復配廢機油再生劑的制備及性能研究

郭 鵬，陳思賢，曹志國，劉 俊，孟建瑋，鮮江林

(1.重慶交通大學 交通土建工程材料國家地方聯合實驗室，重慶 400074；2.河南省濟陽高速公路建設有限公司，河南 濟源 454100；3.廣安交通投資建設開發集團有限公司，四川 廣安 638550)

0 引 言

隨著資源和環境形式日益嚴峻，將廢舊材料應用到道路建設當中是一條符合可持續發展的綠色經濟產業鏈。NCHRP研究報告[1]認為，RAP并非只能作為“黑色集料”循環利用，其舊集料表面裹覆的老化瀝青被激活后，可以與新瀝青一起構成再生瀝青混合料的膠結料。再生劑作為激活老化瀝青的主要因素，其品質直接決定了再生瀝青的性能和RAP料的摻配率[2-3]。C.D.DEDENE[4]采用微觀分析得出，廢機油可以通過提供輕質油分來軟化老化瀝青；JIA Xiaoyang等[5]研究了廢機油再生老化瀝青的流變性，發現廢機油可以改善老化瀝青的流變性能；張燕等[6]對比分析了廢大豆油和廢機油對老化瀝青的再生效果，發現廢機油效果優于廢大豆油，廢機油可以顯著降低老化瀝青中的亞砜基S=O和羰基C=O比例；肖慶一等[7]、徐朋朋[8]研究了摻廢機油的熱再生瀝青混合料綜合性能，發現再生后的瀝青混合料水敏感性降低，高溫穩定性較好且穩定。以上研究均表明了廢機油可以激活老化瀝青。為進一步提高廢機油對老化瀝青的再生能力，筆者在廢機油中摻入了少量抗老化劑、穩定劑和表面活性劑對廢機油再生劑進行復配，并采用一系列方法分析其性能效果。

1 材料性能及制備

1.1 原材料

采用旋轉薄膜烘箱(RTFOT)將70# 基質瀝青在163 ℃下加熱老化75 min得到老化瀝青，其基本性能和主要技術指標如表1，其各項指標的測試均按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行。采用的廢機油為普通小客車廢機油，其主要成分為基礎油、添加劑、水分和雜質，每次使用前攪拌均勻。

表1 70# 基質瀝青技術指標Table 1 Technical index of 70# base asphalt

1.2 再生瀝青的制備

按照再生劑各成分配比制備再生劑。首先將表面活性劑、抗老化劑、穩定劑分別與廢機油混合，加入到帶有冷凝回流裝置的120 ℃恒溫油浴鍋中，以2 500 r/min轉速攪拌30 min，各成分混合均勻后裝入不透明試劑瓶中置于陰涼處備用。然后將老化瀝青在130 ℃左右下加熱至液體狀態，用玻璃棒緩慢導入定量再生劑的同時用高速剪切機以1 000 r/min的轉速充分攪拌20 min左右。

2 試驗與分析

2.1 再生劑微觀分析

通過紅外光譜測試，復配的再生劑紅外光譜如圖1。圖1中：波數為2 922 cm-1、2 858 cm-1的吸收峰為烷烴中C—H鍵的伸縮振動峰；波數2 724 cm-1的吸收峰為醛基C—H鍵的伸縮振動峰；波數為1 456 cm-1的吸收峰為亞甲基(CH2)的面內對稱彎曲變形振動；波數為1 375 cm-1的吸收峰為甲基(CH3)不對稱彎曲變形振動產生的特征峰；波數為725 cm-1的吸收峰為碳碳雙鍵伸縮振動，說明有芳香族化合物存在。由復配廢機油的紅外光譜可知，其主要化合物為飽和烷烴類化合物，與瀝青化學組分相似。

圖1 再生劑紅外光譜Fig.1 Infrared spectrum of rejuvenator

2.2 再生劑配比試驗

再生瀝青的二次老化加速再生瀝青路面的路用性能衰減，故在再生劑中添加抗老化劑，可阻止瀝青進一步老化和減緩推遲瀝青的氧化速率，保證再生瀝青路面的使用壽命。為探究抗老化劑的最佳添加量，用旋轉薄膜烘箱分別測定抗老化劑含量?？估匣瘎┖恐冈偕鷦?%、3%、6%、9%、12%、15%時再生瀝青的質量損失率，測定結果如圖2。

