廢食用油再生瀝青高低溫流變性能研究

楊萬智

(廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著我國經濟的發展與社會進步，居民生活水平不斷提升，與此相伴的是廢食用油的大量產生。廢食用油為餐飲不斷加工和使用過程中產生的不適于食用的廢棄油脂。我國每年產生大約2 000萬t的廢食用油，并且數量在逐年增長[1]。廢食用油一般可用于工業回收，如制造生物燃料、工業油酸、油脂皂脂等。將廢食用油加入老化瀝青中，可有效補充老化瀝青的飽和分和芳香分等輕質組分，并降低瀝青質的占比，因此可實現老化瀝青的再生[2]。

本文研究廢食用油再生瀝青的高低溫流變特性，量化廢食用油對老化瀝青的再生效果，研究結果可為廢食用油在道路工程的綜合利用提供一定的參考。

1 原材料及試驗設計

1.1 原材料

本文采用廢食用油作為老化瀝青的再生劑，老化瀝青來自西南某高速公路下面層，回收后的老化瀝青相關指標如表1所示；廢食用油來自某地溝油回收站，相關指標如表2所示。從表2可以看出，廢食用油的關鍵指標達到了《公路瀝青路面再生技術規范》(JTGT 5521-2019)RA-1再生劑的技術要求，可有效實現老化瀝青的再生。本文將廢食用油的摻量設置為2%、4%、6%和8%。

表1 70#老化瀝青技術指標表

表2 廢食用油技術指標表

1.2 試驗方法

1.2.1 DSR溫度掃描

廢食用油的摻量對再生瀝青的高溫性能有一定的影響。因此，采用動態剪切流變儀，對再生瀝青開展溫度掃描，探討再生瀝青高溫流變性能隨廢食用油摻量和溫度的變化規律[3]。試驗溫度區間選擇為40 ℃～80 ℃，間隔為10 ℃；考慮到再生瀝青粘彈特性復雜，選擇1%應變水平，加載頻率為10 rad/s。動態剪切流變儀型號為Bohlin Gemini 2 ADS，生產廠家為英國MALVERN公司。

1.2.2 多重應力蠕變恢復試驗

多重應力蠕變恢復試驗可有效表征瀝青的高溫性能，具體的試驗過程為：分別進行0.1 kPa和3.2 kPa剪切應力水平下的蠕變恢復試驗，蠕變和恢復的時間分別為0.1 s和9 s，以模擬路面實際荷載的作用過程，然后根據蠕變以及恢復過程的應變數據計算0.1 kPa和3.2 kPa應力水平下的不可恢復蠕變柔量Jnr。不可恢復蠕變柔量Jnr可有效表征瀝青膠結料的高溫性能，其值越低，瀝青膠結料的高溫性能越好。試驗過程以及指標計算公式參考美國規范ASTM D7405-08[4]。

1.2.3 彎曲梁流變(BBR)試驗

美國SHRP規范采用彎曲梁流變(BBR)試驗確定瀝青的低溫PG分級。然而由于低溫PG分級間隔為6 ℃，溫度間隔區間太大，難以區分相同低溫PG分級瀝青的優劣[5]。因此，本文采用低溫連續PG分級評價再生瀝青的低溫性能，量化廢食用油摻量對再生瀝青的低溫性能影響。低溫連續PG分級試驗方法和原理與低溫PG分級試驗一致，只是增加勁度模量S和勁度模量變化率m的溫度插值公式，二者計算所得的溫度中最高值即為低溫連續PG分級指標。插值計算公式見式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中：TS、Tm——S值和m值的低溫連續PG分級插值；

