不同废弃油脂再生沥青的物理性能和结构研究*

张 燕 陈美祝 吴少鹏 刘思晴 柳景祥

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室1) 武汉 430070) (武汉理工大学材料科学与工程学院2) 武汉 430070)

不同废弃油脂再生沥青的物理性能和结构研究*

张 燕1)陈美祝2)吴少鹏2)刘思晴1)柳景祥1)

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室1)武汉 430070) (武汉理工大学材料科学与工程学院2)武汉 430070)

通过对AH-90沥青老化、再生前后的常规物理性能和红外光谱测试，对比分析废大豆油和废机油对沥青再生效果的差异性.结果表明,当废大豆油、废机油的掺量分别为6%,5%(按老化沥青的质量分数计)时，老化沥青的针入度、软化点、粘度基本恢复至原样沥青的水平；2种不同废油均可显著降低老化沥青中羰基、亚枫基的相对比例，实现老化沥青的再生，但废机油作用效果优于废大豆油.废油可以作为沥青的再生剂使用，但更多种类的废弃油脂对不同类型沥青的作用效果仍需进一步研究.

老化沥青；再生；废大豆油；废机油；性能与结构

0 引 言

废弃油脂(以下简称废油)是指失去原有使用价值或物理化学性能不达标的各种油脂[1-2 ]，常见的有废食用油和废工业用油，前者主要指煎炸老油、地沟油等，后者主要指废机油、废液压油等.据统计，我国每年产生的废食用油600万～750万吨[3]，每年因汽车保养而产生的废机油约1 800万吨[4].由此可见，我国每年产生的废油数量惊人，不回收利用将对环境造成极大的危害，如1桶约200 L的废机油会污染3.5 km2的水域[5].目前，我国对两类废油的利用方式[6]主要有用废食用油生产肥皂、涂料及其他化工产品，对废机油直接丢弃或燃烧或再生精制成新油等.

近年来，国内外学者对废油再生沥青已开展了广泛的研究.Majid等[7-8]研究了废食用油作为沥青再生剂的可行性;Su等[9]将废食用油作为芯材制备一种微胶囊用于老化沥青的原位再生；Dedene[10]研究了废机油再生沥青的微观性能;Jia等[11]研究了废机油再生老化沥青的流变性能；徐朋朋[12]研究了废机油对老化沥青及其混合料的再生作用；陈美祝等[13-15]研究了不同掺量的废食用油对老化沥青及老化混合料的再生效果.

综上所述，前人所做的工作主要是针对单一种类废油再生沥青，而不同种类废油对老化沥青的再生差异性缺乏相关研究，并且目前废油再生沥青也缺乏相应的技术规范.文中选取废大豆油和废机油分别作为废食用油和废工业用油的典型代表，通过对再生沥青常规物理性能和红外光谱测试，分析不同废油再生沥青效果的差异性，为废油再生沥青提供指导.

1 原材料与实验方法

1.1 原材料及其物理性质

AH-90重交石油沥青由中海油(泰州)有限公司生产，其物理性能见表1；废大豆油由实验室自制；废机油取自武汉一家汽车4S店，2种废油的基本性能指标见表2.

1.2 实验方法

文中的技术路线见图1，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中相关实验方法，采用薄膜烘箱(TFOT)和压力老化实验(PAV)对AH-90沥青进行短期与长期老化以制备老化沥青.之后将AH-90老化沥青加热至150 ℃，分别掺入4%～7%(与老化沥青的质量比计)的废大豆油或废机油，利用高速剪切仪在5 000 r/min下剪切10 min制备再生沥青.按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中相关实验方法，对AH-90沥青、老化沥青以及不同废油再生沥青25 ℃针入度、15 ℃及5 ℃延度、软化点、135 ℃粘度进行测试.采用红外光谱仪测试分析废大豆油、废机油、AH-90沥青老化前后以及最佳掺量下不同废油再生沥青的主要官能团.

表1 AH-90重交石油沥青性能指标

表2 两种废油的基本性能

图1 技术路线图

2 结果与分析

2.1 废油类型与掺量对老化沥青常规物理性能的影响

2.1.1 废油类型与掺量对老化沥青针入度的影响

针入度表示沥青的软硬程度、稠度和抵抗剪切破坏的能力，针入度越大表示沥青越软，稠度越小，抵抗剪切破坏的能力越小.图2为废油类型与掺量对老化沥青针入度的影响.由图2可知，在4%～7%的掺量下，老化沥青的针入度随着废油掺量的增加而呈现指数增加.对于同一掺量，不同废油对老化沥青针入度的作用程度不同，废机油再生沥青的针入值要高于相应的废大豆油再生沥青.这主要是因为废机油的粘度较小，更容易渗透进老化沥青，使沥青软化.废油掺量继续增加，沥青的针入度过大，粘性成分多，对沥青的高温性能不利，因此废油的掺量必须控制在一定的范围内.

