不同廢食用油對回收瀝青物理性能的影響

鄧子逸，石津金，吳英彪，胡小弟*，萬九鳴，劉卓銳，張 瑜，劉金艷

1. 武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430074；2. 滄州市市政工程股份有限公司，河北 滄州 061000

瀝青在運(yùn)輸、使用過程中由于自然條件和車輪荷載的作用會(huì)發(fā)生老化［1］?，F(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，使用添加劑可以改變?yōu)r青對老化的敏感性。這些添加劑可以是工業(yè)產(chǎn)品，也可以是天然產(chǎn)品、副產(chǎn)品或廢料。而自然資源的可利用性在生態(tài)范圍內(nèi)是有限的，因此廢棄物的回收再利用尤為重要，該途徑對于可持續(xù)發(fā)展和資源保護(hù)極其有益。

廢食用油，泛指食用油在高溫下反復(fù)使用后形成的廢棄油脂。我國每年從餐飲業(yè)中產(chǎn)生的地溝油2 000 多萬噸［2］，部分廢食用油甚至通過不明渠道重回餐桌，危害社會(huì)環(huán)境及人體健康。目前國內(nèi)對廢食用油的處理方式主要包括［3-7］制備工業(yè)油酸、油脂皂基、生物燃料和老化瀝青再生劑。其中，廢食用油以其可再生老化瀝青的特性受到極大關(guān)注，如冷濱濱等［8］研究了煎炸廢油對不同標(biāo)號(hào)模擬老化瀝青性能的影響，確定廢食用油再生瀝青是可行的；索智等［9］研究了廢棄大豆油對70#老化瀝青的影響，確定以廢棄大豆油為基質(zhì)的再生劑最佳摻量為老化瀝青質(zhì)量的4%～6%；劉思晴等［10］向老化瀝青中添加廢食用油與新瀝青，研究發(fā)現(xiàn)老化混合料的低溫性能、水穩(wěn)定性能、疲勞性能均得到改善；萬貴穩(wěn)等［11］對比研究了廢食用油與廢潤滑油對老化瀝青流變性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)以廢食用油為再生劑時(shí)，其所需摻量更小且改善效果更優(yōu)；于鳳［12］向舊瀝青混合料中摻入廢食用油，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)其摻量為20%～35%（以質(zhì)量計(jì)）時(shí)混合料的高溫性能、低溫性能及水穩(wěn)定性能均能得到較好的改善；曹芯芯等［13］選擇了一種植物廢油，分析其在不同摻量下再生瀝青的流變性能，確立該植物廢油摻量為老化瀝青質(zhì)量的13.4%時(shí)再生瀝青的高溫性能可以恢復(fù)，低溫、疲勞性能更優(yōu)?，F(xiàn)有研究中，廢食用油種類單一，且多采用室內(nèi)模擬老化瀝青，對回收瀝青混合料的再生研究涉及較少。本文則采用3 種不同廢食用植物油和1 種未使用過的新油，研究其對回收瀝青物理性能的影響，探討不同廢食用油對回收瀝青再生效果的差異。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料準(zhǔn)備

本研究中的廢食用油由不同餐飲店的植物油煎炸多次后回收所得?；厥绽们埃枰獙U食用油進(jìn)行除雜和脫水處理，即采用雙層濾紙過濾廢食用油，再將廢食用油在150 ℃下加熱30 min。處理后的廢食用油相關(guān)物理性能指標(biāo)見表1。

表1 廢食用油及新油的物理性能Tab.1 Physical properties of waste cooking oils and fresh oil

本研究的回收瀝青從河北省滄州市某維修瀝青路面上面層的舊瀝青混合料中抽提；基質(zhì)瀝青為同條道路使用的同種70#瀝青。測試70#基質(zhì)瀝青和回收瀝青各項(xiàng)基本物理性能指標(biāo)見表2。

表2 70#基質(zhì)瀝青和回收瀝青的物理性能Tab.2 Physical properties of 70#base and recycled asphalt

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 回收瀝青的抽提 將銑刨回收的舊瀝青混合料通過瀝青分析儀將瀝青從混合料中清洗出來，得到三氯乙烯-瀝青濃縮液；然后將濃縮液放入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀的蒸發(fā)瓶中，通過萃取、離心分離、蒸餾回收得到回收瀝青。

1.2.2 再生瀝青的制備 加熱回收得到的回收瀝青至（145±5）℃，按與回收瀝青的質(zhì)量比稱取廢食用油，摻入到加熱后的回收瀝青保持該溫度，并用高速剪切儀以5 000 r/min的速率剪切拌和30 min，拌和完成后保溫發(fā)育30 min，得到再生瀝青。

1.2.3 物理性能測試 再生瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度、布氏黏度及動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》［14］中相關(guān)的試驗(yàn)步驟進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 再生瀝青的物理性能

將回收瀝青及再生瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、延度及布氏黏度結(jié)果列于圖1 中。

