廢食用油/廢膠粉替代瀝青的甘蔗渣灰改性瀝青性能評(píng)價(jià)研究

周俊杰 員 蘭

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與物流工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；新疆維吾爾自治區(qū)公路工程造價(jià)管理局，新疆 烏魯木齊 830099）

1 研究背景及研究意義

可持續(xù)性發(fā)展已成為許多學(xué)者關(guān)注的全球性問(wèn)題中最重要的部分，瀝青作為路面結(jié)構(gòu)的主要材料，是一種自然資源，其儲(chǔ)量隨著時(shí)間的流逝而枯竭，此外，在柔性路面施工過(guò)程中，瀝青在高溫下燃燒會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害的氣體。這些問(wèn)題導(dǎo)致研究人員尋找替代膠結(jié)料，該膠結(jié)料需滿足可以完全或部分替代一定比例的瀝青而不影響其物理和流變性能的要求。因此，許多學(xué)者為尋找可替代的膠結(jié)料進(jìn)行了不同的研究。Aziz 對(duì)不同的材料進(jìn)行了研究，得出的結(jié)論是：從生物油中獲得的材料，例如廢食用油，聚合物，塑料和橡膠，可以用于柔性路面替代瀝青的膠結(jié)料。已有的研究表明，將廢食用油添加到瀝青中可改善其流變特性，例如抗疲勞性和抗低溫開(kāi)裂性。F.J.Navarro 的研究表明，在瀝青中添加橡膠可明顯改善其抗車(chē)轍、抗疲勞以及抗低溫開(kāi)裂性能。

本文的研究目的是將廢食用油、廢舊輪胎橡膠和甘蔗渣灰等應(yīng)用于瀝青行業(yè)，通過(guò)使用廢棄材料來(lái)替代瀝青，以盡量減少對(duì)自然資源的使用，從而最大程度地減少自然環(huán)境惡化并促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。采用廢食用油、廢舊輪胎橡膠和甘蔗渣灰替代傳統(tǒng)瀝青，確定替代瀝青的最佳比例，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)可行且環(huán)境友好的目的。

2 研究方法

2.1 材料選擇

在本文研究中，瀝青結(jié)合料選用克拉瑪依70#基質(zhì)瀝青。采用的廢食用油（廢食用油）來(lái)自不同的餐廳，由于收集的廢食用油中含有不同雜質(zhì)和懸浮顆粒，可通過(guò)離心設(shè)備將其沉降下來(lái)，然后通過(guò)濾紙將廢食用油中所有懸浮顆粒予以過(guò)濾。當(dāng)瀝青中摻入廢食用油后，改性瀝青的pH 值呈現(xiàn)酸性時(shí)其表現(xiàn)出更好的物理和流變特性。因此，對(duì)不同餐廳收集的廢食用油進(jìn)行過(guò)濾并分別測(cè)試pH 值，選擇pH 值最小的廢食用油進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

廢輪胎膠粉由不同形狀、大小的廢舊輪胎橡膠顆粒破碎磨細(xì)獲得。由于膠粉與瀝青之間僅發(fā)生物理反應(yīng)，因此，為了使兩者充分反應(yīng)，選用表面積較大的膠粉顆粒。隨著膠粉顆粒尺寸的減小，其表面積逐漸增大。基于此，將廢膠粉通過(guò)不同的篩子，并選擇通過(guò)＃200 篩的顆粒進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。

甘蔗渣灰從甘蔗工業(yè)獲得，是由甘蔗廢渣在高溫下燃燒，將焚燒物在球磨機(jī)中繼續(xù)磨碎至粉末，然后進(jìn)一步通過(guò)不同的篩網(wǎng)，以獲得更小的顆粒從而使得甘蔗渣灰與瀝青反應(yīng)更為充分。采用通過(guò)＃200 篩的甘蔗渣灰進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，即 甘蔗渣灰的平均大小為0.0075μm。同時(shí)，采用XRD 對(duì)甘蔗渣灰進(jìn)行化學(xué)分析，結(jié)果表明，它含有大量的二氧化硅，因此其具有礦物性質(zhì)。由于甘蔗渣灰的火山灰特性，它將改善瀝青的物理和流變性能。

2.2 試件制備

為了確定廢食用油，廢膠粉和甘蔗渣灰的最佳配合比來(lái)替代瀝青膠結(jié)料，在不影響物理性能的前提下進(jìn)行了不同試驗(yàn)。在制備不同比例的膠結(jié)料時(shí)，采用高速剪切機(jī)，將不同比例的廢膠粉摻入到基質(zhì)瀝青中，升溫至150℃，并以900 轉(zhuǎn)/分鐘的速度繼續(xù)剪切約30 分鐘，隨后，降溫至135℃，加入廢食用油和甘蔗渣灰，以避免廢食用油在高溫下蒸發(fā)。

