結構層的彎沉測試.

2 結果與分析

2.1 REOB的抗老化性

REOB作為再生劑，其自身的抗老化性直接關系到REOB再生瀝青及其混合料的抗老化性和耐久性.表4為REOB和RA5經TFOT老化5h后的質量損失和黏度比.由表4可見，REOB和RA5的質量損失和黏度比均符合JTG F41—2008《公路瀝青路面再生技術規范》的技術要求，表明兩者的熱穩定性和抗老化性良好，初步驗證了REOB作為再生劑的可行性.同時還可看出，在TFOT老化5h后，REOB的質量損失和黏度比均小于RA5，說明此時REOB的抗老化性要好于RA5，尚未出現前人擔憂的將廢礦物油作為再生劑時其熱穩定性和抗老化性差的現象[12].

表4 TFOT老化5h后REOB和RA5的老化指標

2.2 REOB再生瀝青的抗老化性

2.2.1質量損失

瀝青在熱氧老化過程中一方面由于氧化聚合反應而增加質量，另一方面則因輕組分揮發而損失質量.考慮到REOB和RA5多富含芳香分，其老化中的揮發損失量將大于吸氧增重量.在延時TFOT老化時間下測定的3種瀝青質量損失見圖1.

由圖1可看出，在TFOT老化5h后，3種瀝青的質量損失均遠遠小于JTG F41—2008要求的0.8%.另外，在老化時間不超過10h時，REOB再生瀝青的質量損失小于RA5再生瀝青，表明此時REOB再生瀝青的抗老化性較RA5再生瀝青好，這與上述REOB自身的抗老化性一致；然而，當老化時間達到15h及以上時，REOB再生瀝青的質量損失均大于RA5再生瀝青，且兩者的差距隨著老化時間的延長而不斷加大，可能的原因是REOB自身在長期高溫下的熱穩定性衰減速率要高于RA5，導致其揮發損失量大于RA5.由此表明，在長期高溫老化(TFOT老化時間不少于15h)下，REOB作為再生劑時的熱穩定性及抗老化性差的弊端逐漸顯露.

圖1 3種瀝青質量損失與老化時間的關系Fig.1 Relations between mass loss and TFOT aging time for three kinds of asphalt

2.2.2黏度老化指數

瀝青黏度能很好地反映瀝青質在瀝青組分中的膠溶程度.瀝青老化過程中，因組分遷移而使瀝青質增多，瀝青質增多又造成瀝青黏度不斷增加，故黏度變化能很好地反映瀝青的老化程度[13].在延時TFOT老化時間下，測定3種瀝青的60℃黏度，結果見表5.

表5 延時TFOT老化時間下3種瀝青的60℃黏度

由表5可見，3種瀝青的初始黏度相差較大.因此，與采用黏度比這一老化指標相比，采用黏度老化指數C能夠更好地表征不同瀝青的抗老化能力，其公式為：

C=lglgη2-lglgη1

(1)

式中：η2為經過不同TFOT老化時間后的瀝青黏度(mPa·s)；η1為老化前(初始)的瀝青黏度(mPa·s).

圖2 3種瀝青黏度老化指數與老化時間的關系Fig.2 Relations between viscosity aging index and TFOT aging time for three kinds of asphalt

3種瀝青的黏度老化指數與老化時間的關系見圖2.由圖2可知，隨著TFOT老化時間的延長，3種瀝青的黏度老化指數均不斷增大，表明其抗老化能力在不斷下降.在TFOT老化5h后，黏度老化指數的大小順序為：RA5再生瀝青>基質瀝青>REOB再生瀝青，表明此時REOB再生瀝青的抗老化性最好；在老化10h后，黏度老化指數的大小順序為：RA5再生瀝青>REOB再生瀝青>基質瀝青，此時REOB再生瀝青的抗老化性已不如基質瀝青，但仍優于RA5再生瀝青；繼續延長TFOT老化時間，則REOB再生瀝青的黏度老化指數增長至高于另2種瀝青，且與另2種瀝青的差距隨著老化時間的延長而不斷增大，表明REOB再生瀝青的抗長期老化性(TFOT老化時間不少于15h)最差.原因可能是REOB中所含石蠟在長期高溫下加速了瀝青質沉淀，并且所含金屬在長期高溫下易氧化，從而加劇了該種瀝青的老化硬化.

2.2.3蠕變勁度及蠕變速率

瀝青老化會使瀝青變硬變脆，勁度不斷增大，應力松弛變小，從而易造成瀝青路面的低溫開裂，進而縮短瀝青路面的使用壽命[14].因此，可采用SHRP計劃提倡的低溫彎曲梁流變(BBR)試驗來評價延時TFOT老化對瀝青低溫抗裂性的影響.在延時TFOT老化時間下，3種瀝青在-12℃下的蠕變勁度S和蠕變速率m見圖3、4.

