废机油残留物再生沥青的抗老化性能

李 晋,于淼章,崔新壮,2，李英勇，盛余祥

(1.山东交通学院 交通土建工程学院，山东 济南 250357；2.山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061; 3.山东省交通运输事业服务中心，山东 济南 250002；4.日照市水务集团有限公司，山东 日照 276826)

中国每年仅交通行业就产生2500～3000万t的废机油(REO)[1]，其中70%～80%可以通过蒸馏-白土或蒸馏-加氢精制等再生工艺实现回收利用[2]，剩余20%～30%的残渣油因混入杂质较多而无法有效回收利用，被称为废机油残留物(REOB).针对REOB，大多采用丢弃、掩埋或燃烧进行处理，如此将造成严重的环境污染.为实现对REOB的资源再利用，同时为寻求性能良好且经济的沥青改性剂或再生剂，基于REOB与沥青的相似相容性，国内外相继出现了将REOB用于沥青材料的相关专利报道[3-4]和探索.Hesp等[5-6]采用X射线荧光光谱(XRF)证实REOB可用于沥青结合料中，并探讨了REOB对沥青路面开裂的不利影响；Rubab等[7]将REOB与直馏沥青拌和后，发现REOB虽能增加沥青的性能等级，但也会加快改性后沥青的氧化速度；丁海波等[8-9]利用REOB对沥青进行改性或再生，试验发现REOB对沥青的抗延性断裂性能及低温性能不利.究其原因，应该是REOB中的石蜡会使沥青质沉淀，以及铁、铜、铬等金属会加速沥青氧化，从而促使REOB及沥青的老化所致.因此，为探讨REOB用作沥青再生剂的长期稳定性及缺陷，有必要针对REOB再生沥青的抗老化性能开展全面系统的研究.

本文以REOB作为模拟老化沥青的再生剂，通过对REOB自身、REOB再生沥青以及REOB再生沥青混合料3个层面的老化性能进行对比分析，综合评价了老化对REOB再生沥青及其混合料路用性能的影响，从而为REOB用于沥青再生提供改进依据.

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

1.1.1再生剂

废机油残留物(REOB)取自于某大型废机油处理厂，对其微量元素含量(质量分数，本文所涉及的含量、组分等均为质量分数)进行XRF分析，结果见表1；同时选取市场上一种以矿物油作为基础油的专业再生剂RA5作为对比，采用棒状薄层色谱测试了两者的四组分含量及基本性质，结果见表2.

表1 REOB的XRF分析结果

1.1.2沥青

原样沥青选用70-A基质沥青，其性能分级为PG70-28.原样沥青经薄膜烘箱老化试验(TFOT)及压力老化容器(PAV)试验后制得模拟老化沥青.在150℃下，分别添加占老化沥青质量7%、5%的REOB和RA5，并以4000r/min的转速高速剪切10min，制备出REOB再生沥青和RA5再生沥青，此时两者的物理指标及PG分级均恢复至接近原样沥青的水平.不同沥青结合料的性能指标见表3.

表3 不同沥青结合料的性能指标

1.1.3沥青混合料

为准确比较3种沥青对沥青混合料性能的影响，分别以REOB再生沥青、RA5再生沥青和70-A基质沥青作为AC-20沥青混合料的胶结料，并采用马歇尔设计法得到3种沥青混合料的最佳油石比均为4.4%.

1.2 试验方法

1.2.1延时TFOT试验

标准TFOT试验能模拟沥青在拌和及摊铺过程中的短期老化，PAV试验能模拟路面服役5a后的沥青老化，但研究发现标准TFOT试验未能使沥青达到充分老化[10].因此，采用改进的延时TFOT试验(老化时间分别为5、10、15、20、25h)来模拟沥青寿命周期内的老化.具体步骤参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的标准试验，需注意的是在每老化5h后要用玻璃棒对试样皿中的沥青进行搅拌，以避免沥青表面结膜，减缓氧气进入沥青内部而降低其氧化速率[6].

1.2.2布氏黏度试验与弯曲梁流变试验

布氏旋转黏度计型号为NDJ-1C，上海昌吉地质仪器有限公司生产；弯曲梁流变仪(BBR)型号为TE-BBR-F，美国CANNON设备公司生产；按照JTG E20—2011中相关方法测试沥青黏度及其蠕变劲度、蠕变速率.

1.2.3加速加载试验

为在较短时间内快速模拟若干年内实际交通荷载对路面的破坏情况，采用自主研发的回转式加速加载试验系统(RALT)[11]，在常温和高温下开展了路面加速加载试验.RALT的外形尺寸为3360mm×2120mm×2526mm；最大轴载为10kN，轮胎压力为0.8～1.2MPa，碾压速度为10～35km/h(3000次/h～15000次/h)；有效加载长度为1m.RALT另设有温度调节系统，可调温度为-15～60℃.

