不同廢棄油脂再生瀝青的物理性能和結(jié)構(gòu)研究*

張 燕 陳美祝 吳少鵬 劉思晴 柳景祥

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室1) 武漢 430070) (武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2) 武漢 430070)

不同廢棄油脂再生瀝青的物理性能和結(jié)構(gòu)研究*

張 燕1)陳美祝2)吳少鵬2)劉思晴1)柳景祥1)

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室1)武漢 430070) (武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2)武漢 430070)

通過對AH-90瀝青老化、再生前后的常規(guī)物理性能和紅外光譜測試，對比分析廢大豆油和廢機(jī)油對瀝青再生效果的差異性.結(jié)果表明,當(dāng)廢大豆油、廢機(jī)油的摻量分別為6%,5%(按老化瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)時，老化瀝青的針入度、軟化點、粘度基本恢復(fù)至原樣瀝青的水平；2種不同廢油均可顯著降低老化瀝青中羰基、亞楓基的相對比例，實現(xiàn)老化瀝青的再生，但廢機(jī)油作用效果優(yōu)于廢大豆油.廢油可以作為瀝青的再生劑使用，但更多種類的廢棄油脂對不同類型瀝青的作用效果仍需進(jìn)一步研究.

老化瀝青；再生；廢大豆油；廢機(jī)油；性能與結(jié)構(gòu)

0 引 言

廢棄油脂(以下簡稱廢油)是指失去原有使用價值或物理化學(xué)性能不達(dá)標(biāo)的各種油脂[1-2 ]，常見的有廢食用油和廢工業(yè)用油，前者主要指煎炸老油、地溝油等，后者主要指廢機(jī)油、廢液壓油等.據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生的廢食用油600萬～750萬噸[3]，每年因汽車保養(yǎng)而產(chǎn)生的廢機(jī)油約1 800萬噸[4].由此可見，我國每年產(chǎn)生的廢油數(shù)量驚人，不回收利用將對環(huán)境造成極大的危害，如1桶約200 L的廢機(jī)油會污染3.5 km2的水域[5].目前，我國對兩類廢油的利用方式[6]主要有用廢食用油生產(chǎn)肥皂、涂料及其他化工產(chǎn)品，對廢機(jī)油直接丟棄或燃燒或再生精制成新油等.

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對廢油再生瀝青已開展了廣泛的研究.Majid等[7-8]研究了廢食用油作為瀝青再生劑的可行性;Su等[9]將廢食用油作為芯材制備一種微膠囊用于老化瀝青的原位再生；Dedene[10]研究了廢機(jī)油再生瀝青的微觀性能;Jia等[11]研究了廢機(jī)油再生老化瀝青的流變性能；徐朋朋[12]研究了廢機(jī)油對老化瀝青及其混合料的再生作用；陳美祝等[13-15]研究了不同摻量的廢食用油對老化瀝青及老化混合料的再生效果.

綜上所述，前人所做的工作主要是針對單一種類廢油再生瀝青，而不同種類廢油對老化瀝青的再生差異性缺乏相關(guān)研究，并且目前廢油再生瀝青也缺乏相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范.文中選取廢大豆油和廢機(jī)油分別作為廢食用油和廢工業(yè)用油的典型代表，通過對再生瀝青常規(guī)物理性能和紅外光譜測試，分析不同廢油再生瀝青效果的差異性，為廢油再生瀝青提供指導(dǎo).

1 原材料與實驗方法

1.1 原材料及其物理性質(zhì)

AH-90重交石油瀝青由中海油(泰州)有限公司生產(chǎn)，其物理性能見表1；廢大豆油由實驗室自制；廢機(jī)油取自武漢一家汽車4S店，2種廢油的基本性能指標(biāo)見表2.

1.2 實驗方法

文中的技術(shù)路線見圖1，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中相關(guān)實驗方法，采用薄膜烘箱(TFOT)和壓力老化實驗(PAV)對AH-90瀝青進(jìn)行短期與長期老化以制備老化瀝青.之后將AH-90老化瀝青加熱至150 ℃，分別摻入4%～7%(與老化瀝青的質(zhì)量比計)的廢大豆油或廢機(jī)油，利用高速剪切儀在5 000 r/min下剪切10 min制備再生瀝青.按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中相關(guān)實驗方法，對AH-90瀝青、老化瀝青以及不同廢油再生瀝青25 ℃針入度、15 ℃及5 ℃延度、軟化點、135 ℃粘度進(jìn)行測試.采用紅外光譜儀測試分析廢大豆油、廢機(jī)油、AH-90瀝青老化前后以及最佳摻量下不同廢油再生瀝青的主要官能團(tuán).