2.1.1 再生瀝青的針入度 由圖1（a）可知：廢食油與回收瀝青的質(zhì)量比在4%～12%時(shí)，再生瀝青的針入度隨廢食用油摻量的增加而升高，且不同廢食用油對回收瀝青的針入度的整體改善效果存在差異，不同廢食用油在不同摻量時(shí)的改善效果也不同。

廢食用油①與回收瀝青的質(zhì)量比在8%～10%區(qū)間時(shí)針入度增加的幅度較小，新油在摻量6%～8%區(qū)間時(shí)針入度增加的幅度較小，廢食用油③在每個(gè)摻量區(qū)間的改善效果大致相同，而廢食用油②的針入度在摻量10%～12%時(shí)的增幅遠(yuǎn)大于摻量10%以前的各個(gè)摻量區(qū)間的增幅，此時(shí)再生瀝青中的輕質(zhì)油分較多并破壞了相對飽和的狀態(tài)，所以該區(qū)間的針入度的升高幅度遠(yuǎn)大于前面的3個(gè)區(qū)間。

圖1 不同質(zhì)量比下不同油再生瀝青的物理性能：（a）針入度，（b）軟化點(diǎn)，（c）延度，（d）布氏黏度Fig.1 Physical properties of reclaimed asphalt with cooking oils with different mass ratios：（a）penetration，（b）softening point，（c）ductility，（d）Brookfield viscosity

將再生瀝青的目標(biāo)針入度范圍設(shè)定為60～80時(shí)，4 種油的最佳摻量均在8%左右，不同種廢食用油對回收瀝青針入度的增加效果依次為：廢食用油②＞廢食用油③＞廢食用油①＞新油。

2.1.2 再生瀝青的軟化點(diǎn) 由圖1（b）可知：在4%～12%摻量下，再生瀝青的軟化點(diǎn)隨廢食用油摻量的增加而降低，且不同廢食用油對回收瀝青的軟化點(diǎn)的改善效果存在差異，不同廢食用油在不同摻量時(shí)的改善效果也不同。

摻量為4%時(shí)，僅廢食用油①對回收瀝青的軟化點(diǎn)有明顯的改善作用；而在基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)附近，新油對回收瀝青軟化點(diǎn)的降低效果最好；在摻量為10%、12%時(shí)，廢食用油②的軟化點(diǎn)降幅明顯。

將再生瀝青軟化點(diǎn)目標(biāo)范圍設(shè)為（49±1）℃，4 種油的最佳摻量為8%、10%，不同廢食用油對回收瀝青軟化點(diǎn)的增加效果依次為：廢食用油②＞廢食用油③＞廢食用油①＞新油。

2.1.3 再生瀝青的延度 由圖1（c）可知：廢食用油與回收瀝青的質(zhì)量比在4%～12%時(shí)，再生瀝青的延度隨廢食用油摻量的增加而增加，且不同廢食用油對回收瀝青的軟化點(diǎn)的整體改善效果存在差異，在不同摻量時(shí)的改善效果也不同。

隨著廢食用油①摻量的增加，延度的增長效果較為均衡；新油的摻量從4%上升到6%時(shí)，對延度的改善效果不明顯；廢食用油②再生瀝青的延度在摻量從10%上升到12%時(shí)有明顯的增長；廢食用油③對延度在摻量8%～10%時(shí)增長效果較好，從10%上升到12%時(shí)趨于平穩(wěn)。

不同廢食用油對回收瀝青的整體改善效果依次為：廢食用油①＞廢食用油③＞廢食用油②＞新油。

2.1.4 再生瀝青的布氏黏度 黏度是瀝青的力學(xué)指標(biāo)，反映瀝青抵抗流動(dòng)的能力，黏度越大，瀝青路面抗車轍的能力越強(qiáng)。135 ℃下的布氏黏度通常用來表征瀝青的施工性能［15］，在此溫度下，黏度越大則施工和易性越差。由圖1（d）可知：再生瀝青的黏度隨廢食用油摻量的增加而降低。廢食用油②在摻量從8%上升到10%時(shí)的黏度值變化趨于平緩，在摻量從10%上升到12%時(shí)的黏度值有明顯的降幅；其他廢食用油及新油在各個(gè)摻量區(qū)間對黏度的改善效果大致相同。

不同廢食用油對回收瀝青的改善效果依次為：廢食用油③＞新油＞廢食用油②＞廢食用油①。將再生瀝青應(yīng)用于實(shí)際工程時(shí)，應(yīng)提升壓實(shí)溫度和拌和溫度以保證較好的施工和易性。

2.2 動(dòng)態(tài)剪切流變性能

對再生瀝青進(jìn)行動(dòng)態(tài)剪切流變試驗(yàn)，溫度掃描時(shí)高溫掃描的溫度范圍為30～80 ℃，低溫掃描溫度范圍為-10～30 ℃，荷載頻率為10 rad/s。將高溫掃描結(jié)果列于圖2中，將低溫掃描結(jié)果列于圖3中。