1.2.4落锤式弯沉仪

落锤式弯沉仪能准确捕捉路面在动荷载作用下的实际变形，用于反算路面结构层模量，从而科学地评价路面的承载能力.采用荷兰Grontmij公司生产的PRIMAX 1500落锤式弯沉仪进行路面结构层的弯沉测试.

2 结果与分析

2.1 REOB的抗老化性

REOB作为再生剂，其自身的抗老化性直接关系到REOB再生沥青及其混合料的抗老化性和耐久性.表4为REOB和RA5经TFOT老化5h后的质量损失和黏度比.由表4可见，REOB和RA5的质量损失和黏度比均符合JTG F41—2008《公路沥青路面再生技术规范》的技术要求，表明两者的热稳定性和抗老化性良好，初步验证了REOB作为再生剂的可行性.同时还可看出，在TFOT老化5h后，REOB的质量损失和黏度比均小于RA5，说明此时REOB的抗老化性要好于RA5，尚未出现前人担忧的将废矿物油作为再生剂时其热稳定性和抗老化性差的现象[12].

表4 TFOT老化5h后REOB和RA5的老化指标

2.2 REOB再生沥青的抗老化性

2.2.1质量损失

沥青在热氧老化过程中一方面由于氧化聚合反应而增加质量，另一方面则因轻组分挥发而损失质量.考虑到REOB和RA5多富含芳香分，其老化中的挥发损失量将大于吸氧增重量.在延时TFOT老化时间下测定的3种沥青质量损失见图1.

由图1可看出，在TFOT老化5h后，3种沥青的质量损失均远远小于JTG F41—2008要求的0.8%.另外，在老化时间不超过10h时，REOB再生沥青的质量损失小于RA5再生沥青，表明此时REOB再生沥青的抗老化性较RA5再生沥青好，这与上述REOB自身的抗老化性一致；然而，当老化时间达到15h及以上时，REOB再生沥青的质量损失均大于RA5再生沥青，且两者的差距随着老化时间的延长而不断加大，可能的原因是REOB自身在长期高温下的热稳定性衰减速率要高于RA5，导致其挥发损失量大于RA5.由此表明，在长期高温老化(TFOT老化时间不少于15h)下，REOB作为再生剂时的热稳定性及抗老化性差的弊端逐渐显露.

图1 3种沥青质量损失与老化时间的关系Fig.1 Relations between mass loss and TFOT aging time for three kinds of asphalt

2.2.2黏度老化指数

沥青黏度能很好地反映沥青质在沥青组分中的胶溶程度.沥青老化过程中，因组分迁移而使沥青质增多，沥青质增多又造成沥青黏度不断增加，故黏度变化能很好地反映沥青的老化程度[13].在延时TFOT老化时间下，测定3种沥青的60℃黏度，结果见表5.

表5 延时TFOT老化时间下3种沥青的60℃黏度

由表5可见，3种沥青的初始黏度相差较大.因此，与采用黏度比这一老化指标相比，采用黏度老化指数C能够更好地表征不同沥青的抗老化能力，其公式为：

C=lglgη2-lglgη1

(1)

式中：η2为经过不同TFOT老化时间后的沥青黏度(mPa·s)；η1为老化前(初始)的沥青黏度(mPa·s).

图2 3种沥青黏度老化指数与老化时间的关系Fig.2 Relations between viscosity aging index and TFOT aging time for three kinds of asphalt

3种沥青的黏度老化指数与老化时间的关系见图2.由图2可知，随着TFOT老化时间的延长，3种沥青的黏度老化指数均不断增大，表明其抗老化能力在不断下降.在TFOT老化5h后，黏度老化指数的大小顺序为：RA5再生沥青>基质沥青>REOB再生沥青，表明此时REOB再生沥青的抗老化性最好；在老化10h后，黏度老化指数的大小顺序为：RA5再生沥青>REOB再生沥青>基质沥青，此时REOB再生沥青的抗老化性已不如基质沥青，但仍优于RA5再生沥青；继续延长TFOT老化时间，则REOB再生沥青的黏度老化指数增长至高于另2种沥青，且与另2种沥青的差距随着老化时间的延长而不断增大，表明REOB再生沥青的抗长期老化性(TFOT老化时间不少于15h)最差.原因可能是REOB中所含石蜡在长期高温下加速了沥青质沉淀，并且所含金属在长期高温下易氧化，从而加剧了该种沥青的老化硬化.

2.2.3蠕变劲度及蠕变速率

沥青老化会使沥青变硬变脆，劲度不断增大，应力松弛变小，从而易造成沥青路面的低温开裂，进而缩短沥青路面的使用寿命[14].因此，可采用SHRP计划提倡的低温弯曲梁流变(BBR)试验来评价延时TFOT老化对沥青低温抗裂性的影响.在延时TFOT老化时间下，3种沥青在-12℃下的蠕变劲度S和蠕变速率m见图3、4.

