废食用油与废润滑油对老化沥青物理与流变特性影响的对比研究*

万贵稳 陈美祝 柳景祥 刘思晴 林 豪

(武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070)

0 引 言

据统计，我国每年产生500～750万吨的废食用油[1]，预计到2020年我国废润滑油年产量会达到5亿L[2].面对如此巨大的废油产量，如果得不到合理的利用，将会严重危害环境，危害人类健康.

目前我国对废食用油的利用方式主要有：①生产生物柴油[3-5]，虽然在一定程度上使废食用油得到了利用，但是其利用率仍然较低；②生产肥皂[6]，这种利用方式会产生二次污染；③用于沥青改性或再生.对于废润滑油的处置方式主要有[7-8]：①丢弃或焚烧，会污染土壤、水域与空气；②废润滑油经脱重金属后作为燃料；③道路油化，利用非润滑油的粘度，在尘土飞扬的路上加入废润滑油，废油和尘土一起，使尘土不易飞扬；④二次处理后作为润滑油再利用.

根据沥青老化机理，沥青老化后具体表现为芳香分含量降低，沥青质含量增加，老化沥青的再生主要依靠再生剂和新沥青对其化学组成和个组分之间的含量进行调整.早期的再生剂大部分使用石油化工生产出来的轻质油，如柴油、机油、润滑油.由于废食用油是一种低粘度的油料，其中芳香分的含量较高，可以补充沥青老化过程中损失的芳香分，因此，国内外开展了大量有关将废油作为沥青改性剂和再生剂的研究.Azahar等[9]将废食用油作为改性剂加入到沥青中，结果表明废食用油使沥青的物理性能及流变性能得到了明显的改善.冷滨滨等[10]将废食用油作为沥青再生剂并研究了其对不同沥青的再生效果，结果表明，废食用油能明显改善老化沥青的各项物理指标并使老化沥青恢复至原样沥青的水平.废润滑油属于石油化工产品，是由原油提炼得到的，并且含有大量的烷烃等有机物，其成分与沥青相似.但是目前国内外对于废润滑油用于沥青再生的研究还较少，王永刚等[11]将润滑油精制过程中产生的废油作为再生剂由于废旧沥青混合料的再生，结果表明，再生沥青混合料完全满足要求.

综上所述，之前对废油再生沥青的研究仅仅局限于一种废油，并且对于废润滑油再生沥青的研究较少.基于此，文中基于对废润滑油再生沥青性能的研究，并对比分析了废食用油和废润滑油对沥青再生效果的差异.

1 原材料及实验方法

1.1 原材料及其基本性能

采用70#基质沥青，其物理性能见表1；废食用油为煎炸废油；废润滑油为经机械磨削使用后产生的，其基本性能见表2.

表1 70#沥青基本性能指标

表2 废油基本性能指标 %

1.2 实验方法

技术路线图见图1，沥青的老化按照文献[12]的实验方法，薄膜烘箱实验是在163.5 ℃下老化5 h,压力老化实验是在100 ℃下老化20 h，将70#新鲜沥青先进行薄膜烘箱老化(TFOT)，然后再进行压力老化(PAV)制得老化沥青.向老化沥青中分别加入质量分数为3%～9%的废食用油，制得废食用油再生沥青；由表2两种废油的基本性能来看，废润滑油中的轻质组分含量要低于废食用油，并且在前期探索实验中发现较低掺量的废润滑油对老化沥青的再生效果不明显.因此增大了废润滑油在老化沥青中的掺量，将5%～20%的废润滑油加入到老化沥青中，制得废润滑油再生沥青.