圖2 質量損失率Fig.2 Mass loss rate

由圖2可以看出，隨著抗老化劑含量的增加，再生瀝青的質量損失率逐漸降低，表明抗老化劑可以有效抑制再生瀝青的二次老化，降低瀝青的氧化速率。這是由于試驗采用的抗老化劑為多功能性光穩定劑，具有捕獲自由基、分解氫過氧化物、捕獲單線態氧的作用，能將高分子材料耐老化性能有效提高[9]。當抗老化劑含量高于6.3%時，再生瀝青的質量損失率開始回升，抑制作用開始減弱。由此可確定抗老化劑最佳添加量為6.3%。

試驗采用控制變量法設計9組再生劑配比，用布氏黏度計和DSC分別測定9組再生劑的黏度和玻璃化轉變溫度，結果如表2。利用Design-Expert響應面設計軟件確定穩定劑和表面活性劑的含量。以135 ℃的旋轉黏度和玻璃化轉變溫度為響應指標，表面活性劑和穩定劑含量為自變量，圖3為不同含量的表面活性劑和穩定劑分別對黏度和玻璃化轉變溫度的響應結果。

表2 135 ℃旋轉黏度和玻璃化轉變溫度測定值Table 2 The measured values of rotational viscosity and glass transition temperature at 135 ℃

由圖3可以看出，隨著表面活性劑含量的增加，再生瀝青的黏度逐漸增加，玻璃化轉變溫度先減小后增加；隨著穩定劑含量的增加，再生瀝青的黏度逐漸減小，玻璃化轉變溫度有所提高后逐漸趨于穩定。這是由于試驗采用的表面活性劑為非離子型且含有極性基團的體系[10]，這些極性基團容易吸附原有體系中相對分子質量較低的極性物質定向排列成溶劑化層。這些溶劑化層不但能夠使瀝青質界面的性質發生改變，而且能夠阻止瀝青質之間的連接，從而打破了瀝青的三維網絡凝膠結構，形成大的聚集體，以此可以增加老化瀝青的黏度，提高再生瀝青膠結料的高溫性能。采用的穩定劑化學性質穩定且有較強的親和力，其在微粒表面形成界面膜,從而降低粒子的表面能,防止其發生團聚，使得再生瀝青黏度逐漸減小，且會與老化瀝青、添加劑中的雜原子及活性基團發生反應，形成穩定的分子空間結構，使得再生瀝青的狀態不容易發生從玻璃態向橡膠態的轉變。

圖3 黏度響應和玻璃化轉變溫度響應Fig.3 Viscosity response and glass transition temperature response

借助Design-Expert中RMS預測最佳條件和最優處理結果模式。綜合考慮表面活性劑、穩定劑對黏度和玻璃化轉變溫度的影響強度以及對再生瀝青性能的改善效果，通過對材料組成進行優化調整，得到再生劑最佳配比：表面活性劑含量為7.7%，穩定劑含量為6.8%，抗老化劑含量為6.3%，廢機油含量為79.2%。

2.3 再生劑摻量確定

為確定再生劑的最佳摻量和對比復配的廢機油再生劑與廢機油再生劑的性能，將無添加劑的廢機油再生劑(A)和復配廢機油再生劑(B)分別按摻量(老化瀝青的質量分數)3%、6%、9%與老化瀝青混合得到6種再生瀝青(A3%、A6%、A9%；B3%、B6%、B9%)。對比基質瀝青、老化瀝青、6種再生瀝青的三大指標，結果如表3。兩種再生劑均能激活老化瀝青的活性，且隨摻量增加，改善效果有不同程度的提升，再生劑A的提升速率較再生劑B較為緩慢。在試驗中選取的3個摻量下，再生劑B的激活效果均優于再生劑A，表明添加了抗老化劑、表面活性劑以及穩定劑的廢機油再生劑能夠更快速地激活老化瀝青活性。對比再生瀝青B3%、B6%、B9%的各個指標，可以看出：B3%對老化瀝青有一定的軟化和激活作用，但沒有達到基質瀝青的指標；B9%達到了基質瀝青的指標要求，但導致了再生瀝青過度軟化，不適合投入到路面結構中使用；B6%各項性能均介于B3%和B9%之間，且與基質瀝青性能相接近，故復配廢機油再生劑最佳摻量為6%。