图2 废油类型与掺量对老化沥青针入度的影响

2.1.2 废油类型与掺量对老化沥青延度的影响

图3 废油类型与掺量对老化沥青延度的影响

延度是评价沥青塑性的指标，可以衡量沥青在外力作用下发生拉伸变形而不破坏的能力，延度越大意味着沥青的低温抗裂性能越好.文中对不同废油再生前后的沥青进行15 ℃的延度测试，结果发现，当不同废油的掺量大于4%时，再生沥青的延度均大于100 cm.为更直观地比较不同废油掺量对老化沥青延度的影响，文中又对再生前后的沥青进行5 ℃延度测试，结果见图3.由图3可知，在4%～7%的掺量下，随着废油掺量的增加，老化沥青的5 ℃延度增大.这说明废油的加入对老化沥青的低温性能有利，可以减少低温开裂，这与针入度的实验结果是一致的.当废油掺量小于6%时，废大豆油对老化沥青延度的改善效果明显，当掺量大于6%时，废机油对老化沥青延度的改善效果比较显著.值得注意的是，当掺量在7%时，2种废油再生沥青的5 ℃延度没有恢复到AH-90基质沥青的延度水平(大于100 cm)，但测定2种废油再生沥青在15 ℃的延度均大于100 cm，满足《公路沥青路面施工技术规范》的要求.

2.1.3 废油类型与掺量对老化沥青软化点的影响

沥青的软化点反映了沥青的高温粘度和温度敏感性.一般来说，沥青软化点越高，温度稳定性越好.图4为废油类型与掺量对老化沥青软化点的影响.由图4可知，老化沥青的软化点随废油掺量的增加而减小，这说明2种废油都可以有效地软化沥青.当废机油的掺量为5%时，再生沥青的软化点为43.5 ℃，基本接近AH-90沥青的软化点(43 ℃).而废大豆油的掺量为6%时，再生沥青的软化点才可以恢复到AH-90沥青的水平.在同一废油掺量下，废机油对老化沥青软化点的降低效果好优于废大豆油，这与前文针入度、延度的实验结果是一致的.同样，废油的掺量不宜过高，否则会使沥青的软化点过低，温度稳定性变差.

图4 废油类型与掺量对老化沥青软化点的影响

2.1.4 废油类型与掺量对老化沥青粘度的影响

图5 废油类型与掺量对老化沥青粘度的影响

135 ℃下的粘度通常用来衡量沥青的施工性能，一般此温度下的粘度越大表示沥青的施工性能越差，粘度越小则沥青中的轻质组分容易挥发，因此必须有合适的粘度.图5为废油类型与掺量对老化沥青粘度的影响.由图5可知，老化沥青的粘度随废油掺量的增加而减小，在同一掺量下，废机油对老化沥青粘度减小的幅度大于废大豆油.当废机油的掺量为5%时，沥青粘度为0.38 Pa·s，接近AH-90沥青的粘度(0.35 Pa·s).而废大豆油的掺量为7%时，再生沥青的粘度才达到0.39 Pa·s.由此可见，废机油对老化沥青的降粘效果要好于废大豆油，这与前面实验结果也是一致的.

2.1.5 最佳废油掺量的确定

沥青再生的目的是使再生后的沥青各项指标接近某标号的沥青.综合不同废油再生沥青的常规物理性能来看，废油存在一个最佳掺量.以AH-90沥青的各项指标为基准值，定义不同掺量下废油再生沥青的各项指标与基准值的比值为恢复度，恢复度越接近于100%，说明老化沥青的再生效果越好.由图2～5可知，当废机油的掺量为5%时，针入度恢复度为104%，软化点恢复度为101%，粘度恢复度为109%，此时再生沥青的5℃延度为19 cm，15 ℃延度大于100 cm，可以满足路用要求，因此废机油再生老化沥青的最佳掺量为5%.当废食用油的掺量为6%时，针入度恢复度为112%，软化点的恢复度为102%，粘度的恢复度为114%，5 ℃的延度为21 cm，15 ℃延度大于100 cm，可以满足路用要求，因此将6%视为废大豆油再生老化沥青的最佳掺量.

2.2 不同废油再生沥青的微观结构分析

2.2.1 不同废油的微观结构分析

图6为废大豆油和废机油的红外光谱图.由图6可知，废大豆油和废机油均含有—CH2—的不对称和对称伸缩振动吸收峰(分别在2 925，2 854 cm-1处)、—CH3—的不对称变形和对称变形振动吸收峰(分别在1 464，1 377 cm-1处)、长链亚甲基—(CH2)n—的弯曲振动吸收峰(722 cm-1处)并由吸收峰的位置可以判断出n>4，说明2种废油均含有烷烃、环烷烃等物质，这与沥青中的芳香分相似，因而可以补充老化沥青中减少的轻质组分.