T1、T2——兩個測試溫度的低值和高值；

P1、P2——S值和m值在T1、T2溫度下的測試值；

Pm——S值和m值的要求值，對于S為300 MPa，對于m為0.3。

2 試驗結果及分析

2.1 DSR溫度掃描試驗結果及分析

DSR溫度掃描試驗結果如圖1和圖2所示。為便于識圖，對再生瀝青進行編號，編號規則主要依據廢食用油的摻量，例如2%O代表摻加2%廢食用油的再生瀝青，后文同，不再贅述。從圖1可以看出：隨著溫度增加，不同摻量的再生瀝青復數模量呈指數下降，相位角逐漸增加；不同摻量廢食用油再生瀝青復數模量規律明顯，廢食用油的摻加降低了再生瀝青的高溫性能。同時，廢食用油摻量對再生瀝青的相位角有顯著影響，表明廢食用油摻加進再生瀝青中之后，改變了再生瀝青的粘彈特性，且對摻量變化較為敏感，不同摻量的廢食用油再生瀝青相位角有明顯區別。值得注意的是，隨著廢食用油摻量增加，再生瀝青的高溫敏感性下降。為了量化溫度敏感性的變化情況，采用復數模量指數GTS評價再生瀝青的溫度敏感性。具體的計算公式見式(3)。復數模量指數GTS計算結果如表3所示。從表3可以得出結論：復數模量指數GTS擬合結果回歸系數R2都很高，均>0.99；廢食用油有效降低了再生瀝青的溫度敏感性，且隨著廢食用油摻量的增加，溫度敏感性指標GTS的下降幅度更大。

lglgG*=GTS×lgT+C

(3)

式中：GTS——復數模量指數；

G*——復數模量(Pa)；

T——試驗溫度(K)。

圖1 復數模量試驗結果對比曲線圖

圖2 相位角試驗結果對比曲線圖

表3 溫度敏感性分析結果表

2.2 多重應力蠕變恢復試驗結果及分析

多重應力蠕變恢復試驗的溫度分別為58℃、64℃和70℃，該溫度區間符合夏天路面溫度實際情況。試驗結果如下頁圖3、圖4所示。從圖3和圖4可以得出結論：老化瀝青摻加廢食用油后，廢食用油再生瀝青的高溫性能有一定程度的下降，具體表現為0.1 kPa和3.2 kPa下的不可恢復蠕變柔量Jnr均隨著廢食用油摻量的增加而不斷增加，且呈線性增加規律。值得注意的是，隨著溫度增加，再生瀝青的高溫性能下降較快，主要的原因在于瀝青膠結料對溫度敏感性高，高溫下溫度的升高是瀝青膠結料性能下降的主要因素，遠超廢食用油摻量對瀝青膠結料高溫性能的影響。

圖3 0.1 kPa下的不可恢復蠕變柔量隨溫度變化曲線圖

圖4 3.2 kPa下的不可恢復蠕變柔量隨溫度變化曲線圖

2.3 BBR試驗結果及分析

瀝青低溫彎曲梁試驗(BBR)溫度設置為-12 ℃和-18 ℃，試驗按照《瀝青彎曲蠕變勁度試驗(彎曲梁流變儀法)》(JTG E20T0627-2011)[6]進行，并根據式(1)和式(2)對試驗結果進行分析，結果如表4所示。從表4可以得出：隨著廢食用油摻量的增加，再生瀝青的低溫性能有較大程度的提升，特別是8%摻量的再生瀝青，其低溫連續PG分級較不摻廢食用油的再生瀝青提高42.8%。因此，廢食用油有效改善了再生瀝青的低溫性能，與其他不能有效恢復再生瀝青低溫性能甚至過高摻量對再生瀝青低溫性能有損害的再生劑相比有顯著優勢。

表4 低溫連續PG分級結果表

3 結語

(1)老化瀝青添加廢食用油后，其復數模量隨廢食用油摻量增加而顯著下降，但GTS指標有所改善，再生瀝青的溫度敏感性有所下降。

(2)廢食用油摻量增加，將會降低再生瀝青的不可恢復蠕變柔量，對再生瀝青的高溫性能不利；與廢食用油摻量因素相比，溫度對瀝青膠結料高溫性能的影響更為顯著。

(3)廢食用油可有效改善再生瀝青的低溫性能，且改善程度與摻量呈顯著相關，在摻量為8%時低溫性能提升最為明顯。