废食用油改性沥青结合料的性能研究

2021-01-11欧阳洲

湖南交通科技 2020年4期

欧阳洲

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司, 湖南长沙 410219)

0 引言

石油沥青是原油加工的副产品，常被用作柔性路面筑路材料。但随着不可再生的石油资源不断被消耗，石油沥青的供应逐渐短缺且价格上涨，使沥青路面的建设与养护成本逐年升高，其发展受到严重制约[1]。为减轻道路工程建设对沥青的依赖，寻找传统沥青结合料的替代材料成为国内外道路研究机构广泛关注重点。利用其他行业的废料部分替代沥青，不仅可以减少沥青消耗，还可提高沥青的路用性能[2-3]。此外，废弃材料(如废食用油、废机油)作为沥青的潜在替代品，在道路工程中的应用可将其从废弃材料转向增值利用，符合现代社会倡导的可持续发展理念，环境保护意义重大。

近年来，研究人员在大力寻找传统沥青结合料的替代品或改性剂，如微藻、分馏生物油、棉籽油、粗甘油等生物改性剂，且对其应用进行了研究[4]。廖晓峰等[5]通过对生物油改性沥青常规性能和流变性能的研究发现，生物油的加入可显著降低沥青黏度和施工温度，改善其低温抗裂性能。马峰等[6]研究了生物油改性沥青结合料的性能，结果表明生物油的加入改善了沥青结合料的低温抗裂性能，但高温条件下的抗热氧老化能力会减弱；FINI等[7]研究从猪粪中提取的生物油对沥青性能的影响，结果表明该生物黏结剂可有效降低沥青的黏度和刚度，改善沥青的低温抗裂性能，具有良好的环境和经济效益。

废食用油(WCO)是指食品加工中产生的废弃油脂，包括煎炸废油、餐饮废油和地沟油，通常由已授权的公司从餐馆、家庭厨余、食品厂或回收中心收集。虽然世界上每年可收集的WCO已达1500万t，但只有少量WCO得到了妥善收集和再利用。大部分WCO被非法倾倒或填埋，造成了严重的环境污染。WCO的去向难以监督，其合理的回收利用也难以准确实施，从而难以保证最大程度地减少其对水和土壤资源的污染。因此，WCO的回收和再利用引起了世界各国研究机构的广泛关注。同时，基于WCO与石油沥青的成分相似原理，二者混合后的相容性与稳定性良好，故可作为传统路用沥青结合料的潜在替代材料。然而，将WCO作为替代材料应用于沥青结合料的研究刚刚起步，对其替代含量、路用性能及作用机理都缺乏深入的系统研究。

本文采用不同WCO掺量对基质沥青进行改性，在评价改性沥青黏度、常规性能、流变性能及作用机理的基础上，分析WCO对基质沥青性能的影响，并评估其作为传统沥青替代品的潜力，为WCO在未来道路工程中的应用提供数据参考。

1 材料与试验方法

1.1 材料

采用湖南高富AH-70#作为基质沥青控制沥青结合料，其技术指标见表1。WCO由湖南一家食品超市提供，为大豆煎炸废油，其基本性能如表2所示。

表1 AH-70#基质沥青的技术指标类别针入度( 25 ℃) / 0.1 mm软化点/℃延度( 10 ℃) / cm实测数据644824.7技术要求60～80≥44≥10.0RTFO 试验( 163 ℃,85 min)质量变化/%残留针入度( 25 ℃)/ 0.1 mm延度(10 ℃)/ cm-0.0169.810-0.8～+0.8≥58.0≥4

表2 WCO的基本性质(生产商提供)颜色含水量/%黏度(20 ℃)/(Pa·s)密度(20 ℃)/(g ·cm3)淡黄色0.020.080.885

1.2 试样制备

拟定WCO在AH-70#沥青中的掺量(质量分数)分别为0、5%、10%和15%，并分别命名为A0、A5、A10和A15。

1.3 试验方法

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，采用布氏黏度仪测定各沥青结合料120℃、135℃、150℃和165℃下的黏度。采用沥青3大指标(针入度、软化点和延度)试验评价WCO对AH-70#沥青高、低温性能的影响。为评价WCO对基质沥青高温稳定性的影响，采用动态剪切流变仪(DSR)分别测定20℃、30℃、40℃、50℃、60℃和70℃下各沥青结合料的车辙因子G*/sinδ，试验频率为0.1～100rad/s；其中，中 — 高温(50℃、60℃和70℃)测试时选择直径为25mm、间隙为1mm的平行板，中 — 低温(20℃、30℃和40℃)测试则选择直径为8mm、间隙为2mm的平行板。采用低温弯曲流变仪(BBR)测定-6℃、-12℃、-18℃和-24℃时各沥青的劲度模量S及蠕变速率m，评价WCO改性沥青的低温抗裂性。采用Shimazu IRAffinity-1S型红外光谱仪(FTIR)测试WCO与基质沥青间化学官能团的变化，从分子尺度分析其作用机制，测试波长范围为400～4000cm-1，分辨率为8cm-1。