圖2 不同質(zhì)量比下不同食用油再生瀝青的高溫掃描：（a）廢食用油①，（b）新油，（c）廢食用油②，（d）廢食用油③Fig.2 High temperature sweeps of reclaimed asphalt with cooking oils at different mass ratios：（a）waste cooking oil①，（b）fresh oil，（c）waste cooking oil②，（d）waste cooking oil③

圖3 不同質(zhì)量比下不同油再生瀝青的低溫掃描：（a）廢食用油①，（b）新油，（c）廢食用油②，（d）廢食用油③Fig.3 Low temperature sweeps of reclaimed asphalt with cooking oils at different mass ratios：（a）waste cooking oil①，（b）fresh oil，（c）waste cooking oil②，（d）waste cooking oil③

由圖2 可知：1）相同溫度下，隨著廢食用油摻量的增加，新油、廢食用油①、廢食用油②、廢食用油③對應(yīng)的再生瀝青的復(fù)合模量均不斷降低，說明廢食用油的加入降低了再生瀝青抵抗變形的能力；其相位角均逐漸增大，表明再生瀝青的彈性成分減少，再生瀝青容易變形。溫度上升時(shí)，4 種再生瀝青中的彈性成分含量逐漸減少，瀝青逐漸由彈性狀態(tài)向黏流態(tài)轉(zhuǎn)化，表現(xiàn)為復(fù)合剪切模量大幅度降低，相位角逐漸增大。2）對比觀察基質(zhì)瀝青曲線與各再生瀝青曲線可知，不同廢食用油再生瀝青的剪切模量與相位角在數(shù)值、增（降）幅、變化趨勢的差異較小，表明4 種再生瀝青在高溫時(shí)的動(dòng)態(tài)剪切流變性能大致相同。3）在30～80 ℃時(shí)，基質(zhì)瀝青的相位角變化相對較小，且相位角值始終大于再生瀝青的相位角，這表明基質(zhì)瀝青的黏性成分較多，容易產(chǎn)生變形，說明再生瀝青的彈性恢復(fù)性能比基質(zhì)瀝青好?；|(zhì)瀝青的復(fù)合剪切模量在30～50 ℃范圍時(shí)，與摻量為8%的再生瀝青大致相同，此時(shí)該兩者瀝青的抗流動(dòng)變形能力基本相同；在50～80 ℃范圍時(shí)，基質(zhì)瀝青與12%摻量再生瀝青的抗流動(dòng)變形能力大致相同，此時(shí)摻量為8%的再生瀝青的抗流動(dòng)性能比基質(zhì)瀝青好。

由圖3 可知：1）相同溫度下，隨著廢食用油摻量增加，再生瀝青復(fù)合模量均逐漸降低，相位角逐漸增大，且隨摻量的增加，復(fù)合模量的降幅更明顯。2）與高溫掃描結(jié)果類似，不同廢食用油再生瀝青的復(fù)合模量及相位角曲線在數(shù)值、增（降）幅、變化趨勢的差異較小，說明4 種再生瀝青的低溫性能相近。3）-10～10 ℃時(shí)，基質(zhì)瀝青的復(fù)合剪切模量曲線位置始終高于再生瀝青曲線，此時(shí)基質(zhì)瀝青的抗剪切流變性能較好；在10～30 ℃范圍，基質(zhì)瀝青與8%摻量再生瀝青的抗剪切流變性能大致相同。與基質(zhì)瀝青的相位角曲線相比可知，溫度對再生瀝青相位角的影響低于對基質(zhì)瀝青相位角的影響，在-10 ℃時(shí)基質(zhì)瀝青相位角曲線在4%與6%摻量再生瀝青曲線之間；在15～30 ℃時(shí)，基質(zhì)瀝青相位角大于所有摻量的再生瀝青，此時(shí)基質(zhì)瀝青的黏性成分較多，再生瀝青的彈性恢復(fù)性能比基質(zhì)瀝青好。

3 結(jié) 論

1）廢食用油的摻入能增大瀝青的針入度和延度，降低瀝青的軟化點(diǎn)和黏度，當(dāng)其摻量為8%或10%時(shí)，再生瀝青的各項(xiàng)基本物理性能與基質(zhì)瀝青基本相當(dāng)；但不同廢食用油對于針入度、軟化點(diǎn)、延度、黏度等指標(biāo)的改善效果均有差異。因此，利用廢食用油再生回收瀝青時(shí)有必要進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)分析。

2）廢食用油的摻量以2%遞增時(shí)，各項(xiàng)基本物理性能的改善效果不恒定。在適宜的摻量附近，存在改善效果不明顯的區(qū)間；摻量大于最佳摻量時(shí)，部分性能較其他區(qū)間有非常明顯的變化。

3）動(dòng)態(tài)流變試驗(yàn)結(jié)果表明，廢食用油的摻入使瀝青的復(fù)合剪切模量下降，相位角增大；不同廢食用油對再生瀝青的高溫性能、低溫性能改善效果的差異較小。摻量為8%～10%區(qū)間時(shí)，4 種再生瀝青的剪切流變性能均能近似達(dá)到基質(zhì)瀝青水平。