含餐厨废油的道路坑槽修补用冷补沥青室内性能评价

徐 茜， 耿立涛， 魏 雪， 钟 阳， 马川义

(1.大连理工大学 交通运输学院， 辽宁 大连 116024； 2.山东建筑大学 交通工程学院， 山东 济南 250101；3.齐鲁交通发展集团有限公司， 山东 济南 250101)

餐厨废油是烹调产生的废弃劣质油脂，其酸价、丙二醛、过氧化值等指标严重超标[1]，并含有铅、镉、砷等重金属及苯并芘等有害物质[2-3].据统计，中国餐厨废油每年至少产生500万t[4]，严重污染环境并危及饮食安全.国内外学者进行了大量的餐厨废油再利用研究工作，主要集中在制备生物柴油、建筑及化工材料等方面[5].Shishir等[6]和赵佳平等[7]分别利用声化学反应、热裂解、催化酯化工艺对餐厨废油进行了生物柴油合成研究；Sharma等[8]评价了餐厨废油所含辛酸的相变性能，并以餐厨废油研制了用于房顶防水的智能液态聚合物；Zhang等[9]将餐厨废油制成生物基两性表面活性剂，并验证了其油水界面性能；邓琪等[10]研究了餐饮废油的皂化机理及制备工艺；王益民等[11]开展了餐厨废油在混凝土脱模剂中的应用研究.目前，餐厨废油再利用的处理工艺相对复杂且加工成本较高，限制了餐厨废油的规模化再利用.

坑槽病害是影响路面结构性能与行车安全的一项主要病害，在中国北方地区坑槽病害尤为普遍，主要产生于冬季或春季[12-15].坑槽修补是道路养护部门的一项日常性工作，其特点为对修补材料总需求量大但单位用量少且分散.传统上采用热拌沥青混合料进行坑槽修补，但由于拌和站无法在寒冷季节生产热拌沥青混合料，导致道路坑槽无法得到及时修补，加剧了坑槽周边道路结构的损坏[16-17].冷补沥青混合料通常采用稀释沥青或乳化沥青与常温石料拌制而得，其路用性能取决于冷补沥青与石料的黏附性[18-19].与热拌沥青混合料相比，冷补沥青混合料具有可长时间存储、使用不受气候影响、占用人力与机械设备少等优势[20]，已成为近年来坑槽修补的热点材料[21-23].从工程应用角度，进口冷补沥青混合料性能好，但价格昂贵(约为热拌沥青混合料的3～5倍)，为此国内学者开展了关于冷补沥青混合料的研究工作，取得了积极的研究成果[24-27].若能以餐厨废油作为稀释剂进行冷补沥青混合料制备，则可为餐厨废油的规模化再利用提供一条有益途径.

本文开展了含餐厨废油的道路坑槽修补用冷补沥青混合料的性能评价：首先将餐厨废油进行简易物理过滤及吸附处理，与柴油共混作为冷补沥青的稀释剂；然后基于设定的混拌工艺，在不同的辅助添加剂掺量下，制备冷补沥青，利用黏度控制标准初选基质沥青与稀释剂的掺配比例；最后优选冷补沥青混合料的最佳沥青用量，并在此沥青用量下评价了优选配方冷补沥青的黏附性和间接拉伸强度.

1 试验材料

1.1 餐厨废油

餐厨废油(CWO)取自食堂餐厨废弃物，棕黄色，含少量棕黑色残渣，呈半稠状.采用下述工艺对餐厨废油进行简易处理，取处理后的样品进行后续试验：将餐厨废油经0.075mm标准筛过滤，除去大体积固体杂质后，再以活性白土吸附脱色，经过滤分离得到处理后的餐厨废油.经上述工艺处理后的餐厨废油呈淡黄色，透澈且无可见杂质，流动性较处理前有所增强.处理后餐厨废油的20℃相对密度为0.9203、酸值为34.46(KOH)mg/g、碘值为94.01g/100g、过氧化值为28.6×10-3mol/kg，含有一定量的醇类、酸类、脂类等物质，部分组分与沥青(主要由烷烃、环烷烃、芳香族化合物等物质组成)的化学组成相似，但酸值明显高于基质沥青.根据相似相容原理，餐厨废油应该能很好地溶于沥青中.

1.2 柴油及基质沥青

选用道路工程中制备稀释沥青时普遍采用的国标0#柴油(D)，与餐厨废油共混作为基质沥青的稀释剂.以国产70#道路石油沥青(A)作为制备冷补沥青的基质沥青，其技术指标如表1所示.

