废食用油-橡胶粉复合再生改性废旧沥青路用性能研究

颜建春，田 华，贾艳领，3，莫继禄，3

(1.广西北部湾投资集团有限公司，广西 南宁 530029；2.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007；3.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007)

0 引言

在中国，公路建设飞速发展，消耗了大量用于修建路面的原材料，目前，道路工作者已逐步将养护维修阶段产生的废旧料回收，并重新应用于路面中[1-3]。在回收再利用废旧沥青混合料时，再生剂占据着极其重要的地位，许多研究致力于寻找合适的再生剂以提高再生沥青混合料的性能[4-5]。

由于经济的发展和人民生活水平的提高，废旧油脂的产量逐渐成为一个庞大的数字。近年来，不少研究将其作为改性剂或再生剂应用于沥青中，在改善石油沥青性能的同时可缓解其带来的巨大环保压力[6-7]。生物油是目前公认的良好的再生剂，但生物油再生废旧沥青混合料的路用性能仅处于与基质沥青相当的水平，难以满足与日俱增的交通对道路性能的需求[8]。橡胶粉因具有良好的弹性，常被用来提高沥青的高温性能，橡胶改性沥青在国内外高等级道路上得到广泛应用[9-10]。

为此，本文尝试结合废食用油和废橡胶粉两种废旧材料，对废旧沥青进行同步再生与改性，以提高再生沥青的性能。分别通过开展温度扫描试验、低温弯曲梁试验和老化试验，揭示废食用油-橡胶粉复合再生改性废旧沥青的高低温流变性能和抗老化性能。

1 原材料与试验制备

1.1 原材料

本文选取的基质沥青的标号为70#，其物理指标如表1所示。

表1 70#基质沥青的物理指标表

生物油的来源和质量对再生沥青的性能有很大的影响。本文使用的生物油为废食用油使用后得到的废弃物，其基本性能如表2所示。

表2 废食用油的基本性能表

本文使用废旧橡胶轮胎经粉碎加工后得到的橡胶粉，其尺寸为400目。其物化指标如表3所示。

表3 橡胶的物化指标表

1.2 沥青材料的制备

为评估废食用油-橡胶粉复合再生改性废旧沥青各方面的性能，本文以基质沥青与老化沥青为参照，对比分析了三种沥青的高温性能、低温性能与抗老化性能。

本文的老化沥青为实验室制老化沥青，即将基质沥青按照《沥青与沥青混合料试验规程》中规定的旋转薄膜烘箱(RTFO)和压力老化(PAV)试验处理后得到的老化沥青。以4∶1的质量比制备了废食用油-橡胶粉共混物，两者在260 ℃下搅拌70 min后，以老化沥青总质量的10%掺量加入到老化沥青中，通过高速剪切仪，在175 ℃剪切1 h制备了废食用油-橡胶粉复合再生改性废旧沥青。

2 再生沥青的高温性能

对于沥青胶结料而言，其高温性能是一个极其重要的指标。沥青常用的高温性能评价方法包括旋转黏度试验(RV)、温度扫描实验(TS)、频率扫描试验(FS)和多重应力恢复蠕变试验(MSCR)，本文采用TS和MSCR分别揭示再生沥青在不同温度和不同应力水平下的高温性能。

2.1 温度扫描

分别在64 ℃、70 ℃、76 ℃下开展温度扫描试验。图1表示了三种沥青的相位角值。基质沥青在这三个温度下的相位角变化较小，但在70 ℃和76 ℃时其相位角就已经非常接近90°，接近黏性体，几乎失去弹性，基质沥青老化后表现为相位角降低，因此老化沥青的相位角比基质沥青小，两种再生剂加入后相位角略有升高，但较基质沥青而言，再生沥青仍然具有较低的相位角。

图1 三种沥青的相位角示意图

如下页图2所示，三种沥青的复数模量相差较大，老化沥青具有最大的复数模量，其次是再生沥青，最后是基质沥青，在这三个试验温度下，老化沥青和再生沥青的复数模量还没有<1 000 Pa，说明这两种沥青在76 ℃的高温下仍然能满足高温性能的要求；而基质沥青在还没有到达70 ℃时复数模量就已经<1 000 Pa，沥青已经失效，老化沥青和再生沥青的高温性能明显好于基质沥青。由图2可知，再生剂的加入降低了老化沥青的高温性能，这是废食用油的加入带来的影响，但由于老化沥青的高温性能极好，再生沥青仍然具有较好的抗车辙变形能力。

