復(fù)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(xué) 交通土建工程材料國家地方聯(lián)合實驗室，重慶 400074；2.河南省濟陽高速公路建設(shè)有限公司，河南 濟源 454100；3.廣安交通投資建設(shè)開發(fā)集團有限公司，四川 廣安 638550)

0 引 言

隨著資源和環(huán)境形式日益嚴峻，將廢舊材料應(yīng)用到道路建設(shè)當中是一條符合可持續(xù)發(fā)展的綠色經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈。NCHRP研究報告[1]認為，RAP并非只能作為“黑色集料”循環(huán)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(gòu)成再生瀝青混合料的膠結(jié)料。再生劑作為激活老化瀝青的主要因素，其品質(zhì)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(zhì)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(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)廢機油效果優(yōu)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(fā)現(xiàn)再生后的瀝青混合料水敏感性降低，高溫穩(wěn)定性較好且穩(wěn)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(wěn)定劑和表面活性劑對廢機油再生劑進行復(fù)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(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFOT)將70# 基質(zhì)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(shù)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(guī)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(chǔ)油、添加劑、水分和雜質(zhì)，每次使用前攪拌均勻。

表1 70# 基質(zhì)瀝青技術(shù)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(wěn)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(zhuǎn)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(tài)，用玻璃棒緩慢導(dǎo)入定量再生劑的同時用高速剪切機以1 000 r/min的轉(zhuǎn)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(fù)配的再生劑紅外光譜如圖1。圖1中：波數(shù)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(shù)2 724 cm-1的吸收峰為醛基C—H鍵的伸縮振動峰；波數(shù)為1 456 cm-1的吸收峰為亞甲基(CH2)的面內(nèi)對稱彎曲變形振動；波數(shù)為1 375 cm-1的吸收峰為甲基(CH3)不對稱彎曲變形振動產(chǎn)生的特征峰；波數(shù)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(fù)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(xué)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?fù)七t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(zhuǎn)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(zhì)量損失率，測定結(jié)果如圖2。

圖2 質(zhì)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(zhì)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(wěn)定劑，具有捕獲自由基、分解氫過氧化物、捕獲單線態(tài)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(zhì)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(shè)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(zhuǎn)變溫度，結(jié)果如表2。利用Design-Expert響應(yīng)面設(shè)計軟件確定穩(wěn)定劑和表面活性劑的含量。以135 ℃的旋轉(zhuǎn)黏度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為響應(yīng)指標，表面活性劑和穩(wěn)定劑含量為自變量，圖3為不同含量的表面活性劑和穩(wěn)定劑分別對黏度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的響應(yīng)結(jié)果。

表2 135 ℃旋轉(zhuǎn)黏度和玻璃化轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變溫度先減小后增加；隨著穩(wěn)定劑含量的增加，再生瀝青的黏度逐漸減小，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有所提高后逐漸趨于穩(wěn)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(zhì)量較低的極性物質(zhì)定向排列成溶劑化層。這些溶劑化層不但能夠使瀝青質(zhì)界面的性質(zhì)發(fā)生改變，而且能夠阻止瀝青質(zhì)之間的連接，從而打破了瀝青的三維網(wǎng)絡(luò)凝膠結(jié)構(gòu)，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(jié)料的高溫性能。采用的穩(wěn)定劑化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)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(fā)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(fā)生反應(yīng)，形成穩(wěn)定的分子空間結(jié)構(gòu)，使得再生瀝青的狀態(tài)不容易發(fā)生從玻璃態(tài)向橡膠態(tài)的轉(zhuǎn)變。

圖3 黏度響應(yīng)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度響應(yīng)Fig.3 Viscosity response and glass transition temperature response

借助Design-Expert中RMS預(yù)測最佳條件和最優(yōu)處理結(jié)果模式。綜合考慮表面活性劑、穩(wěn)定劑對黏度和玻璃化轉(zhuǎn)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(yōu)化調(diào)整，得到再生劑最佳配比：表面活性劑含量為7.7%，穩(wěn)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(fù)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(fù)配廢機油再生劑(B)分別按摻量(老化瀝青的質(zhì)量分數(shù))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(zhì)瀝青、老化瀝青、6種再生瀝青的三大指標，結(jié)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(yōu)于再生劑A，表明添加了抗老化劑、表面活性劑以及穩(wěn)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(zhì)瀝青的指標；B9%達到了基質(zhì)瀝青的指標要求，但導(dǎo)致了再生瀝青過度軟化，不適合投入到路面結(jié)構(gòu)中使用；B6%各項性能均介于B3%和B9%之間，且與基質(zhì)瀝青性能相接近，故復(fù)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(wěn)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(guān)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(zhì)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(zhì)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(wěn)定性最好。

圖4 車轍因子與溫度關(guān)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(shè)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(zhì)量。依據(jù)再生瀝青混合料油石比為4.7%，經(jīng)計算后加入一定質(zhì)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(yù)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(shù)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(zhì)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(wěn)定性和低溫性能，測定結(jié)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(shè)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(nèi)均滿足規(guī)范要求，表明其水穩(wěn)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(guī)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(jié) 論

1)以廢機油為基礎(chǔ)油分，添加一定量的抗老化劑、表面活性劑、穩(wěn)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(wěn)定性。通過旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗、DSC測試和借助Design-Expert分析，得到復(fù)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(wěn)定劑含量為6.8%，廢機油含量為79.2%。

2)通過比較基質(zhì)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(fù)配后的再生劑再生效果優(yōu)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(zhì)瀝青混合料水平；RAP摻量大于30%后，水溫穩(wěn)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%。