廢食用油再生瀝青高低溫流變性能研究

楊萬智

(廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步，居民生活水平不斷提升，與此相伴的是廢食用油的大量產(chǎn)生。廢食用油為餐飲不斷加工和使用過程中產(chǎn)生的不適于食用的廢棄油脂。我國(guó)每年產(chǎn)生大約2 000萬t的廢食用油，并且數(shù)量在逐年增長(zhǎng)[1]。廢食用油一般可用于工業(yè)回收，如制造生物燃料、工業(yè)油酸、油脂皂脂等。將廢食用油加入老化瀝青中，可有效補(bǔ)充老化瀝青的飽和分和芳香分等輕質(zhì)組分，并降低瀝青質(zhì)的占比，因此可實(shí)現(xiàn)老化瀝青的再生[2]。

本文研究廢食用油再生瀝青的高低溫流變特性，量化廢食用油對(duì)老化瀝青的再生效果，研究結(jié)果可為廢食用油在道路工程的綜合利用提供一定的參考。

1 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

本文采用廢食用油作為老化瀝青的再生劑，老化瀝青來自西南某高速公路下面層，回收后的老化瀝青相關(guān)指標(biāo)如表1所示；廢食用油來自某地溝油回收站，相關(guān)指標(biāo)如表2所示。從表2可以看出，廢食用油的關(guān)鍵指標(biāo)達(dá)到了《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTGT 5521-2019)RA-1再生劑的技術(shù)要求，可有效實(shí)現(xiàn)老化瀝青的再生。本文將廢食用油的摻量設(shè)置為2%、4%、6%和8%。

表1 70#老化瀝青技術(shù)指標(biāo)表

表2 廢食用油技術(shù)指標(biāo)表

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 DSR溫度掃描

廢食用油的摻量對(duì)再生瀝青的高溫性能有一定的影響。因此，采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀，對(duì)再生瀝青開展溫度掃描，探討再生瀝青高溫流變性能隨廢食用油摻量和溫度的變化規(guī)律[3]。試驗(yàn)溫度區(qū)間選擇為40 ℃～80 ℃，間隔為10 ℃；考慮到再生瀝青粘彈特性復(fù)雜，選擇1%應(yīng)變水平，加載頻率為10 rad/s。動(dòng)態(tài)剪切流變儀型號(hào)為Bohlin Gemini 2 ADS，生產(chǎn)廠家為英國(guó)MALVERN公司。

1.2.2 多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)

多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)可有效表征瀝青的高溫性能，具體的試驗(yàn)過程為：分別進(jìn)行0.1 kPa和3.2 kPa剪切應(yīng)力水平下的蠕變恢復(fù)試驗(yàn)，蠕變和恢復(fù)的時(shí)間分別為0.1 s和9 s，以模擬路面實(shí)際荷載的作用過程，然后根據(jù)蠕變以及恢復(fù)過程的應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力水平下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr。不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr可有效表征瀝青膠結(jié)料的高溫性能，其值越低，瀝青膠結(jié)料的高溫性能越好。試驗(yàn)過程以及指標(biāo)計(jì)算公式參考美國(guó)規(guī)范ASTM D7405-08[4]。

1.2.3 彎曲梁流變(BBR)試驗(yàn)

美國(guó)SHRP規(guī)范采用彎曲梁流變(BBR)試驗(yàn)確定瀝青的低溫PG分級(jí)。然而由于低溫PG分級(jí)間隔為6 ℃，溫度間隔區(qū)間太大，難以區(qū)分相同低溫PG分級(jí)瀝青的優(yōu)劣[5]。因此，本文采用低溫連續(xù)PG分級(jí)評(píng)價(jià)再生瀝青的低溫性能，量化廢食用油摻量對(duì)再生瀝青的低溫性能影響。低溫連續(xù)PG分級(jí)試驗(yàn)方法和原理與低溫PG分級(jí)試驗(yàn)一致，只是增加勁度模量S和勁度模量變化率m的溫度插值公式，二者計(jì)算所得的溫度中最高值即為低溫連續(xù)PG分級(jí)指標(biāo)。插值計(jì)算公式見式(1)和式(2)：

(1)

(2)

式中：TS、Tm——S值和m值的低溫連續(xù)PG分級(jí)插值；

T1、T2——兩個(gè)測(cè)試溫度的低值和高值；

P1、P2——S值和m值在T1、T2溫度下的測(cè)試值；

Pm——S值和m值的要求值，對(duì)于S為300 MPa，對(duì)于m為0.3。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 DSR溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果及分析