2 结果和讨论

2.1 旋转黏度

图1为不同WCO掺量下各沥青结合料的黏度随温度变化的结果。由图1可知，沥青结合料的黏度随温度的升高而降低，说明沥青为感温材料；同一温度条件下，WCO改性沥青的黏度随WCO掺量的增加而显著降低，表明WCO的加入可显著降低基质沥青的黏度。当WCO的掺量大于10%时，WCO改性沥青结合料的黏度降低幅度变小，即过量的WCO对基质沥青的黏度影响不大。因此，添加适量的WCO可作为沥青路面施工的降黏剂和流动促进剂。

图1 不同WCO掺量下沥青结合料的黏度测试结果

基于以上黏度试验结果，依据JTG E20—2011，采用黏度-温度曲线确定沥青混合料的施工温度，拌和与压实温度对应的黏度分别为(0.17±0.02) Pa·s和(0.28±0.03)Pa·s，计算得到各沥青结合料的施工温度(见表3)。

由表3可以看出，WCO的加入可降低基质沥青混合料的拌和与压实温度。当WCO掺量为10%时，改性沥青混合料的平均拌和与压实温度分别比基质沥青混合料低8.5℃和5.0℃，表明WCO的加入不仅可改善沥青混合料的施工和易性，还可降低沥青混合料生产和铺筑过程中的能源消耗与环境污染。因此，将WCO作为传统沥青的替代品不仅节能环保，还具有重要的社会经济效益，其潜在应用前景广阔。

2.2 沥青3大指标

表4为不同WCO掺量下沥青结合料3大指标测试结果。由表4可看出，随着WCO掺量的增加，基质沥青的针入度和延度升高而软化点降低。当WCO掺量从0%增加到10%时，基质沥青结合料的针入度和延度分别增大21.9%和13.6%，而软化点降低7.9%。表明WCO的加入可降低沥青的稠度、抗剪切变形能力和黏度，使其高温稳定性受到一定程度的影响；相反地，WCO可改善沥青在低温条件下的塑性，使其具有良好的延展性，进而显著提高其低温抗裂性能。

表4 不同WCO掺量下沥青结合料3大指标测试结果样品编号针入度( 25 ℃) /0.1 mm软化点/℃延度( 5 ℃)/cmA06448.019.8A57245.821.3A107844.222.5A158343.123.8

2.3 高温稳定性

G*/sinδ是表征沥青抗永久变形能力的指标，其值越大，沥青结合料的抗永久变形能力越强，高温抗车辙性能越好。各沥青结合料DSR测试所得G*/sinδ结果如图2所示。

图2 不同WCO掺量下沥青结合料G*/sinδ测试结果

由图2可知，各沥青结合料的G*/sinδ值随温度的升高而逐渐降低，说明温度越高，沥青结合料的高温稳定性越弱，抗变形能力越差。同一温度下，随着WCO掺量的增大，基质沥青的G*/sinδ值减小，即WCO会降低沥青结合料的刚度，进而影响沥青的高温稳定性，导致其抗变形能力降低。究其原因，WCO可使基质沥青中的轻组分含量增多，使结合料内的连续相增多，进而降低沥青结合料的高温稳定性。

2.4 低温抗裂性

不同WCO掺量下沥青结合料的BBR测试结果如表5所示。其中，蠕变劲度S值反映沥青的刚度和劲度随时间的敏感性，m值反映沥青的应力松弛能力。若低温条件下沥青结合料的S值较小，而m值较大，则沥青具有良好的低温抗裂性能。此外，根据SHRP对沥青低温等级的规定，沥青的S和m值需满足S<300MPa且m>0.3的标准。

表5 不同WCO掺量下沥青结合料BBR测试结果沥青编号-6 ℃-12 ℃-18 ℃-24 ℃S/MPamS/MPamS/MPamS/MPamA0104.30.382189.80.309277.9———A587.30.413117.20.332217.60.310——A1061.20.44169.10.390160.70.371——A1558.10.44962.90.418135.20.403164.40.306

由表5可知，随着试验温度的降低，不同WCO掺量下沥青结合料的S值增大而m值减小，表明沥青的低温抗裂性能随温度的降低而减弱。其原因是温度越低，沥青结合料的刚度越大，应力松弛能力减弱，不利于抵抗温度应力引起的拉应力，致使其抗裂性能降低。同一测试温度下，随着WCO掺量的增加，WCO改性沥青的S值减小而m值增大。-12℃时，添加5%、10%和15%的WCO 可使基质沥青的S值分别降低38.3%、63.6%和66.9%，而m值分别增大7.4%、26.2%和35.3%，添加WCO可显著提高沥青的低温抗裂性能。同时，依据S<300MPa且m>0.3的标准，并对比各WCO改性沥青的S值和m值，添加5%和10%的WCO均可将基质沥青的低温分级温度从-12℃降低到-18℃，使其低温等级提高一级。当WCO含量增大至15%时，WCO可进一步提高基质沥青的低温等级。基于以上分析可知，采用WCO替代部分沥青时可使沥青的延展性增强，应力松弛能力增大，减弱低温条件下温度应力对其性能的影响，从而提高沥青的低温抗裂性能。