表1 AH-90重交石油瀝青性能指標(biāo)

表2 兩種廢油的基本性能

圖1 技術(shù)路線圖

2 結(jié)果與分析

2.1 廢油類型與摻量對老化瀝青常規(guī)物理性能的影響

2.1.1 廢油類型與摻量對老化瀝青針入度的影響

針入度表示瀝青的軟硬程度、稠度和抵抗剪切破壞的能力，針入度越大表示瀝青越軟，稠度越小，抵抗剪切破壞的能力越小.圖2為廢油類型與摻量對老化瀝青針入度的影響.由圖2可知，在4%～7%的摻量下，老化瀝青的針入度隨著廢油摻量的增加而呈現(xiàn)指數(shù)增加.對于同一摻量，不同廢油對老化瀝青針入度的作用程度不同，廢機(jī)油再生瀝青的針入值要高于相應(yīng)的廢大豆油再生瀝青.這主要是因為廢機(jī)油的粘度較小，更容易滲透進(jìn)老化瀝青，使瀝青軟化.廢油摻量繼續(xù)增加，瀝青的針入度過大，粘性成分多，對瀝青的高溫性能不利，因此廢油的摻量必須控制在一定的范圍內(nèi).

圖2 廢油類型與摻量對老化瀝青針入度的影響

2.1.2 廢油類型與摻量對老化瀝青延度的影響

圖3 廢油類型與摻量對老化瀝青延度的影響

延度是評價瀝青塑性的指標(biāo)，可以衡量瀝青在外力作用下發(fā)生拉伸變形而不破壞的能力，延度越大意味著瀝青的低溫抗裂性能越好.文中對不同廢油再生前后的瀝青進(jìn)行15 ℃的延度測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不同廢油的摻量大于4%時，再生瀝青的延度均大于100 cm.為更直觀地比較不同廢油摻量對老化瀝青延度的影響，文中又對再生前后的瀝青進(jìn)行5 ℃延度測試，結(jié)果見圖3.由圖3可知，在4%～7%的摻量下，隨著廢油摻量的增加，老化瀝青的5 ℃延度增大.這說明廢油的加入對老化瀝青的低溫性能有利，可以減少低溫開裂，這與針入度的實驗結(jié)果是一致的.當(dāng)廢油摻量小于6%時，廢大豆油對老化瀝青延度的改善效果明顯，當(dāng)摻量大于6%時，廢機(jī)油對老化瀝青延度的改善效果比較顯著.值得注意的是，當(dāng)摻量在7%時，2種廢油再生瀝青的5 ℃延度沒有恢復(fù)到AH-90基質(zhì)瀝青的延度水平(大于100 cm)，但測定2種廢油再生瀝青在15 ℃的延度均大于100 cm，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求.

2.1.3 廢油類型與摻量對老化瀝青軟化點的影響

瀝青的軟化點反映了瀝青的高溫粘度和溫度敏感性.一般來說，瀝青軟化點越高，溫度穩(wěn)定性越好.圖4為廢油類型與摻量對老化瀝青軟化點的影響.由圖4可知，老化瀝青的軟化點隨廢油摻量的增加而減小，這說明2種廢油都可以有效地軟化瀝青.當(dāng)廢機(jī)油的摻量為5%時，再生瀝青的軟化點為43.5 ℃，基本接近AH-90瀝青的軟化點(43 ℃).而廢大豆油的摻量為6%時，再生瀝青的軟化點才可以恢復(fù)到AH-90瀝青的水平.在同一廢油摻量下，廢機(jī)油對老化瀝青軟化點的降低效果好優(yōu)于廢大豆油，這與前文針入度、延度的實驗結(jié)果是一致的.同樣，廢油的摻量不宜過高，否則會使瀝青的軟化點過低，溫度穩(wěn)定性變差.

圖4 廢油類型與摻量對老化瀝青軟化點的影響

2.1.4 廢油類型與摻量對老化瀝青粘度的影響

圖5 廢油類型與摻量對老化瀝青粘度的影響

135 ℃下的粘度通常用來衡量瀝青的施工性能，一般此溫度下的粘度越大表示瀝青的施工性能越差，粘度越小則瀝青中的輕質(zhì)組分容易揮發(fā)，因此必須有合適的粘度.圖5為廢油類型與摻量對老化瀝青粘度的影響.由圖5可知，老化瀝青的粘度隨廢油摻量的增加而減小，在同一摻量下，廢機(jī)油對老化瀝青粘度減小的幅度大于廢大豆油.當(dāng)廢機(jī)油的摻量為5%時，瀝青粘度為0.38 Pa·s，接近AH-90瀝青的粘度(0.35 Pa·s).而廢大豆油的摻量為7%時，再生瀝青的粘度才達(dá)到0.39 Pa·s.由此可見，廢機(jī)油對老化瀝青的降粘效果要好于廢大豆油，這與前面實驗結(jié)果也是一致的.