3 試驗(yàn)方法

通過(guò)改變廢食用油、廢膠粉和甘蔗渣灰的比例制得不同改性瀝青，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)基質(zhì)瀝青與不同改性瀝青的低溫開(kāi)裂性能、抗開(kāi)裂性能和抗疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終確定廢食用油、廢膠粉和甘蔗渣灰的最佳配合比。

3.1 物理性能試驗(yàn)

物理性能試驗(yàn)包括針入度試驗(yàn)和軟化點(diǎn)試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)確定用于替代一定比例瀝青膠結(jié)料的廢食用油、廢膠粉和甘蔗渣灰的最佳配合比。

采用針入度試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)瀝青材料的硬度，確定瀝青等級(jí)，從而進(jìn)一步確定瀝青在不同氣候條件下的適用性。本研究根據(jù)規(guī)范要求共制備了75 個(gè)試樣，且每個(gè)試樣均為100g。試樣經(jīng)25℃恒溫靜置處理，取出后置于針入度儀中，標(biāo)準(zhǔn)針落下灌入試樣5s，測(cè)得的數(shù)值單位精確至0.1mm。

采用軟化點(diǎn)試驗(yàn)對(duì)瀝青結(jié)合料的溫度敏感性進(jìn)行評(píng)價(jià)。這些環(huán)固定在一個(gè)金屬支架的圓孔中，該支架放置在水溫保持在5℃的燒杯中，并以每分鐘升溫5℃的速度對(duì)其加熱，記錄試樣軟化下墜至接觸底部的平均溫度。

3.2 旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)

采用旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)對(duì)不同類(lèi)型的瀝青結(jié)合料進(jìn)行評(píng)價(jià)。將瀝青試樣倒入盛揚(yáng)容器中，然后放入適宜的轉(zhuǎn)子。每組瀝青試樣的試驗(yàn)溫度為135℃和160℃，試驗(yàn)時(shí)間為30min。

3.3 改性瀝青

在不影響瀝青性能的情況下，瀝青試樣的物理性能和旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)結(jié)果作為選擇廢食用油，廢膠粉和甘蔗渣灰最佳配比的依據(jù)，將此最佳配比的改性劑加入到基質(zhì)瀝青中制備改性瀝青。同時(shí)，為了研究改性劑對(duì)基質(zhì)瀝青的改性效果，對(duì)基質(zhì)瀝青和改性瀝青的抗車(chē)轍性能、抗疲勞性能以及抗低溫開(kāi)裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)

4.1 動(dòng)態(tài)剪切流變儀法（DSR）

采用DSR 試驗(yàn)對(duì)不同瀝青結(jié)合料的粘彈性進(jìn)行評(píng)價(jià)。此試驗(yàn)得到瀝青材料的復(fù)數(shù)剪切模量及其相位角，不僅可以評(píng)價(jià)瀝青的性能分級(jí)等級(jí)，還能評(píng)價(jià)其抗車(chē)轍和抗疲勞性能。將未老化和老化后的瀝青試樣分別置于直徑為8mm 或25mm 的金屬試驗(yàn)板上，對(duì)試件施加正弦振蕩荷載，振蕩頻率范圍在0 Hz 至100 Hz 之間。

4.2 旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化試驗(yàn)（RTFO）

本文采用RTFO 試驗(yàn)對(duì)瀝青結(jié)合料進(jìn)行短期老化，評(píng)價(jià)基質(zhì)瀝青與改性瀝青的短期老化性能。將不同的瀝青試樣放在玻璃瓶中，并置于旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱中，在163℃環(huán)境下老化80min。

4.3 壓力老化試驗(yàn)(PAV)

PAV 試驗(yàn)可通過(guò)對(duì)瀝青加熱和加壓20h，來(lái)模擬瀝青在道路上服役過(guò)程中的長(zhǎng)期老化（即7-10 年）。將經(jīng)過(guò)RTFO 短期老化的瀝青殘留物放入盛樣盤(pán)中，然后置于PAV 設(shè)備中，在其中施加高溫和高壓。將經(jīng)過(guò)短期老化和長(zhǎng)期老化的瀝青進(jìn)行DSR 試驗(yàn)，并分別評(píng)價(jià)基質(zhì)瀝青和改性瀝青老化后的抗車(chē)轍和抗疲勞性能。

4.4 彎曲梁流變儀法 (BBR)

