废机油再生SBS改性沥青的性能评价

2022-05-05赵培馨

天津建设科技 2022年2期

赵培馨

（天津市政工程设计研究总院有限公司，天津 300392）

SBS改性沥青以优良的路用性能广泛应用于高等级公路、机场跑道、防水桥面的建设中；相应的在道路养护与修补中会产生大量废弃SBS 改性沥青混合料。这些废旧SBS 改性沥青混合料不能用于其他工程，也不能降解，如果随意丢弃，不仅占用土地，还会破坏生态环境；因此，废旧SBS 改性沥青混合料的再生一直是一个亟待解决的问题[1]。

通常使用再生剂来恢复废旧沥青的性能。目前的再生剂大多是石油工业生产的树脂和低黏度油的混合物。实践表明，该类再生剂再生效果较理想，再生沥青混合料性能相对稳定；但树脂和低黏度油的合成也需要不可再生的材料、专用设备和特定的工艺，这与环保理念不符，成本也相对较高[2]。因此，寻找一种稳定性好、耐老化性好、扩散性好、成本低的再生剂具有重要意义。

废机油是指机油在使用过程中混入水分、灰尘、其他杂油及机件磨损产生的金属粉末等杂质，它的回收利用具有重大的环境意义。机油和道路沥青均是由石油冶炼得到的产物，所以两者的成分具有一定的相似性，根据同源理论和相似相溶性理论，废机油中的轻质组分可以用于调和老化沥青并恢复其性能。Dedene C D 等[3]利用傅里叶变换红外光谱来分析老化沥青和废机油的成分，发现废机油能够为老化沥青补充轻质组分。徐朋朋[4]通过试验室模拟沥青老化，研究了废机油对老化基质沥青的再生，结果发现，4%掺量的废机油能够使模拟老化10 h 的基质沥青基本恢复到老化前的性能。孙楚雨[5]、刘洋[6]也研究了废机油对老化沥青性能的影响，发现废机油作为沥青再生剂可以提高老化沥青抵抗流动变形的能力，恢复老化沥青的低温性能。

目前，利用废机油再生SBS 改性沥青的研究还比较少见。本文以废机油为原料，采用熔融共混的方法再生老化的SBS 改性沥青，通过针入度、软化点、延度和黏度等指标对废机油再生SBS 改性沥青的物理性能进行评价。通过红外光谱分析，探讨废机油对老化SBS改性沥青的再生机理。

1 试验材料与方法

1.1 材料

选用基质沥青SK-70，物理性能见表1。

表1 SK-70沥青物理性能

选用SBS 改性剂对基质沥青进行改性，SBS 改性剂的基本性能见表2。

表2 SBS改性剂基本性能

废机油是从汽车服务公司回收的，见表3-表4和图1。

表3 废机油的物理性能

表4 废机油的红外光谱分析结果 %

图1 废机油的X射线荧光光谱

1.2 方法

1.2.1 样品制备

1）SBS改性沥青。将基质沥青在油浴加热容器中加热至180 ℃，使其自由流动。使用高剪切分散乳化机，在低混合速度下缓慢加入硫磺和SBS 改性剂；在4 000 r/min 转速下剪切1 h 后再均匀搅拌1.5 h，即制得SBS改性沥青。

2）老化SBS改性沥青。称取50 g 制备好的SBS改性沥青，注入内径140 mm的不锈钢圆盘，置于163 ℃的沥青薄膜烘箱中进行25 h老化，制得老化SBS改性沥青。

3）再生SBS改性沥青。将老化SBS改性沥青加热至163 ℃，使其自由流动，将掺量占老化SBS改性沥青质量分数0、5%、7.5%、10%、12.5%、15%的废机油加入到老化SBS改性沥青中，均匀搅拌30 min，制得再生SBS改性沥青。

1.2.2 测试

1）物理性能。按照T 0604—2011、T 0605—2011、T 0606—2011、T 0625—2011的规定对沥青的针入度、延度、软化点和黏度进行测试。

基于老化SBS 改性沥青再生前后的物理性能，采用针入度恢复指数（Penetration Recovery Index，PRI）、延度恢复指数（DuctilityRecovery Index，DRI）、软化点恢复指数（SofteningPointRecovery Index，SRI）和黏度恢复指数（ViscosityRecoveryIndex，VRI）分析了废机油对老化SBS改性沥青的再生效果。

式中：P2、D2、S2、V2分别为再生后SBS 改性沥青针入度、延度、软化点和黏度；P1、D1、S1、V1分别为老化前SBS改性沥青的针入度、延度、软化点和黏度。

2）红外光谱。通过红外光谱仪对再生前后SBS改性沥青的官能团结构进行分析。将试验样品溶于二硫化碳溶剂中配成5%的溶液，测试开始前先扫描KBr 底片作为空白背景，再将配好的溶液滴在扫过背景的KBr 底片上，待二硫化碳完全挥发后，将其放入红外光谱仪中进行扫描测试，扫描64 次，所有光谱扫描波数范围为4 000～400 cm-1，采用OMNIC 软件对红外光谱进行分析。