2.1.5 最佳廢油摻量的確定

瀝青再生的目的是使再生后的瀝青各項指標(biāo)接近某標(biāo)號的瀝青.綜合不同廢油再生瀝青的常規(guī)物理性能來看，廢油存在一個最佳摻量.以AH-90瀝青的各項指標(biāo)為基準(zhǔn)值，定義不同摻量下廢油再生瀝青的各項指標(biāo)與基準(zhǔn)值的比值為恢復(fù)度，恢復(fù)度越接近于100%，說明老化瀝青的再生效果越好.由圖2～5可知，當(dāng)廢機(jī)油的摻量為5%時，針入度恢復(fù)度為104%，軟化點恢復(fù)度為101%，粘度恢復(fù)度為109%，此時再生瀝青的5℃延度為19 cm，15 ℃延度大于100 cm，可以滿足路用要求，因此廢機(jī)油再生老化瀝青的最佳摻量為5%.當(dāng)廢食用油的摻量為6%時，針入度恢復(fù)度為112%，軟化點的恢復(fù)度為102%，粘度的恢復(fù)度為114%，5 ℃的延度為21 cm，15 ℃延度大于100 cm，可以滿足路用要求，因此將6%視為廢大豆油再生老化瀝青的最佳摻量.

2.2 不同廢油再生瀝青的微觀結(jié)構(gòu)分析

2.2.1 不同廢油的微觀結(jié)構(gòu)分析

圖6為廢大豆油和廢機(jī)油的紅外光譜圖.由圖6可知，廢大豆油和廢機(jī)油均含有—CH2—的不對稱和對稱伸縮振動吸收峰(分別在2 925，2 854 cm-1處)、—CH3—的不對稱變形和對稱變形振動吸收峰(分別在1 464，1 377 cm-1處)、長鏈亞甲基—(CH2)n—的彎曲振動吸收峰(722 cm-1處)并由吸收峰的位置可以判斷出n>4，說明2種廢油均含有烷烴、環(huán)烷烴等物質(zhì)，這與瀝青中的芳香分相似，因而可以補(bǔ)充老化瀝青中減少的輕質(zhì)組分.

廢大豆油含有—OH—的伸縮振動峰(3 100～3 700 cm-1處)、飽和脂肪酸中C=O伸縮振動峰(1 747 cm-1)、脂肪族C=N的伸縮振動峰(1 655 cm-1處)、脂鍵中C—O的伸縮振動峰(1 163，1 120，1 100，1 033 cm-1處)、反式脂肪酸特征變角振動峰(968 cm-1處).由上述分析可以判斷出，廢大豆油還含有醇類、酸類、脂類物質(zhì).廢機(jī)油由基礎(chǔ)油(主要是指高分子的烴類和非烴類物質(zhì))和添加劑(粘度指數(shù)改進(jìn)劑、清潔劑和抗氧化劑)分解產(chǎn)物等組成.基礎(chǔ)油的吸收峰除與廢大豆油吸收峰相同外，還存在醛羰基C=O伸縮振動峰(1 733 cm-1處)、醛基C—H的伸縮振動吸收峰(2 728 cm-1處)、苯環(huán)的碳骨架的伸縮振動吸收峰(1 604 cm-1處).1 304，1 155 cm-1處為粘度指數(shù)改進(jìn)劑分解產(chǎn)物的特征吸收峰.1 078 cm-1處為清潔劑分解產(chǎn)物的特征吸收峰、999 cm-1處為抗氧劑分解產(chǎn)物的伸縮振動峰.由上述分析可以判斷出，廢機(jī)油還含有醛類物質(zhì)、芳香烴、添加劑分解產(chǎn)物等.

通過以上的分析可知：廢大豆油主由烷烴、環(huán)烷烴、醇類、酸類、脂類等物質(zhì)組成；廢機(jī)油由烷烴、環(huán)烷烴、醛類物質(zhì)、芳香烴、添加劑分解產(chǎn)物等物質(zhì)組成.廢油(包括廢大豆油和廢機(jī)油)與瀝青(主要由烷烴、環(huán)烷烴、芳香族化合物等物質(zhì)組成)的化學(xué)組成相似，根據(jù)相似相容原理可以判斷，廢油能很好地溶于瀝青中，形成穩(wěn)定的化學(xué)體系.但不同廢油的化學(xué)組成存在著一定的差距，導(dǎo)致了再生瀝青的物理性質(zhì)也存在一定的差距.