采用BBR 試驗(yàn)對(duì)瀝青的抗低溫開(kāi)裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。將PAV 老化的瀝青試樣倒入BBR 模具中，成型后脫模放入恒溫水槽中保溫，而后置于BBR 支架上進(jìn)行加載，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)果與討論

5.1 物理性能試驗(yàn)結(jié)果

為了確定可用替代瀝青的廢食用油、廢膠粉和甘蔗渣灰的最佳用量，對(duì)不同改性瀝青進(jìn)行了物理性能試驗(yàn)，試件重量為200g。

在第一組試驗(yàn)中，如表1 所示，采用不同百分比的廢食用油（0%，5%，10%，15%，20%）代替瀝青。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，廢食用油占比升高，混合瀝青的軟化點(diǎn)隨之降低，且其針入度值隨之增大。這是由于瀝青和廢食用油都是碳?xì)浠衔?，并且它們的結(jié)合能在混合后降低。

表1 廢用物油替代瀝青的物理性能試驗(yàn)結(jié)果

在第二組試驗(yàn)中，廢食用油的用量采用5%，并加入不同百分比的廢膠粉。試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，隨著廢膠粉用量的增加，針入度值逐漸減小，且軟化點(diǎn)呈上升趨勢(shì)。這是由于廢膠粉較難溶于瀝青，且兩者之間僅發(fā)生物理反應(yīng)。從前兩組的試驗(yàn)結(jié)果可以得到，當(dāng)廢食用油用量為5%，混合瀝青的針入度值較低且軟化點(diǎn)較高，因此，用于替代瀝青的廢食用油的最佳值為5%。

表2 廢用物油+廢膠粉替代瀝青的物理性能試驗(yàn)結(jié)果

在第三組試驗(yàn)中，采用不同百分比的甘蔗渣灰對(duì)第二組瀝青方案進(jìn)行改性。根據(jù)甘蔗渣灰的化學(xué)性質(zhì)與火山灰材料相似可以表明，它同樣可以提高瀝青試樣的硬度。第三組試驗(yàn)是在第二組試驗(yàn)中廢食用油和廢膠粉的基礎(chǔ)上，加入不同比例的甘蔗渣灰改性劑，廢食用油與廢膠粉作為替代瀝青的成分，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。根據(jù)表3 可知，由于甘蔗渣灰的火山灰特性，改性瀝青的針入度值與甘蔗渣灰的用量呈反比，即甘蔗渣灰用量越大，改性瀝青的針入度越小。

表3 甘蔗渣灰改性劑和廢用物油+廢膠粉替代瀝青的物理性能試驗(yàn)結(jié)果

第三組試驗(yàn)的結(jié)果表明，在所有試樣中，材料用量為5%廢食用油、15%廢膠粉和8%甘蔗渣灰顯示出較好的物理性能，即最佳配合比。同時(shí)應(yīng)該注意，替代瀝青的成分為廢食用油和廢膠粉，而甘蔗渣灰僅起到改性作用。

5.2 流變性能試驗(yàn)結(jié)果

5.2.1 旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)結(jié)果

基于5.1 中第三組的試驗(yàn)方案，對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。根據(jù)表4 可以看出，廢膠粉和甘蔗渣灰的增加對(duì)改性瀝青的黏度有升高的效果。

表4 第三組試驗(yàn)的旋轉(zhuǎn)黏度試驗(yàn)結(jié)果

5.2.2 DSR 試驗(yàn)結(jié)果

⑴ 抗車(chē)轍性能

采用DSR 試驗(yàn)對(duì)未老化和短期老化的不同瀝青進(jìn)行抗車(chē)轍性能的評(píng)價(jià)。未老化瀝青與短期老化瀝青的抗車(chē)轍標(biāo)準(zhǔn)在最高溫度下分別為1.0kPa 和G*/sinδ>2.2 kPa。不同溫度下基質(zhì)瀝青和改性瀝青的復(fù)數(shù)模量結(jié)果如圖1 和圖2 所示，未老化的原始和改性瀝青在64℃下均達(dá)到了抗車(chē)轍標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)于短期老化后的瀝青，基質(zhì)瀝青在70℃時(shí)失效，而改性瀝青在76°C 時(shí)失效，表明經(jīng)過(guò)RTFO 短期老化后的改性瀝青顯示出更好的抗車(chē)轍性能，這是由于改性瀝青中高含量的橡膠和蔗渣灰分改善了瀝青性能。