图1 技术路线图

2 结果与讨论

2.1 不同废油对老化沥青物理性能的影响

2.1.1针入度

针入度可以表征沥青的软硬程度和抵抗剪切破坏的能力，同时也反映了沥青在特定条件下的稠度.针入度越大，沥青越软，针入度越小，沥青越硬.图2为两种废油在25 ℃下对老化沥青针入度的影响结果.由图2可知，沥青老化后针入度明显减小，说明沥青老化后沥青变硬，随着废油的加入，针入度均随着两种废油掺量的增大而增大，但是两种废油使其增大的幅度存在差异.废食用油再生沥青针入度增加的幅度要大于废润滑油，当两种废油的掺量相同时，废食用油的再生效果要明显优于废润滑油.这说明两种废油都能使沥青变软，并且使得沥青的稠度变小，使沥青能够更好地裹覆于集料表面，但是废食用油的效果更明显.

图2 不同废油对老化沥青针入度的影响

2.1.2软化点

软化点反映了沥青的粘度和对温度的敏感性，是衡量沥青高温性能的重要物理指标.沥青的软化点越高，粘度越大，温度稳定性越好.图3为两种废油对老化沥青软化点的影响.由图3可知，沥青老化后软化点增大，当加入废油后，软化点降低，并且随着废油掺量的增大，软化点降低的也越明显.与针入度结果相似，两种废油对软化点的影响存在差异，废食用油对软化点的影响效果相对于废润滑油来说更加明显，软化点下降的幅度较大.这说明两种废油都能使沥青变软，温度敏感性增强，高温稳定性下降，这与前面的针入度的实验结果是一致的.因此，要控制废油的掺量，废油的掺量过高，使沥青的粘性成分过多，对高温性能有不利影响.

2.1.3延度

延度是沥青受到外力拉伸作用时，所能承受的塑性变形的总能力，是衡量沥青低温柔韧性能的重要指标.表3为两种废油对老化沥青延度的影响情况，由表3可知，当废食用油掺量在3%～9%，废润滑油掺量在5%～20%时，老化沥青的延度都随着废油掺量的增加而增大，但是废食用油对沥青延度的改善效果要比废润滑油明显.当废食用油和废润滑油的掺量为3%和5%时，延度值均已大于100 cm，满足文献[12]的要求.说明两种废油对延度的改善效果都很好，使沥青的低温柔韧性能和抗开裂性能变好，这与针入度、软化点的实验结果是一致的.同时，值得注意的是，不同废油对沥青的影响效果是不一样的，因此，要根据不同废油来确定不同的掺量.

图3 不同废油对老化沥青软化点的影响

掺量/%废食用油03579废润滑油05101520延度(15℃)/cm57190500>500>50057124214280446

2.2 两种废油对老化沥青低温流变性能影响

对沥青进行弯曲梁流变实验可以研究沥青的低温流变性能，通过实验可以获得两个实验参数：蠕变劲度模量和蠕变速率.

蠕变劲度模量(S)为沥青抵抗永久变形的能力.蠕变劲度模量越大，沥青中的粘性成分越多，弹性成分越少，材料抵抗永久变形的能力越差.图4为-12 ℃下两种废油对老化沥青蠕变劲度模量影响的情况.由图4可知，相对于原样沥青，老化沥青的蠕变劲度模量明显增大，加入废油后，蠕变劲度模量明显降低，当废食用油和废润滑油的掺量分别为3%和5%时，再生沥青的蠕变劲度模量与原样沥青相当.说明废油的加入使老化沥青中的弹性成分增多，抵抗永久变形的能力变好.值得注意的是，蠕变劲度模量随着废油的加入其下降的幅度减小.

图4 不同废油对老化沥青蠕变劲度模量的影响

蠕变速率(m)为沥青的应力松弛能力.m值越大，说明沥青的应力松弛性能越好，其抵抗低温开裂的能力也越好.图5为在-12 ℃下两种废油对老化沥青蠕变速率的影响情况，由图5可知，相对于原样沥青，老化沥青的蠕变速率明显降低，加入废油后，两种废油再生沥青的蠕变劲度都随着废油掺量的增加而增大.说明两种废油的加入都能使老化沥青的应力松弛性能变好.但是相同掺量的两种废油对沥青的影响效果不同，废食用油对老化沥青的影响效果较废润滑油要更明显，这是由于废食用油中轻质组分的含量要多于废润滑油.