DSR溫度掃描試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示。為便于識(shí)圖，對(duì)再生瀝青進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)規(guī)則主要依據(jù)廢食用油的摻量，例如2%O代表摻加2%廢食用油的再生瀝青，后文同，不再贅述。從圖1可以看出：隨著溫度增加，不同摻量的再生瀝青復(fù)數(shù)模量呈指數(shù)下降，相位角逐漸增加；不同摻量廢食用油再生瀝青復(fù)數(shù)模量規(guī)律明顯，廢食用油的摻加降低了再生瀝青的高溫性能。同時(shí)，廢食用油摻量對(duì)再生瀝青的相位角有顯著影響，表明廢食用油摻加進(jìn)再生瀝青中之后，改變了再生瀝青的粘彈特性，且對(duì)摻量變化較為敏感，不同摻量的廢食用油再生瀝青相位角有明顯區(qū)別。值得注意的是，隨著廢食用油摻量增加，再生瀝青的高溫敏感性下降。為了量化溫度敏感性的變化情況，采用復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS評(píng)價(jià)再生瀝青的溫度敏感性。具體的計(jì)算公式見式(3)。復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS計(jì)算結(jié)果如表3所示。從表3可以得出結(jié)論：復(fù)數(shù)模量指數(shù)GTS擬合結(jié)果回歸系數(shù)R2都很高，均>0.99；廢食用油有效降低了再生瀝青的溫度敏感性，且隨著廢食用油摻量的增加，溫度敏感性指標(biāo)GTS的下降幅度更大。

lglgG*=GTS×lgT+C

(3)

式中：GTS——復(fù)數(shù)模量指數(shù)；

G*——復(fù)數(shù)模量(Pa)；

T——試驗(yàn)溫度(K)。

圖1 復(fù)數(shù)模量試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線圖

圖2 相位角試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線圖

表3 溫度敏感性分析結(jié)果表

2.2 多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果及分析

多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)的溫度分別為58℃、64℃和70℃，該溫度區(qū)間符合夏天路面溫度實(shí)際情況。試驗(yàn)結(jié)果如下頁圖3、圖4所示。從圖3和圖4可以得出結(jié)論：老化瀝青摻加廢食用油后，廢食用油再生瀝青的高溫性能有一定程度的下降，具體表現(xiàn)為0.1 kPa和3.2 kPa下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃縅nr均隨著廢食用油摻量的增加而不斷增加，且呈線性增加規(guī)律。值得注意的是，隨著溫度增加，再生瀝青的高溫性能下降較快，主要的原因在于瀝青膠結(jié)料對(duì)溫度敏感性高，高溫下溫度的升高是瀝青膠結(jié)料性能下降的主要因素，遠(yuǎn)超廢食用油摻量對(duì)瀝青膠結(jié)料高溫性能的影響。

圖3 0.1 kPa下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S溫度變化曲線圖

圖4 3.2 kPa下的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S溫度變化曲線圖

2.3 BBR試驗(yàn)結(jié)果及分析

瀝青低溫彎曲梁試驗(yàn)(BBR)溫度設(shè)置為-12 ℃和-18 ℃，試驗(yàn)按照《瀝青彎曲蠕變勁度試驗(yàn)(彎曲梁流變儀法)》(JTG E20T0627-2011)[6]進(jìn)行，并根據(jù)式(1)和式(2)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果如表4所示。從表4可以得出：隨著廢食用油摻量的增加，再生瀝青的低溫性能有較大程度的提升，特別是8%摻量的再生瀝青，其低溫連續(xù)PG分級(jí)較不摻廢食用油的再生瀝青提高42.8%。因此，廢食用油有效改善了再生瀝青的低溫性能，與其他不能有效恢復(fù)再生瀝青低溫性能甚至過高摻量對(duì)再生瀝青低溫性能有損害的再生劑相比有顯著優(yōu)勢(shì)。

表4 低溫連續(xù)PG分級(jí)結(jié)果表

3 結(jié)語

(1)老化瀝青添加廢食用油后，其復(fù)數(shù)模量隨廢食用油摻量增加而顯著下降，但GTS指標(biāo)有所改善，再生瀝青的溫度敏感性有所下降。

(2)廢食用油摻量增加，將會(huì)降低再生瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，?duì)再生瀝青的高溫性能不利；與廢食用油摻量因素相比，溫度對(duì)瀝青膠結(jié)料高溫性能的影響更為顯著。

(3)廢食用油可有效改善再生瀝青的低溫性能，且改善程度與摻量呈顯著相關(guān)，在摻量為8%時(shí)低溫性能提升最為明顯。