表3 8種瀝青三大指標對比Table 3 Comparison of three indexes of 8 kinds of asphalt

在一定溫度下，當瀝青的車轍因子越大，認為其高溫穩定性越好[11-14]。對5種瀝青分別進行溫度掃描，車轍因子G*/sinθ與溫度關系如圖4。由圖4可看出：再生劑摻量為9%時，再生瀝青的輕質組分過多，車轍因子降低，高溫性能減弱；再生劑摻量為3%和6%時，再生瀝青的高溫性能相對于基質瀝青提高了5%左右。綜合考慮三大指標和車轍因子，再生劑摻量為6%時，高溫穩定性最好。

圖4 車轍因子與溫度關系Fig.4 Relationship between rutting factor and temperature

2.4 再生劑性能分析

為了進一步探究再生劑的再生效果，并探究在再生劑的促進作用下RAP料的最高摻量，試驗選取了重慶某高速公路銑刨回收的RAP。采用離心抽提法測得老化瀝青含量為4.08%，抽提篩分后得到舊集料級配、設計級配及油石比如表4。按比例稱取不同粒徑的RAP和新集料，并計算所加入RAP中的老舊瀝青質量。依據再生瀝青混合料油石比為4.7%，經計算后加入一定質量的新瀝青?？紤]到加入的再生劑摻量很少，故先將再生劑與新瀝青攪拌混合均勻后與RAP、新集料拌和，其中新集料預熱溫度高于正常拌合溫度20 ℃，RAP拌合溫度為100 ℃。高溫的新集料與RAP融合，激活其表面的舊瀝青，保證新舊瀝青融合均勻。大多數研究者均通過試驗得出，再生瀝青混合料的高溫性能良好[15]，故筆者將不對高溫性能進行驗證。采用瀝青混合料凍融劈裂試驗和彎曲試驗，分別測定RAP摻量為0%、20%、30%、40%、50%、60%、70%時再生瀝青混合料與基質瀝青混合料的凍融劈裂強度比(TSR)和彎曲勁度模量(SB)，評價再生瀝青混合料的水穩定性和低溫性能，測定結果如圖5。

圖5 凍融劈裂強度比和彎曲勁度模量Fig.5 Tensile strength ratio (TSR) and bending stiffness modulus (SB)

表4 RAP級配與設計級配Table 4 RAP gradation and design gradation

由圖5(a)可看出：相較于未添加RAP的瀝青混合料而言，加了RAP的再生瀝青混合料的凍融劈裂強度比呈下降趨勢，RAP摻量在10%～30%范圍內均滿足規范要求，表明其水穩定性良好，能夠保證再生瀝青混合料的耐久性；當摻量大于30%時，再生瀝青混合料的劈裂強度比下降明顯且不滿足規范要求，表明RAP的最大摻量為30%；隨著RAP摻量的增加，再生瀝青混合料的塑性降低，脆性增加，變形性能減弱，使得彎曲勁度模量增加。由圖5(b)可看出：RAP摻量為10%～30%時，彎曲勁度模量增加趨勢較為緩慢，與未摻加RAP的再生瀝青混合料相比變化不大，低溫抗裂性能良好；當RAP摻量大于30%時，彎曲勁度模量增加趨勢加快，低溫抗裂性大幅度降低。綜上可得到，RAP最大摻量為30%。

3 結 論

1)以廢機油為基礎油分，添加一定量的抗老化劑、表面活性劑、穩定劑后，能夠抑制再生瀝青的氧化速率，降低老化瀝青的黏度，提高再生劑的穩定性。通過旋轉薄膜烘箱試驗、DSC測試和借助Design-Expert分析，得到復配的再生劑最佳配比：抗老化劑含量為6.3%、表面活性劑含量為7.7%、穩定劑含量為6.8%，廢機油含量為79.2%。

2)通過比較基質瀝青、再生瀝青、老化瀝青的三大指標和疲勞因子，從宏觀和微觀兩個方面得出，復配后的再生劑再生效果優良，再生劑最佳摻量為6%。

3)0%～30%摻量的再生瀝青混合料凍融劈裂強度比和彎曲勁度模量均接近基質瀝青混合料水平；RAP摻量大于30%后，水溫穩定性和低溫抗裂性均大幅度減弱。綜合考慮凍融劈裂強度比和彎曲勁度模量可得出，再生瀝青混合料的最大摻量為30%。