廢食用油-橡膠粉復合再生改性廢舊瀝青路用性能研究

顏建春，田 華，賈艷領，3，莫繼祿，3

(1.廣西北部灣投資集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；3.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007)

0 引言

在中國，公路建設飛速發展，消耗了大量用于修建路面的原材料，目前，道路工作者已逐步將養護維修階段產生的廢舊料回收，并重新應用于路面中[1-3]。在回收再利用廢舊瀝青混合料時，再生劑占據著極其重要的地位，許多研究致力于尋找合適的再生劑以提高再生瀝青混合料的性能[4-5]。

由于經濟的發展和人民生活水平的提高，廢舊油脂的產量逐漸成為一個龐大的數字。近年來，不少研究將其作為改性劑或再生劑應用于瀝青中，在改善石油瀝青性能的同時可緩解其帶來的巨大環保壓力[6-7]。生物油是目前公認的良好的再生劑，但生物油再生廢舊瀝青混合料的路用性能僅處于與基質瀝青相當的水平，難以滿足與日俱增的交通對道路性能的需求[8]。橡膠粉因具有良好的彈性，常被用來提高瀝青的高溫性能，橡膠改性瀝青在國內外高等級道路上得到廣泛應用[9-10]。

為此，本文嘗試結合廢食用油和廢橡膠粉兩種廢舊材料，對廢舊瀝青進行同步再生與改性，以提高再生瀝青的性能。分別通過開展溫度掃描試驗、低溫彎曲梁試驗和老化試驗，揭示廢食用油-橡膠粉復合再生改性廢舊瀝青的高低溫流變性能和抗老化性能。

1 原材料與試驗制備

1.1 原材料

本文選取的基質瀝青的標號為70#，其物理指標如表1所示。

表1 70#基質瀝青的物理指標表

生物油的來源和質量對再生瀝青的性能有很大的影響。本文使用的生物油為廢食用油使用后得到的廢棄物，其基本性能如表2所示。

表2 廢食用油的基本性能表

本文使用廢舊橡膠輪胎經粉碎加工后得到的橡膠粉，其尺寸為400目。其物化指標如表3所示。

表3 橡膠的物化指標表

1.2 瀝青材料的制備

為評估廢食用油-橡膠粉復合再生改性廢舊瀝青各方面的性能，本文以基質瀝青與老化瀝青為參照，對比分析了三種瀝青的高溫性能、低溫性能與抗老化性能。

本文的老化瀝青為實驗室制老化瀝青，即將基質瀝青按照《瀝青與瀝青混合料試驗規程》中規定的旋轉薄膜烘箱(RTFO)和壓力老化(PAV)試驗處理后得到的老化瀝青。以4∶1的質量比制備了廢食用油-橡膠粉共混物，兩者在260 ℃下攪拌70 min后，以老化瀝青總質量的10%摻量加入到老化瀝青中，通過高速剪切儀，在175 ℃剪切1 h制備了廢食用油-橡膠粉復合再生改性廢舊瀝青。

2 再生瀝青的高溫性能

對于瀝青膠結料而言，其高溫性能是一個極其重要的指標。瀝青常用的高溫性能評價方法包括旋轉黏度試驗(RV)、溫度掃描實驗(TS)、頻率掃描試驗(FS)和多重應力恢復蠕變試驗(MSCR)，本文采用TS和MSCR分別揭示再生瀝青在不同溫度和不同應力水平下的高溫性能。

2.1 溫度掃描

分別在64 ℃、70 ℃、76 ℃下開展溫度掃描試驗。圖1表示了三種瀝青的相位角值。基質瀝青在這三個溫度下的相位角變化較小，但在70 ℃和76 ℃時其相位角就已經非常接近90°，接近黏性體，幾乎失去彈性，基質瀝青老化后表現為相位角降低，因此老化瀝青的相位角比基質瀝青小，兩種再生劑加入后相位角略有升高，但較基質瀝青而言，再生瀝青仍然具有較低的相位角。

圖1 三種瀝青的相位角示意圖

如下頁圖2所示，三種瀝青的復數模量相差較大，老化瀝青具有最大的復數模量，其次是再生瀝青，最后是基質瀝青，在這三個試驗溫度下，老化瀝青和再生瀝青的復數模量還沒有<1 000 Pa，說明這兩種瀝青在76 ℃的高溫下仍然能滿足高溫性能的要求；而基質瀝青在還沒有到達70 ℃時復數模量就已經<1 000 Pa，瀝青已經失效，老化瀝青和再生瀝青的高溫性能明顯好于基質瀝青。由圖2可知，再生劑的加入降低了老化瀝青的高溫性能，這是廢食用油的加入帶來的影響，但由于老化瀝青的高溫性能極好，再生瀝青仍然具有較好的抗車轍變形能力。