2 结果与讨论

2.1 物理性能

2.1.1 针入度

随着废机油掺量的增加，再生SBS改性沥青的针入度和PRI逐渐增大，表明废机油能够对老化SBS改性沥青的物理性能有所恢复。当废机油掺量为0～10%时，再生SBS改性沥青的针入度和PRI随废机油掺量的增加而增大；掺量为10%～12.5%时，再生SBS改性沥青的针入度与未老化SBS改性沥青的针入度基本持平；掺量为10%～12.5%时，PRI达到0.99左右；掺量为12.5%～15%时，再生SBS改性沥青的针入度和PRI迅速增加。见图2。

图2 废机油再生SBS改性沥青的针入度和PRI

根据PRI 的定义，PRI 越接近1，老化SBS 改性沥青的再生效果越好；因此，当废机油掺量为10%～12.5%时，老化SBS 改性沥青的针入度基本可以恢复到老化前的水平。

2.1.2 延度

随着废机油掺量的增加，再生SBS 改性沥青的延度和DRI呈先增加后略有下降的趋势。当废机油掺量为0～10%时，再生SBS 改性沥青的延度和DRI 均匀增加；掺量为10%～15%时，再生SBS 改性沥青的延度和DRI 略有下降。与老化前的SBS 改性沥青相比，再生SBS改性沥青的延度有所降低。见图3。

废机油虽能恢复老化SBS 改性沥青的低温性能（延度），但恢复程度达不到原有的水平。

2.1.3 软化点

随着废机油掺量的增加，再生SBS 改性沥青的软化点和SRI 逐渐降低。当废机油掺量为0～12.5%时，再生SBS 改性沥青的软化点和SRI 呈线性下降；掺量为12.5%时，再生SBS改性沥青的软化点接近老化前；掺量为12.5%～15%时，再生沥青的软化点迅速下降，低于老化前。见图4。

图4 废机油再生SBS改性沥青的软化点和SRI

过量的废机油会对SBS 改性沥青的高温性能产生不利影响。

2.1.4 黏度

随着废机油掺量的增加，再生SBS 改性沥青的黏度和VRI 逐渐降低。当废机油掺量为0～12.5%时，再生SBS 改性沥青的黏度和VRI 随着废机油掺量的增加而逐渐降低；掺量为12.5～15%时，再生SBS 改性沥青黏度迅速下降，低于老化前。见图5。

图5 废机油再生SBS改性沥青的黏度和VRI

过量的废机油会对SBS 改性沥青的黏度产生不利影响。

2.1.5 小结

综上所述，随着废机油掺量的增加，老化SBS 改性沥青的物理性能逐渐恢复。当废机油掺量为10%～12.5%时，再生SBS 改性沥青的性能基本可以恢复到老化前。De Dene C D[7]对废机油组成的研究表明，废机油能够为老化沥青补充轻质组分，从而恢复老化沥青的性能。当废机油掺量超过12.5%时，再生SBS 改性沥青的软化点和黏度均低于老化前，表明过量的废机油会对SBS 改性沥青的性能产生不利影响；因此，废机油含量在10%～12.5%时，有利于老化SBS 改性沥青的再生。

2.2 红外光谱分析

不同掺量废机油再生SBS 改性沥青的红外光谱见图6。对图6中出现的吸收峰进行分析识别，结果见表5。

图6 不同掺量废机油再生SBS改性沥青红外光谱

表5 废机油再生SBS改性沥青的FTIR光谱识别

比较未掺加废机油和掺加废机油的沥青红外光谱图发现，主要差别似乎在于羰基（C＝O）官能团的存在。掺加废机油的SBS 改性沥青红外光谱在羰基（C＝O）波段处的吸收峰较明显，而不掺加废机油的红外光谱在羰基（C＝O）波段处的吸收峰强度较低或不存在。这可能是因为废机油在较高的使用温度下经历了严重的氧化，因此产生了反映在羰基官能团上的氧化组分。

为了对再生前后SBS 改性沥青中特征官能团的变化进行定量分析，采用羰基官能团指数（IC=O）、丁二烯官能团指数（IC=C）、亚砜基官能团指数（IS=O）进行分析。

式中：AC=O为羰基吸收峰的面积；AC=C为丁二烯吸收峰的面积；AS=O为亚砜基吸收峰的面积；∑A为各吸收峰面积之和，∑A=A2920+A2851+A1700+A1601+A1456+A1376+A1032+A967+A811+A746+A699。

依据式（5）～（7）分别计算了羰基官能团指数（IC=O）、丁二烯官能团指数（IC=C）、亚砜基官能团指数（IS=O），见表6。

表6 废机油再生SBS改性沥青的官能团指数

IC=O值随着废机油掺量的逐渐增加呈先减小后增大的趋势，表明一定量的废机油能够降低SBS 改性沥青的老化程度，但过量的废机油会增加SBS 改性沥青的老化程度；也证实了过量的废机油会对SBS 改性沥青的物理性能产生不利影响。IS=O值随着废机油掺量的增加而缓慢减小，表明掺入废机油在一定程度上能够降低SBS改性沥青的氧化程度。此外，IC=C值随着废机油掺量增加的变化很小，表明废机油对SBS 改性沥青的丁二烯（C=C）影响很小。