圖1 70#基質(zhì)瀝青與70#5W15TR8B 改性瀝青的復(fù)數(shù)模量

圖2 RTFO 老化后70#基質(zhì)瀝青與70#5W15TR8B 改性瀝青的復(fù)數(shù)模量

⑵ 抗疲勞性能

在任何特定溫度下，評(píng)價(jià)耐疲勞性的標(biāo)準(zhǔn)是G*sinδ不得超過(guò)5000 kPa。G *sinδ在不同溫度下的結(jié)果如圖3 所示，改性瀝青在10℃的溫度下仍能抵抗疲勞開(kāi)裂，說(shuō)明改性瀝青中的廢食用油和廢膠粉有助于提高其抗疲勞性能。

圖3 PAV 老化后70#基質(zhì)瀝青與70#5W15TR8B 改性瀝青的G*sinδ

5.2.3 低溫開(kāi)裂性能

將PAV 老化的基質(zhì)和改性瀝青試件分別進(jìn)行BBR 試驗(yàn)，并在不同溫度下的進(jìn)行試驗(yàn)，即-6℃，-12℃，-18℃，-22℃，以確定試件的低溫開(kāi)裂溫度，并將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)合圖4 和圖5 可知，改性瀝青的抗低溫開(kāi)裂能力優(yōu)于基質(zhì)瀝青。本文可以明顯看出，廢食用油和廢膠粉都有提高耐低溫開(kāi)裂性能的作用。

圖4 70#基質(zhì)瀝青與70#5W15TR8B 改性瀝青的蠕變勁度

圖5 70#基質(zhì)瀝青與70#5W15TR8B 改性瀝青的蠕變速率

5.2.4 老化作用的影響

瀝青路面在服役過(guò)程中會(huì)發(fā)生老化現(xiàn)象，從而導(dǎo)致路面的耐久性和強(qiáng)度都有所減低。瀝青的過(guò)度老化會(huì)導(dǎo)致結(jié)合料與骨料之間的粘合力下降，從而導(dǎo)致表層材料損失并減弱瀝青混合料的強(qiáng)度。因此，為保證路面的使用壽命，需對(duì)瀝青結(jié)合料的老化進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用殘留針入度比對(duì)瀝青的老化程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，即將瀝青材料短期老化后的針入度值與未老化的針入度值進(jìn)行比較，結(jié)果如表5 所示。

表5 70#和70#5W15TR8B 殘留針入度比對(duì)比結(jié)果

從表中結(jié)果可以看出，改性瀝青在老化后仍顯示出較高的殘留針入度比，即表明短期老化后的改性瀝青硬化的趨勢(shì)較小。因此，可以得出，相較于基質(zhì)瀝青，改性瀝青的抗老化性能較高，從而延長(zhǎng)了其老化時(shí)間。

6 結(jié)論

本文是通過(guò)瀝青廢棄材料代替一定比例的瀝青來(lái)減少柔性路面的建造和維護(hù)過(guò)程的基質(zhì)瀝青的比例。本研究不僅可以降低自然資源的過(guò)度使用，還能減小處理廢棄材料對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的不良影響。本文結(jié)論如下：

（1）以甘蔗渣灰為改性劑，廢食用油和廢膠粉作為替代瀝青的組成，針對(duì)不同替代比例的瀝青進(jìn)行了一系列物理性能試驗(yàn)，包括針入度試驗(yàn)和軟化點(diǎn)試驗(yàn)，以獲得最佳配合比。

（2）在保證瀝青性能的前期下，廢棄材料可替代瀝青的最佳配合比為5%的廢食用油，15%的廢膠粉，以及用作改性劑的8%的甘蔗渣灰。

（3）廢棄材料（廢食用油、廢膠粉和甘蔗渣灰）可替代瀝青的最大比例為20%，同時(shí)不影響瀝青的性能。

（4）基質(zhì)瀝青中摻入廢食用油、廢膠粉和甘蔗渣灰可提高瀝青結(jié)合料的流變性能。

（5）根據(jù)DSR 試驗(yàn)結(jié)果，改性瀝青的復(fù)數(shù)模量（G*）相較于基質(zhì)瀝青有明顯提高，因此，改性瀝青的抗車(chē)轍性能更好。

（6）根據(jù)BBR 試驗(yàn)結(jié)果可知，與基質(zhì)瀝青相比，改性瀝青的剛度較小且蠕變率較大，因此，改性瀝青表現(xiàn)出更好的抗低溫開(kāi)裂性能。

（7）與基質(zhì)瀝青相比，改性瀝青的抗車(chē)轍能力更為優(yōu)越。

（8）通過(guò)對(duì)改性瀝青的化學(xué)分析表明，瀝青與廢膠粉和甘蔗渣灰之間發(fā)生物理反應(yīng)，而與廢食用油發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。