图3 3种沥青蠕变劲度与老化时间关系Fig.3 Relations between creep stiffness and TFOT aging time for three kinds of asphalt

图4 3种沥青蠕变速率与老化时间关系Fig.4 Relations between creep rate and TFOT aging time for three kinds of asphalt

由图3可见，3种沥青的蠕变劲度均随着TFOT老化时间的延长而逐渐增大，表明沥青在此过程中不断硬化，低温柔韧性不断下降.TFOT老化5、10h后，3种沥青的蠕变劲度增幅排序为：RA5再生沥青>REOB再生沥青>基质沥青，表明RA5再生沥青的硬化速率最大，REOB再生沥青的抗短期老化性能(TFOT老化时间不超过10h)优于RA5再生沥青，但不如基质沥青；当TFOT老化时间达到15h及以上后，REOB再生沥青的蠕变劲度增速均大于RA5再生沥青和基质沥青，表明REOB再生沥青的抗长期老化性能最差，这与上述质量损失和黏度老化指数的变化规律一致.

由图4可知，随着TFOT老化时间的延长，3种沥青的蠕变速率不断减小，表明其低温应力耗散能力逐渐减弱.TFOT老化5、10h后，REOB再生沥青的蠕变速率降至低于基质沥青，而在TFOT老化15h 及以上后，REOB再生沥青的蠕变速率又大幅降至低于RA5再生沥青，即REOB再生沥青的应力松弛能力衰减至最差，从而极易在气温骤降时出现开裂.

2.3 REOB再生沥青混合料试验路的抗老化性

老化造成沥青路面使用寿命减少的另一方面是抗疲劳性能衰减.沥青路面老化使沥青混合料的劲度增大，交通疲劳和温度应力疲劳的极限破坏应变减小，疲劳破坏的次数减少，从而导致沥青路面疲劳破坏[14].

为研究老化对沥青路面抗疲劳性能及使用寿命的影响，本研究利用REOB再生沥青混合料、RA5再生沥青混合料和基质沥青混合料，设计铺筑了室内足尺直道试验路面层(试验路示意图见图5)，利用回转式加速加载试验系统(RALT)，以10kN轴载、0.8MPa轮胎压力及15km/h 加载速度，在常温与高温60℃下对3种路面结构分别开展加速加载试验.RALT每加载5万次，用落锤式弯沉仪分别监测3种路面结构的弯沉值.由于每次测试时的环境温度各有差异，需准确记录监测时沥青层温度，以便将实际测得的弯沉值修正到标准温度20℃下的弯沉值，便于数据统一对比.图6为标准温度20℃下路面弯沉值与RALT加载次数的关系图.

图5 室内足尺试验路结构示意图Fig.5 Structural sketch of full-scale indoor test road(size：cm)

由图6可知：随着RALT加载次数的增加，3种沥青路面的弯沉值不断增加，表明沥青路面的结构承载力及使用寿命逐渐减小.另外，温度升高明显增大了路面的弯沉值，原因是温度升高会使沥青路面的抗变形能力下降，结构模量衰减；同时根据时温等效原则[15]，升高温度等效于增加加载次数，故而在高温下会进一步增加沥青路面弯沉值.

图6 路面弯沉值与RALT加载次数的关系Fig.6 Relations between pavement deflection value and RALT loading cycles

REOB再生沥青路面的弯沉值增长速率明显大于RA5再生沥青路面和基质沥青路面，而且高温加速沥青路面的老化后，REOB再生沥青路面的弯沉值增长更加显著，表明高温老化加剧了沥青路面在长期加载过程中承载力的衰减，使REOB再生沥青路面更易发生疲劳破坏.

3 结论

(1)REOB符合沥青再生剂质量变化和黏度比的规范技术要求，且在TFOT老化5h后，REOB的抗老化性要好于RA5.

(2)从质量损失和黏度老化指数来衡量，REOB再生沥青的抗短期老化性能(TFOT老化时间不超过10h)优于RA5再生沥青；但REOB再生沥青的抗长期老化性能(TFOT老化时间不少于15h)不及RA5再生沥青.

(3)随着TFOT老化时间的延长，3种沥青的蠕变劲度不断增加，蠕变速率不断减小，说明其低温抗裂性不断下降.蠕变劲度对REOB再生沥青的抗老化性评价与质量损失和黏度老化指数一致，即REOB再生沥青的抗短期老化性能较好，而抗长期老化性能最差.REOB再生沥青的蠕变速率在延时TFOT老化中衰减显著，易导致其在低温下开裂.

(4)室内足尺RALT试验表明，增加加载次数和升高温度均会增加沥青路面的弯沉值，降低路面的承载能力和使用寿命.相比RA5再生沥青路面和基质沥青路面，高温老化明显加剧了REOB再生沥青路面在长期加载过程中承载力的衰减，使其更易发生疲劳破坏.