废生物油与废机油复配再生沥青及混合料研究

黄显全

(广西龙马高速公路有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

自1988年我国第一条高速公路——沪嘉高速公路通车以来，经过几十年的飞速发展，我国已建成世界上规模最庞大的高速公路路网。随之而来的是大量早期修建的高速公路进入维修养护期，维修养护会产生大量的废旧沥青混合料。同时，随人民生活水平的提高，餐饮业与机械工业迅速发展，并在此过程中产生了大量的废弃生物油及机油。废生物油是指居民生活使用后废弃的植物油或者动物油，机油是指超过使用标准被废弃的机械润滑油。据统计，仅2019年我国产生的废生物油就达600万t，废机油约385万t，而废弃的生物油和机油仍然具有很高的利用价值。从其组分来看，废生物油和废机油均含有大量的轻质组分，具备作为老化沥青再生剂的条件。因此在废弃的沥青混合料、生物油和机油数量激增及倡导“资源循环利用”的背景下，许多道路工作者已开展了将废生物油或机油作为再生剂掺入老化沥青中制备再生沥青混合料的研究。Rita Jalkh[1]采用废食用油作为再生剂对旧路面回收沥青进行再生，发现再生沥青满足低等级公路的应用要求；满琦[2]研究表明采用地沟油作为油基制备的再生剂有利于增强老化沥青黏度，改善沥青的低温性能；潘浩志[3]采用蓖麻油制备了生物质改性沥青，发现改性沥青具备良好的低温性能和感温性能，而高温性能有所劣化；靳超[4]的研究表明植物油改性沥青具有较好的低温抗裂性能及抗老化性能；夏泽沛[5]认为采用废机油作为沥青再生剂时可改善高掺量RAP再生混合料的路用性能。

综上所述，采用废弃的生物油或机油对沥青进行再生取得一定成果，废生物油再生沥青具有良好的低温性能，但是高温稳定性不佳，而废机油再生沥青的耐老化性能及温度稳定性较好。因此本文采用废生物油和废机油对老化沥青进行复配再生，改善单一油基再生沥青的性能缺陷，进一步提高废生物油及废机油的应用效果与推广前景。

1 原材料

1.1 沥青

本文试验用沥青选用壳牌70#沥青，其性能指标如表1所示，老化沥青采用70#基质沥青进行PAV老化后制得。

表1 70#基质沥青技术指标检测结果表

1.2 废生物油与废机油

废生物油采用从南宁市饭店回收的废弃煎炸烹饪后的食用植物油，废机油采用某品牌汽车行驶8 000 km后换下的机油，两种废弃油基经过2.0 μm微孔滤膜过滤杂质后，进行性能检测，结果如表2所示。

表2 废生物油及废机油性能检测结果表

1.3 增黏树脂

废生物油或废机油因轻质组分含量较高，黏度较低，因此可通过添加树脂调节再生剂黏度以及与各组成材料之间的相容性，提高再生沥青与集料粘附性。本文选用C5石油树脂作为增黏树脂。

2 复配再生沥青制备及性能评价方法

借鉴国内外研究学者及前期研究成果，确定废生物油、废机油及树脂掺量水平见表3。老化沥青再生制备及性能评价过程如下：

表3 再生沥青外掺剂掺量一览表

(1)将经过PAV老化后70#基质沥青置于160 ℃烘箱中加热30 min，至完全融化。

(2)按照试验设计掺量同时加入废生物油及废机油，并用机械搅拌器搅拌10 min，温度≤140 ℃。

(3)按照试验设计掺量加入树脂，再用机械搅拌器搅拌10 min，制得废生物油与废机油复配再生沥青。

(4)采用三大指标试验及135 ℃黏度试验，对制备好的再生沥青进行性能评价。

3 再生沥青复配掺量研究

3.1 正交试验方案设计

为确定废生物油、废机油及树脂三种物质的合适掺量，采用正交试验进行研究分析。正交试验在保证各试验因数水平的情况下，进行相同试验次数可简化试验组别，提高试验效率，本文按L9(33)设计正交试验，如表4所示。

表4 L9(33)正交设计表

3.2 复配再生沥青性能分析

对根据表4制备的再生沥青进行三大指标及135 ℃黏度试验，试验结果见下页表5，其中K、R为不同试验因素水平下的试验结果平均值与极差。K可表征该水平对试验结果影响规律。