圖3 3種瀝青蠕變勁度與老化時間關系Fig.3 Relations between creep stiffness and TFOT aging time for three kinds of asphalt

圖4 3種瀝青蠕變速率與老化時間關系Fig.4 Relations between creep rate and TFOT aging time for three kinds of asphalt

由圖3可見，3種瀝青的蠕變勁度均隨著TFOT老化時間的延長而逐漸增大，表明瀝青在此過程中不斷硬化，低溫柔韌性不斷下降.TFOT老化5、10h后，3種瀝青的蠕變勁度增幅排序為：RA5再生瀝青>REOB再生瀝青>基質瀝青，表明RA5再生瀝青的硬化速率最大，REOB再生瀝青的抗短期老化性能(TFOT老化時間不超過10h)優于RA5再生瀝青，但不如基質瀝青；當TFOT老化時間達到15h及以上后，REOB再生瀝青的蠕變勁度增速均大于RA5再生瀝青和基質瀝青，表明REOB再生瀝青的抗長期老化性能最差，這與上述質量損失和黏度老化指數的變化規律一致.

由圖4可知，隨著TFOT老化時間的延長，3種瀝青的蠕變速率不斷減小，表明其低溫應力耗散能力逐漸減弱.TFOT老化5、10h后，REOB再生瀝青的蠕變速率降至低于基質瀝青，而在TFOT老化15h 及以上后，REOB再生瀝青的蠕變速率又大幅降至低于RA5再生瀝青，即REOB再生瀝青的應力松弛能力衰減至最差，從而極易在氣溫驟降時出現開裂.

2.3 REOB再生瀝青混合料試驗路的抗老化性

老化造成瀝青路面使用壽命減少的另一方面是抗疲勞性能衰減.瀝青路面老化使瀝青混合料的勁度增大，交通疲勞和溫度應力疲勞的極限破壞應變減小，疲勞破壞的次數減少，從而導致瀝青路面疲勞破壞[14].

為研究老化對瀝青路面抗疲勞性能及使用壽命的影響，本研究利用REOB再生瀝青混合料、RA5再生瀝青混合料和基質瀝青混合料，設計鋪筑了室內足尺直道試驗路面層(試驗路示意圖見圖5)，利用回轉式加速加載試驗系統(RALT)，以10kN軸載、0.8MPa輪胎壓力及15km/h 加載速度，在常溫與高溫60℃下對3種路面結構分別開展加速加載試驗.RALT每加載5萬次，用落錘式彎沉儀分別監測3種路面結構的彎沉值.由于每次測試時的環境溫度各有差異，需準確記錄監測時瀝青層溫度，以便將實際測得的彎沉值修正到標準溫度20℃下的彎沉值，便于數據統一對比.圖6為標準溫度20℃下路面彎沉值與RALT加載次數的關系圖.

圖5 室內足尺試驗路結構示意圖Fig.5 Structural sketch of full-scale indoor test road(size：cm)

由圖6可知：隨著RALT加載次數的增加，3種瀝青路面的彎沉值不斷增加，表明瀝青路面的結構承載力及使用壽命逐漸減小.另外，溫度升高明顯增大了路面的彎沉值，原因是溫度升高會使瀝青路面的抗變形能力下降，結構模量衰減；同時根據時溫等效原則[15]，升高溫度等效于增加加載次數，故而在高溫下會進一步增加瀝青路面彎沉值.

圖6 路面彎沉值與RALT加載次數的關系Fig.6 Relations between pavement deflection value and RALT loading cycles

REOB再生瀝青路面的彎沉值增長速率明顯大于RA5再生瀝青路面和基質瀝青路面，而且高溫加速瀝青路面的老化后，REOB再生瀝青路面的彎沉值增長更加顯著，表明高溫老化加劇了瀝青路面在長期加載過程中承載力的衰減，使REOB再生瀝青路面更易發生疲勞破壞.

3 結論

(1)REOB符合瀝青再生劑質量變化和黏度比的規范技術要求，且在TFOT老化5h后，REOB的抗老化性要好于RA5.

(2)從質量損失和黏度老化指數來衡量，REOB再生瀝青的抗短期老化性能(TFOT老化時間不超過10h)優于RA5再生瀝青；但REOB再生瀝青的抗長期老化性能(TFOT老化時間不少于15h)不及RA5再生瀝青.

(3)隨著TFOT老化時間的延長，3種瀝青的蠕變勁度不斷增加，蠕變速率不斷減小，說明其低溫抗裂性不斷下降.蠕變勁度對REOB再生瀝青的抗老化性評價與質量損失和黏度老化指數一致，即REOB再生瀝青的抗短期老化性能較好，而抗長期老化性能最差.REOB再生瀝青的蠕變速率在延時TFOT老化中衰減顯著，易導致其在低溫下開裂.

(4)室內足尺RALT試驗表明，增加加載次數和升高溫度均會增加瀝青路面的彎沉值，降低路面的承載能力和使用壽命.相比RA5再生瀝青路面和基質瀝青路面，高溫老化明顯加劇了REOB再生瀝青路面在長期加載過程中承載力的衰減，使其更易發生疲勞破壞.