废大豆油含有—OH—的伸缩振动峰(3 100～3 700 cm-1处)、饱和脂肪酸中C=O伸缩振动峰(1 747 cm-1)、脂肪族C=N的伸缩振动峰(1 655 cm-1处)、脂键中C—O的伸缩振动峰(1 163，1 120，1 100，1 033 cm-1处)、反式脂肪酸特征变角振动峰(968 cm-1处).由上述分析可以判断出，废大豆油还含有醇类、酸类、脂类物质.废机油由基础油(主要是指高分子的烃类和非烃类物质)和添加剂(粘度指数改进剂、清洁剂和抗氧化剂)分解产物等组成.基础油的吸收峰除与废大豆油吸收峰相同外，还存在醛羰基C=O伸缩振动峰(1 733 cm-1处)、醛基C—H的伸缩振动吸收峰(2 728 cm-1处)、苯环的碳骨架的伸缩振动吸收峰(1 604 cm-1处).1 304，1 155 cm-1处为粘度指数改进剂分解产物的特征吸收峰.1 078 cm-1处为清洁剂分解产物的特征吸收峰、999 cm-1处为抗氧剂分解产物的伸缩振动峰.由上述分析可以判断出，废机油还含有醛类物质、芳香烃、添加剂分解产物等.

通过以上的分析可知：废大豆油主由烷烃、环烷烃、醇类、酸类、脂类等物质组成；废机油由烷烃、环烷烃、醛类物质、芳香烃、添加剂分解产物等物质组成.废油(包括废大豆油和废机油)与沥青(主要由烷烃、环烷烃、芳香族化合物等物质组成)的化学组成相似，根据相似相容原理可以判断，废油能很好地溶于沥青中，形成稳定的化学体系.但不同废油的化学组成存在着一定的差距，导致了再生沥青的物理性质也存在一定的差距.

2.2.2 废油再生沥青的微观结构分析

图7为AH-90沥青、老化沥青与最佳掺量下不同废油再生沥青的红外光谱图.由图7可知，AH-90沥青老化之后峰的位置与原样沥青的接近，只是峰的强度有所不同.与未老化的沥青相比，老化沥青在2 929，800～500 cm-1处的吸收峰强度减弱，说明沥青在老化过程中芳香分的含量减小，1 030 cm-1处亚枫基吸收峰的强度增强，大分子量物质增加，使沥青的粘度增大，导致沥青硬化.在1 695 cm-1处的吸收峰是由于羰基的存在，说明沥青老化产生了醛、酮、羧酸等物质.羰基和亚砜指数在一定程度上可以反映沥青的老化与再生程度，计算方法见式(1)～(2)，表5为不同废油

图7 AH-90老化再生前后红外光谱图

类型I(SO)I(CO)废大豆油0.0020 废机油00.033AH-900.0280 AH-90老化0.0450.120废大豆油再生沥青0.0390.015废机油再生沥青0.0380.024

以及沥青老化、再生前后羰基和亚枫基指数.由表5可知，沥青老化之后，羰基和亚砜基指数增大.在老化沥青中加入废油之后，2种废油再生沥青的羰基、亚砜基官能团强度都降低，说明废油的加入可以有效再生老化沥青.但是不同类型的废油生效果存在一定的差异：废机油对亚砜基指数的降低效果稍好于废大豆油，对羰基的降低效果略差，这与2.1的实验结果看似矛盾，但其实是与不同废油的成分有关，废机油本身的羰基指数大于废大豆油，导致废机油再生沥青中的羰基含量略大.

(1)

(2)

3 结 论

1) 常规物理性能测试结果表明：废大豆油、废机油的掺量分别为6%，5%，可以使AH-90老化沥青恢复至原样新沥青的水平，在相同掺量下废机油对老化沥青常规物理性能的改善效果要优于废大豆油.

2) 红外光谱的测试结果表明，废大豆油和废机油均可以有效降低老化沥青中羰基、亚砜基的含量；废机油对亚砜基指数的降低效果稍好于废大豆油，对羰基的降低效果略差，这与废油的成分有关.

3) 综合常规物理性能和微观结构的测试结果来看：废大豆油与废机油均可以有效再生老化沥青，不过再生效果存在一定差异，废机油要优于废大豆油，但废油再生沥青的耐老化性能等需要进一步研究.

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Investigation on Physical Properties and Structure of Rejuvenated Asphalt with Different Waste Oils

ZHANG Yan CHEN Meizhu WU Shaopeng LIU Siqing LIU Jingxiang

(StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitectures,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)2)

The objective of this paper is to investigate the physical properties and chemical structure of rejuvenated asphalt with different types of oils. The experimental materials included one aged asphalt binder prepared by AH-90 virgin asphalts after laboratory aging and two waste oils (waste cooking oil and waste engine oil). The rejuvenated asphalt is evaluated using penetration, ductility, softening point and viscosity tests. The chemical structures of rejuvenated asphalt and waste oils are analyzed using Fourier Transformed Infrared Spectroscopy (FTIS). The experimental results indicate that the addition of waste oils has a tendency to recover its virgin level of aged asphalt. However, there is a difference between the waste soybean oil and waste engine oil, and the rejuvenation effect of waste engine oil is better than that of waste soybean oil. Moreover, the optimal dosages of waste soybean oil and waste engine oil for the aged bitumen are found to be 6% and 5%, respectively.

aged asphalt; regeneration; waste soybean oil; waste engine oil; properties and structure

2016-11-30

*国家重大科学仪器设备开发专项项目(2013YQ160501)、国家“973”项目(2014CB932104)资助

U414

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.020

张燕(1992—)：女，硕士生，主要研究领域为道路与桥梁工程