根据表5绘制不同掺量水平下再生沥青性能变化趋势，如下页图1～4所示。

表5 正交试验结果表

由图1～4可知：

(1)随废生物油及废机油掺量增加，再生沥青软化点均值降低，随树脂掺量增加，再生沥青软化点升高。由图1可知，废生物油掺量及废机油掺量从1.6%提升至2.4%，软化点均值分别下降了6.9%、5.7%，这是因为生物油与机油中含有大量油分物质，使沥青中大分子分解分散在油分中，从而使软化点下降；而树脂掺量从0.2%提升至0.6%，软化点均值升高了1.7%，这是因为树脂的固化特性使得沥青热固性增加，沥青的软化点升高。

图1 软化点均值变化趋势图

(2)随废生物油、废机油掺量增加，再生沥青针入度均值降低，随树脂掺量增加，针入度均值下降。由图2可知，废生物油和废机油掺量从水平1至水平3，针入度均值分别提高了24.6%、21.1%，相较于废机油，废生物油改善效果更明显，但观察曲线趋势，随掺量水平继续升高，废机油使针入度升高趋势快于废生物油；树脂掺量由水平1至水平3针入度下降了5.1%，说明树脂有助于提高其稠度，提高了沥青胶体的稳定性。

图2 25 ℃针入度均值变化趋势图

(3)随废生物油及废机油掺量增加，再生沥青延度均值呈现上升趋势，随树脂掺量增加，再生沥青延度略微下降。由图3可知，废生物油和废机油掺量从1.6%提升至2.4%，再生沥青延度均值分别上升了82.3%、50.8%，两者对再生沥青延度提高具有积极作用，延度越高，沥青的低温延展性越好，越不易发生低温开裂；而树脂掺量从0.2%提升至0.6%，再生沥青延度均值出现一定程度下降，下降了20.0%。这是因为废生物油中含有大量芳香烃，且废机油中的油分物质可分解沥青中的大分子，从而改善沥青组分，使得延度升高，而树脂属于增黏剂，在一定程度上会使沥青向“硬化”体质转化，故延度降低。

图3 10 ℃延度变化趋势图

(4)随废生物油与废机油掺量增加，再生沥青黏度呈现下降趋势，随树脂含量增加，黏度呈现上升趋势。由图4可知，废生物油和废机油掺量从1.6%提升至2.4%，再生沥青黏度均值分别降低了9.9%、15.9%，而树脂掺量从0.2%至0.6%，黏度增加了19.3%。这是因为废油脂中的含有大量油分，对沥青中的极性大分子起到了润滑的作用，从而使沥青黏度下降，劣化沥青与集料的黏附性，而树脂本身作为增黏剂，具有良好的增黏性和耐热性[6]，因此有利于改善和调节再生沥青黏度。

图4 黏度均值变化趋势图

3.3 再生沥青复配掺量的确定

沥青再生应是尽量恢复老化性能至原状沥青性能，但是一般来说老化沥青的高温性能及粘附性会更优良，结合前文试验分析废生物油和废机油会降低沥青的高温性能和黏性，而提升再生沥青针入度和低温性能，而C5石油树脂对黏度提升明显，对低温性能劣化影响不大。因此综合考虑确定废生物油、废机油及C5石油树脂的掺量分别为：2.4%、2.0%、0.2%。

4 废生物油与废机油复配再生沥青混合料性能研究

为验证复配再生沥青的路用性能，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)采用车辙试验、沥青混合料低温弯曲试验及冻融劈裂试验，对原样沥青及再生沥青拌和的混合料进行高低温性能及水稳定性能评价，再生沥青混合料一般应用于下面层，故采用AC-25型级配混合料。试验结果如表6所示。

表6 再生沥青与原样沥青再生混合料试验结果表

由表6可知，复配再生沥青混合料的高低温及水稳定性能均能满足规范要求，复配再生沥青混合料的动稳定度高于原样沥青混合料，说明其高温性能更优良，而低温及水稳性能略低于原样沥青混合料，但仍然满足规范技术要求。

5 结语

本文通过室内试验对废生物油与废机油复配再生沥青展开研究，采用正交试验分析了废生物油、废机油及C5石油树脂对再生沥青性能影响，发现废生物油及废机油有利于提高再生沥青低温性能，而树脂有利于提高再生沥青的高温性能和黏度，并通过综合分析，确定复配再生沥青制备废生物油、废机油及C5石油树脂的掺量分别为：2.4%、2.0%、0.2%。通过对再生沥青与原样沥青拌和的混合料路用性能研究发现，再生沥青混合料的高低温及水稳性能均能满足规范要求，且高温性能优于原样沥青混合料。