不同废食用油对回收沥青物理性能的影响

2020-10-30邓子逸石津金吴英彪胡小弟万九鸣刘卓锐刘金艳

武汉工程大学学报 2020年5期

邓子逸，石津金，吴英彪，胡小弟*，万九鸣，刘卓锐，张瑜，刘金艳

1. 武汉工程大学土木工程与建筑学院，湖北武汉 430074；2. 沧州市市政工程股份有限公司，河北沧州 061000

沥青在运输、使用过程中由于自然条件和车轮荷载的作用会发生老化［1］。现有研究发现，使用添加剂可以改变沥青对老化的敏感性。这些添加剂可以是工业产品，也可以是天然产品、副产品或废料。而自然资源的可利用性在生态范围内是有限的，因此废弃物的回收再利用尤为重要，该途径对于可持续发展和资源保护极其有益。

废食用油，泛指食用油在高温下反复使用后形成的废弃油脂。我国每年从餐饮业中产生的地沟油2 000 多万吨［2］，部分废食用油甚至通过不明渠道重回餐桌，危害社会环境及人体健康。目前国内对废食用油的处理方式主要包括［3-7］制备工业油酸、油脂皂基、生物燃料和老化沥青再生剂。其中，废食用油以其可再生老化沥青的特性受到极大关注，如冷滨滨等［8］研究了煎炸废油对不同标号模拟老化沥青性能的影响，确定废食用油再生沥青是可行的；索智等［9］研究了废弃大豆油对70#老化沥青的影响，确定以废弃大豆油为基质的再生剂最佳掺量为老化沥青质量的4%～6%；刘思晴等［10］向老化沥青中添加废食用油与新沥青，研究发现老化混合料的低温性能、水稳定性能、疲劳性能均得到改善；万贵稳等［11］对比研究了废食用油与废润滑油对老化沥青流变性能的影响，研究发现以废食用油为再生剂时，其所需掺量更小且改善效果更优；于凤［12］向旧沥青混合料中掺入废食用油，研究发现当其掺量为20%～35%（以质量计）时混合料的高温性能、低温性能及水稳定性能均能得到较好的改善；曹芯芯等［13］选择了一种植物废油，分析其在不同掺量下再生沥青的流变性能，确立该植物废油掺量为老化沥青质量的13.4%时再生沥青的高温性能可以恢复，低温、疲劳性能更优。现有研究中，废食用油种类单一，且多采用室内模拟老化沥青，对回收沥青混合料的再生研究涉及较少。本文则采用3 种不同废食用植物油和1 种未使用过的新油，研究其对回收沥青物理性能的影响，探讨不同废食用油对回收沥青再生效果的差异。

1 试验部分

1.1 材料准备

本研究中的废食用油由不同餐饮店的植物油煎炸多次后回收所得。回收利用前，需要对废食用油进行除杂和脱水处理，即采用双层滤纸过滤废食用油，再将废食用油在150 ℃下加热30 min。处理后的废食用油相关物理性能指标见表1。

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

本研究的回收沥青从河北省沧州市某维修沥青路面上面层的旧沥青混合料中抽提；基质沥青为同条道路使用的同种70#沥青。测试70#基质沥青和回收沥青各项基本物理性能指标见表2。

表2 70#基质沥青和回收沥青的物理性能Tab.2 Physical properties of 70#base and recycled asphalt

1.2 试验方法

1.2.1 回收沥青的抽提将铣刨回收的旧沥青混合料通过沥青分析仪将沥青从混合料中清洗出来，得到三氯乙烯-沥青浓缩液；然后将浓缩液放入旋转蒸发仪的蒸发瓶中，通过萃取、离心分离、蒸馏回收得到回收沥青。

1.2.2 再生沥青的制备加热回收得到的回收沥青至（145±5）℃，按与回收沥青的质量比称取废食用油，掺入到加热后的回收沥青保持该温度，并用高速剪切仪以5 000 r/min的速率剪切拌和30 min，拌和完成后保温发育30 min，得到再生沥青。

1.2.3 物理性能测试再生沥青的针入度、软化点、延度、布氏黏度及动态剪切流变试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》［14］中相关的试验步骤进行测试。

2 结果与讨论

2.1 再生沥青的物理性能

将回收沥青及再生沥青的针入度、软化点、延度及布氏黏度结果列于图1 中。

2.1.1 再生沥青的针入度由图1（a）可知：废食油与回收沥青的质量比在4%～12%时，再生沥青的针入度随废食用油掺量的增加而升高，且不同废食用油对回收沥青的针入度的整体改善效果存在差异，不同废食用油在不同掺量时的改善效果也不同。

废食用油①与回收沥青的质量比在8%～10%区间时针入度增加的幅度较小，新油在掺量6%～8%区间时针入度增加的幅度较小，废食用油③在每个掺量区间的改善效果大致相同，而废食用油②的针入度在掺量10%～12%时的增幅远大于掺量10%以前的各个掺量区间的增幅，此时再生沥青中的轻质油分较多并破坏了相对饱和的状态，所以该区间的针入度的升高幅度远大于前面的3个区间。

图1 不同质量比下不同油再生沥青的物理性能：（a）针入度，（b）软化点，（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

将再生沥青的目标针入度范围设定为60～80时，4 种油的最佳掺量均在8%左右，不同种废食用油对回收沥青针入度的增加效果依次为：废食用油②＞废食用油③＞废食用油①＞新油。