2.2.2 廢油再生瀝青的微觀結(jié)構(gòu)分析

圖7為AH-90瀝青、老化瀝青與最佳摻量下不同廢油再生瀝青的紅外光譜圖.由圖7可知，AH-90瀝青老化之后峰的位置與原樣瀝青的接近，只是峰的強(qiáng)度有所不同.與未老化的瀝青相比，老化瀝青在2 929，800～500 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度減弱，說明瀝青在老化過程中芳香分的含量減小，1 030 cm-1處亞楓基吸收峰的強(qiáng)度增強(qiáng)，大分子量物質(zhì)增加，使瀝青的粘度增大，導(dǎo)致瀝青硬化.在1 695 cm-1處的吸收峰是由于羰基的存在，說明瀝青老化產(chǎn)生了醛、酮、羧酸等物質(zhì).羰基和亞砜指數(shù)在一定程度上可以反映瀝青的老化與再生程度，計算方法見式(1)～(2)，表5為不同廢油

圖7 AH-90老化再生前后紅外光譜圖

類型I(SO)I(CO)廢大豆油0.0020 廢機(jī)油00.033AH-900.0280 AH-90老化0.0450.120廢大豆油再生瀝青0.0390.015廢機(jī)油再生瀝青0.0380.024

以及瀝青老化、再生前后羰基和亞楓基指數(shù).由表5可知，瀝青老化之后，羰基和亞砜基指數(shù)增大.在老化瀝青中加入廢油之后，2種廢油再生瀝青的羰基、亞砜基官能團(tuán)強(qiáng)度都降低，說明廢油的加入可以有效再生老化瀝青.但是不同類型的廢油生效果存在一定的差異：廢機(jī)油對亞砜基指數(shù)的降低效果稍好于廢大豆油，對羰基的降低效果略差，這與2.1的實驗結(jié)果看似矛盾，但其實是與不同廢油的成分有關(guān)，廢機(jī)油本身的羰基指數(shù)大于廢大豆油，導(dǎo)致廢機(jī)油再生瀝青中的羰基含量略大.

(1)

(2)

3 結(jié) 論

1) 常規(guī)物理性能測試結(jié)果表明：廢大豆油、廢機(jī)油的摻量分別為6%，5%，可以使AH-90老化瀝青恢復(fù)至原樣新瀝青的水平，在相同摻量下廢機(jī)油對老化瀝青常規(guī)物理性能的改善效果要優(yōu)于廢大豆油.

2) 紅外光譜的測試結(jié)果表明，廢大豆油和廢機(jī)油均可以有效降低老化瀝青中羰基、亞砜基的含量；廢機(jī)油對亞砜基指數(shù)的降低效果稍好于廢大豆油，對羰基的降低效果略差，這與廢油的成分有關(guān).

3) 綜合常規(guī)物理性能和微觀結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果來看：廢大豆油與廢機(jī)油均可以有效再生老化瀝青，不過再生效果存在一定差異，廢機(jī)油要優(yōu)于廢大豆油，但廢油再生瀝青的耐老化性能等需要進(jìn)一步研究.

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Investigation on Physical Properties and Structure of Rejuvenated Asphalt with Different Waste Oils

ZHANG Yan CHEN Meizhu WU Shaopeng LIU Siqing LIU Jingxiang

(StateKeyLaboratoryofSilicateMaterialsforArchitectures,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)2)

The objective of this paper is to investigate the physical properties and chemical structure of rejuvenated asphalt with different types of oils. The experimental materials included one aged asphalt binder prepared by AH-90 virgin asphalts after laboratory aging and two waste oils (waste cooking oil and waste engine oil). The rejuvenated asphalt is evaluated using penetration, ductility, softening point and viscosity tests. The chemical structures of rejuvenated asphalt and waste oils are analyzed using Fourier Transformed Infrared Spectroscopy (FTIS). The experimental results indicate that the addition of waste oils has a tendency to recover its virgin level of aged asphalt. However, there is a difference between the waste soybean oil and waste engine oil, and the rejuvenation effect of waste engine oil is better than that of waste soybean oil. Moreover, the optimal dosages of waste soybean oil and waste engine oil for the aged bitumen are found to be 6% and 5%, respectively.

aged asphalt; regeneration; waste soybean oil; waste engine oil; properties and structure

2016-11-30

*國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項項目(2013YQ160501)、國家“973”項目(2014CB932104)資助

U414

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.020

張燕(1992—)：女，碩士生，主要研究領(lǐng)域為道路與橋梁工程