圖2 三種瀝青的復數模量示意圖

2.2 多重應力恢復蠕變

多重應力恢復蠕變試驗與溫度掃描試驗一樣，均由動態剪切流變儀完成。采用短期老化狀態的三種瀝青進行該試驗，在60 ℃下將三種瀝青分別施加0.1 kPa和3.2 kPa的應力水平，獲得其剪切應變，計算不可恢復蠕變柔量評價瀝青的抗車轍性能，結果如下頁圖3所示。

圖3 三種瀝青的不可恢復蠕變柔量示意圖

不可恢復蠕變柔量越小，瀝青的高溫性能越好。如圖3所示，基質瀝青的不可恢復蠕變柔量最大，遠遠超過了老化瀝青和再生瀝青。老化瀝青的不可恢復蠕變柔量值很小，可能是其經歷的老化過程較多，由于硬化效應使其在應力的作用下產生的變形較小。由溫度掃描試驗的相位角結果也可知，老化瀝青中含有較多的彈性組分，因此其恢復的變形也較多，具有較好的高溫抗車轍性能。再生瀝青的不可恢復蠕變高于老化瀝青，再生劑的加入降低了老化瀝青的高溫性能，這與溫度掃描結果一致。

3 再生瀝青的低溫性能

廢舊瀝青混合料中的瀝青膠結料在使用過程中發生了嚴重的老化，其顯著特點是低溫性能變差，將瀝青再生的目的之一是提高老化瀝青的低溫流變性能[11]。為了揭示復合再生劑對老化瀝青低溫性能的再生效果，將基質瀝青、老化瀝青和再生瀝青分別在-12 ℃和-18 ℃的溫度下進行低溫彎曲梁試驗。較低的蠕變剛度和較高的蠕變速率表明較好的低溫性能。

圖4和圖5顯示了三種瀝青的勁度模量和蠕變速率。由圖可知，老化瀝青無論在-12 ℃還是-18 ℃下都具有較高的蠕變剛度和較低的蠕變速率，這是瀝青在經歷短期老化和長期老化后變硬變脆導致的，其低溫性能最差，但當復合再生劑加入到老化瀝青后，瀝青的勁度模量顯著降低，而蠕變速率顯著提高。由圖可知，再生瀝青的低溫性能比基質瀝青和老化瀝青的低溫性能好，廢食用油的加入消除了老化瀝青部分的硬化脆化效應，使得老化瀝青的低溫性能顯著提升。

圖4 -12 ℃和-18 ℃下三種瀝青的勁度模量示意圖

圖5 -12 ℃和-18 ℃下三種瀝青的蠕變速率示意圖

4 再生瀝青的抗老化性能

本文通過原樣瀝青、短期老化瀝青和長期老化瀝青的溫度掃描試驗，根據復數模量老化指數(CMAI)和相位角(PMAI)老化指數評價再生劑對老化瀝青抗老化性能的影響，兩個評價指標的計算公式如式(1)和式(2)所示。圖6和圖7展示了三種瀝青的CMAI和PMAI值。較低的CMAI值和較高的PAAI值意味著瀝青具有更好的抗老化性能[12]。

(1)

(2)

由圖6和圖7可知，隨著溫度的升高，瀝青的CMAI值逐漸增加，PPAI值逐漸降低，說明溫度會影響瀝青的抗老化性能，當溫度升高時，瀝青將會發生更嚴重的老化。另外，三種瀝青的CMAI從小到大排序依次為再生瀝青、基質瀝青、老化瀝青，PAAI從大到小的排序也是如此，說明老化瀝青經歷短期老化或長期老化后性能變化較為顯著，表現出較高的老化敏感性。添加廢食用油和橡膠粉復合再生劑后，老化瀝青的CMAI值降低，PMAI值增高，表現出良好的抗老化性能，這意味著當承受相同的短期老化和長期老化時，再生瀝青的性能劣化速度較老化瀝青和基質瀝青而言相對緩慢。

(a)短期老化

(a)短期老化

5 結語

本文通過溫度掃描試驗、動態剪切流變試驗、低溫彎曲梁試驗和老化試驗揭示了廢食用油-橡膠再生瀝青的路用性能。結果表明：廢食用油-橡膠復合再生劑改善了老化瀝青的低溫流變性能和老化性能；廢食用油的加入降低了老化瀝青的高溫流變性能，但由于橡膠粉的存在，以及老化瀝青本身較好的高溫性能，獲得的再生瀝青的高溫性能仍然較好。綜上所述，廢食用油-橡膠再生瀝青具有優異的高低溫流變性能和老化性能，可以作為再生瀝青的推廣應用中考慮的復合再生劑。