图2 三种沥青的复数模量示意图

2.2 多重应力恢复蠕变

多重应力恢复蠕变试验与温度扫描试验一样，均由动态剪切流变仪完成。采用短期老化状态的三种沥青进行该试验，在60 ℃下将三种沥青分别施加0.1 kPa和3.2 kPa的应力水平，获得其剪切应变，计算不可恢复蠕变柔量评价沥青的抗车辙性能，结果如下页图3所示。

图3 三种沥青的不可恢复蠕变柔量示意图

不可恢复蠕变柔量越小，沥青的高温性能越好。如图3所示，基质沥青的不可恢复蠕变柔量最大，远远超过了老化沥青和再生沥青。老化沥青的不可恢复蠕变柔量值很小，可能是其经历的老化过程较多，由于硬化效应使其在应力的作用下产生的变形较小。由温度扫描试验的相位角结果也可知，老化沥青中含有较多的弹性组分，因此其恢复的变形也较多，具有较好的高温抗车辙性能。再生沥青的不可恢复蠕变高于老化沥青，再生剂的加入降低了老化沥青的高温性能，这与温度扫描结果一致。

3 再生沥青的低温性能

废旧沥青混合料中的沥青胶结料在使用过程中发生了严重的老化，其显著特点是低温性能变差，将沥青再生的目的之一是提高老化沥青的低温流变性能[11]。为了揭示复合再生剂对老化沥青低温性能的再生效果，将基质沥青、老化沥青和再生沥青分别在-12 ℃和-18 ℃的温度下进行低温弯曲梁试验。较低的蠕变刚度和较高的蠕变速率表明较好的低温性能。

图4和图5显示了三种沥青的劲度模量和蠕变速率。由图可知，老化沥青无论在-12 ℃还是-18 ℃下都具有较高的蠕变刚度和较低的蠕变速率，这是沥青在经历短期老化和长期老化后变硬变脆导致的，其低温性能最差，但当复合再生剂加入到老化沥青后，沥青的劲度模量显著降低，而蠕变速率显著提高。由图可知，再生沥青的低温性能比基质沥青和老化沥青的低温性能好，废食用油的加入消除了老化沥青部分的硬化脆化效应，使得老化沥青的低温性能显著提升。

图4 -12 ℃和-18 ℃下三种沥青的劲度模量示意图

图5 -12 ℃和-18 ℃下三种沥青的蠕变速率示意图

4 再生沥青的抗老化性能

本文通过原样沥青、短期老化沥青和长期老化沥青的温度扫描试验，根据复数模量老化指数(CMAI)和相位角(PMAI)老化指数评价再生剂对老化沥青抗老化性能的影响，两个评价指标的计算公式如式(1)和式(2)所示。图6和图7展示了三种沥青的CMAI和PMAI值。较低的CMAI值和较高的PAAI值意味着沥青具有更好的抗老化性能[12]。

(1)

(2)

由图6和图7可知，随着温度的升高，沥青的CMAI值逐渐增加，PPAI值逐渐降低，说明温度会影响沥青的抗老化性能，当温度升高时，沥青将会发生更严重的老化。另外，三种沥青的CMAI从小到大排序依次为再生沥青、基质沥青、老化沥青，PAAI从大到小的排序也是如此，说明老化沥青经历短期老化或长期老化后性能变化较为显著，表现出较高的老化敏感性。添加废食用油和橡胶粉复合再生剂后，老化沥青的CMAI值降低，PMAI值增高，表现出良好的抗老化性能，这意味着当承受相同的短期老化和长期老化时，再生沥青的性能劣化速度较老化沥青和基质沥青而言相对缓慢。

(a)短期老化

(a)短期老化

5 结语

本文通过温度扫描试验、动态剪切流变试验、低温弯曲梁试验和老化试验揭示了废食用油-橡胶再生沥青的路用性能。结果表明：废食用油-橡胶复合再生剂改善了老化沥青的低温流变性能和老化性能；废食用油的加入降低了老化沥青的高温流变性能，但由于橡胶粉的存在，以及老化沥青本身较好的高温性能，获得的再生沥青的高温性能仍然较好。综上所述，废食用油-橡胶再生沥青具有优异的高低温流变性能和老化性能，可以作为再生沥青的推广应用中考虑的复合再生剂。