图5 不同废油对老化沥青蠕变速率的影响

2.3 高温流变性能

2.3.1复合模量

复合模量(G*)为沥青样品在重复剪切时产生的变形总量.在高温环境下复合模量越大，沥青的变形总量越小，沥青的弹性性能越好.图6是两种废油再生沥青的复合模量随废油掺量和温度的变化情况.由图6可知，复合模量随温度的升高而降低，相对于原样沥青，老化沥青的复合模量明显增加，这说明沥青老化后其抵抗变形的能力增强.与基本物理性能的实验结果一致，随着废油的加入，同温度下复合模量随着废油掺量的增加而下降，这说明废油的加入对沥青起到了软化作用，增加了沥青中的粘性成分.如果沥青中的粘性成分过多会使沥青的高温性能变差，因此，要适当控制废油的掺量.另外，当废食用油和废润滑油的掺量分别为5%和15%时，再生沥青的复合模量接近原样沥青，说明两种废油对老化沥青起到了再生效果.

图6 不同废油对老化沥青复合模量的影响

2.3.2相位角

相位角(δ)的大小可以表征沥青中粘性成分和弹性成分的多少.在高温环境下，相位角越小，沥青中的弹性成分越多，粘性成分越少，沥青越不易产生流动变形.图7为两种废油再生沥青的相位角随废油掺量和温度变化的情况.由图7可知，沥青的相位角随温度的升高而增大，沥青老化后同温度下相位角明显下降，加入废油后，两种再生沥青同温度下相位角都明显下降，但是，废食用油对相位角的影响效果更为明显.值得注意的是，对于废食用油和废润滑油的掺量分别在3%～9%和5%～20%范围内，两种废油再生沥青的相位角都小于原样沥青，这说明两种废油再生沥青高温抵抗流动变形的能力都优于原样沥青.

图7 不同废油对老化沥青相位角的影响

2.3.3车辙因子

G*与δ的正弦比值G*/sinδ即车辙因子，反映了沥青高温下抵抗相对变形的能力，车辙因子越大表示高温性能越好.图8为两种废油对老化沥青车辙因子的影响情况.由图8可知，老化沥青的车辙因子明显升高，并且沥青的车辙因子随温度的升高而降低.加入废油后，同温度下沥青的车辙因子随废油掺量的增加而逐渐减小，这说明升高温度和加入废油都使沥青变得更软，说明废油能使老化沥青软化.当废食用油和废润滑油掺量分别为5%和15%时，再生沥青的车辙因子与70#原样沥青基本一致，继续增加废油的掺量，使得再生沥青的车辙因子低于原样沥青，高温抗车辙性能较差.

图8 不同废油对老化沥青车辙因子的影响

3 结 论

1) 常规物理性能测试显示, 两种废油都能使老化沥青的物理性能得到改善，使沥青变软，当废食用油和废润滑油掺量的质量分数分别为7%, 20%时，可以使70#老化沥青恢复至原样沥青的水平的90%，废食用油的改善效果较废润滑油要明显.

2) 流变性能测试结果显示，对于低温流变性能，废食用油和废润滑油都能使老化沥青的蠕变劲度模量明显降低，蠕变速率明显升高；对于高温流变性能，两种废油都使老化沥青的复合模量减小，相位角增大，车辙因子下降.在相同掺量下，废食油再生沥青的流变性能优于废润滑油.

3) 两种废油都可使沥青得到再生，改善老化沥青的低温性能，并可恢复至原样沥青水平，起到了对老化沥青软化的效果，但是若掺量过大会对高温性能有不利影响.另外，废食用油对老化沥青的再生效果要优于废润滑油，这是由于废食用油中的芳香分的成分要比废润滑油中的多，而对老化沥青再生起关键作用的是废油中的芳香分.

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