2.1.2 再生沥青的软化点由图1（b）可知：在4%～12%掺量下，再生沥青的软化点随废食用油掺量的增加而降低，且不同废食用油对回收沥青的软化点的改善效果存在差异，不同废食用油在不同掺量时的改善效果也不同。

掺量为4%时，仅废食用油①对回收沥青的软化点有明显的改善作用；而在基质沥青软化点附近，新油对回收沥青软化点的降低效果最好；在掺量为10%、12%时，废食用油②的软化点降幅明显。

将再生沥青软化点目标范围设为（49±1）℃，4 种油的最佳掺量为8%、10%，不同废食用油对回收沥青软化点的增加效果依次为：废食用油②＞废食用油③＞废食用油①＞新油。

2.1.3 再生沥青的延度由图1（c）可知：废食用油与回收沥青的质量比在4%～12%时，再生沥青的延度随废食用油掺量的增加而增加，且不同废食用油对回收沥青的软化点的整体改善效果存在差异，在不同掺量时的改善效果也不同。

随着废食用油①掺量的增加，延度的增长效果较为均衡；新油的掺量从4%上升到6%时，对延度的改善效果不明显；废食用油②再生沥青的延度在掺量从10%上升到12%时有明显的增长；废食用油③对延度在掺量8%～10%时增长效果较好，从10%上升到12%时趋于平稳。

不同废食用油对回收沥青的整体改善效果依次为：废食用油①＞废食用油③＞废食用油②＞新油。

2.1.4 再生沥青的布氏黏度黏度是沥青的力学指标，反映沥青抵抗流动的能力，黏度越大，沥青路面抗车辙的能力越强。135 ℃下的布氏黏度通常用来表征沥青的施工性能［15］，在此温度下，黏度越大则施工和易性越差。由图1（d）可知：再生沥青的黏度随废食用油掺量的增加而降低。废食用油②在掺量从8%上升到10%时的黏度值变化趋于平缓，在掺量从10%上升到12%时的黏度值有明显的降幅；其他废食用油及新油在各个掺量区间对黏度的改善效果大致相同。

不同废食用油对回收沥青的改善效果依次为：废食用油③＞新油＞废食用油②＞废食用油①。将再生沥青应用于实际工程时，应提升压实温度和拌和温度以保证较好的施工和易性。

2.2 动态剪切流变性能

对再生沥青进行动态剪切流变试验，温度扫描时高温扫描的温度范围为30～80 ℃，低温扫描温度范围为-10～30 ℃，荷载频率为10 rad/s。将高温扫描结果列于图2中，将低温扫描结果列于图3中。

图2 不同质量比下不同食用油再生沥青的高温扫描：（a）废食用油①，（b）新油，（c）废食用油②，（d）废食用油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

图3 不同质量比下不同油再生沥青的低温扫描：（a）废食用油①，（b）新油，（c）废食用油②，（d）废食用油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

由图2 可知：1）相同温度下，随着废食用油掺量的增加，新油、废食用油①、废食用油②、废食用油③对应的再生沥青的复合模量均不断降低，说明废食用油的加入降低了再生沥青抵抗变形的能力；其相位角均逐渐增大，表明再生沥青的弹性成分减少，再生沥青容易变形。温度上升时，4 种再生沥青中的弹性成分含量逐渐减少，沥青逐渐由弹性状态向黏流态转化，表现为复合剪切模量大幅度降低，相位角逐渐增大。2）对比观察基质沥青曲线与各再生沥青曲线可知，不同废食用油再生沥青的剪切模量与相位角在数值、增（降）幅、变化趋势的差异较小，表明4 种再生沥青在高温时的动态剪切流变性能大致相同。3）在30～80 ℃时，基质沥青的相位角变化相对较小，且相位角值始终大于再生沥青的相位角，这表明基质沥青的黏性成分较多，容易产生变形，说明再生沥青的弹性恢复性能比基质沥青好。基质沥青的复合剪切模量在30～50 ℃范围时，与掺量为8%的再生沥青大致相同，此时该两者沥青的抗流动变形能力基本相同；在50～80 ℃范围时，基质沥青与12%掺量再生沥青的抗流动变形能力大致相同，此时掺量为8%的再生沥青的抗流动性能比基质沥青好。

由图3 可知：1）相同温度下，随着废食用油掺量增加，再生沥青复合模量均逐渐降低，相位角逐渐增大，且随掺量的增加，复合模量的降幅更明显。2）与高温扫描结果类似，不同废食用油再生沥青的复合模量及相位角曲线在数值、增（降）幅、变化趋势的差异较小，说明4 种再生沥青的低温性能相近。3）-10～10 ℃时，基质沥青的复合剪切模量曲线位置始终高于再生沥青曲线，此时基质沥青的抗剪切流变性能较好；在10～30 ℃范围，基质沥青与8%掺量再生沥青的抗剪切流变性能大致相同。与基质沥青的相位角曲线相比可知，温度对再生沥青相位角的影响低于对基质沥青相位角的影响，在-10 ℃时基质沥青相位角曲线在4%与6%掺量再生沥青曲线之间；在15～30 ℃时，基质沥青相位角大于所有掺量的再生沥青，此时基质沥青的黏性成分较多，再生沥青的弹性恢复性能比基质沥青好。