表1 基质沥青的技术指标

1.3 辅助添加剂

基质沥青经稀释后黏度降低、流动性增强，从而使冷补沥青混合料具备了常温拌和及长时间存储的能力.但稀释剂的引入会降低沥青与石料的黏附性，另一方面，将餐厨废油加入到稀释剂中时，其含有的脂类组分也存在降低沥青与石料黏附性的隐患，从而降低冷补沥青混合料的抗水剥离性.因此，本文采用自主研发的辅助添加剂(add)来提高冷补沥青与石料的黏附性.该辅助添加剂由乙烯基类硅氧烷、醇类润湿剂等材料经化学合成所得，为深棕色无味液体，其相对密度为0.8249，主要作用在于增强稀释沥青与集料的界面黏结效应.

2 冷补沥青的制备

2.1 布氏黏度测试

稀释剂的掺量与黏度将影响冷补沥青的黏度，从而影响冷补沥青的施工和易性及冷补沥青混合料的可存储性.依据ASTM D 4402《American society for testing and materials. Standard test method for compressive strength of bituminous mixtures》方法测试了不同温度下餐厨废油(CWO)、柴油(D)及二者共混物(CWOD)的布氏黏度，结果如表2所示.表2同时给出了辅助添加剂在各温度下的布氏黏度测试结果.

由表2可知：各测试样本的布氏黏度均随着测试温度的增加而降低，除辅助添加剂外，各测试样本的布氏黏度变化幅度均不显著；相同温度下柴油的布氏黏度最低，柴油与餐厨废油的布氏黏度均显著低于辅助添加剂，更远低于基质沥青(见表1)；餐厨废油与柴油混溶物的布氏黏度则介于二者各自的布氏黏度之间.因此，从降低黏度角度考虑，采用餐厨废油替代(或部分替代)柴油作为冷补沥青的稀释剂具有可行性，且当稀释剂总体用量固定时，稀释剂中柴油与餐厨废油质量比的变化将不会对冷补沥青的布氏黏度产生明显影响.

表2 布氏黏度测试结果

2.2 冷补沥青的制备与初选

通常以60℃布氏黏度来表征冷补沥青的施工和易性，其适宜值约为0.8～1.6Pa·s[28-30].本文以下述工艺制备冷补沥青：首先将基质沥青加热至135℃，然后加入餐厨废油与柴油共混后的稀释剂，保持体系温度为(90±10)℃，匀速搅拌30min至体系混合均匀，继续保持该温度，加入辅助添加剂，再匀速搅拌90min，得到冷补沥青样品.选用表2所示的柴油与餐厨废油质量比、基质沥青与稀释剂质量比以及辅助添加剂掺量(外掺，质量分数，文中涉及的掺量、用量等均为质量分数)来制备冷补沥青，并测定其60℃布氏黏度，结果列于表3.

表3 冷补沥青的60℃布氏黏度测试结果

由表3可知：稀释剂对冷补沥青布氏黏度的影响最为显著，当基质沥青与稀释剂质量比由83∶17变化至75∶25时，冷补沥青的60℃布氏黏度降低了约2.5～2.8倍；辅助添加剂的掺量对冷补沥青布氏黏度的影响较小；稀释剂中柴油与餐厨废油的质量比由 85∶ 15变化至65∶35时，以及辅助添加剂掺量由0%变化至4%时，冷补沥青的布氏黏度变化均在10%以内.表3中当基质沥青与稀释剂质量比为79∶21和 77∶ 23时，冷补沥青的60℃布氏黏度均介于1.0～1.6Pa·s之间，故初选这2组配方进行后续冷补沥青混合料的制备与测试.

3 冷补沥青混合料的制备与测试

采用石灰岩石料拌制冷补沥青混合料，矿料级配依据文献[29]推荐的级配范围进行选择，具体级配设计见表4.

表4 冷补沥青混合料的级配设计

采用柴油与餐厨废油质量比(85∶15、75∶25、65∶35)、辅助添加剂掺量(0%、3%、4%)、基质沥青与稀释剂质量比(79∶21、77∶23)全组合下的18组冷补沥青样品，制备了冷补沥青混合料.其中沥青用量(Pb)取4.4%、4.7%、5.0%和5.3%，以相同的工艺进行拌和试验，于室温条件下在相同容器中以玻璃棒人工搅拌10min，获得冷补沥青混合料样品，每种冷补沥青混合料均准备500g样品.拌和试验过程中发现，冷补沥青混合料的拌和效果受沥青用量影响最为显著：当沥青用量较低(4.4%)时，集料表面沥青裹附不匀；当沥青用量偏高(5.3%)时则存在沥青流淌现象；当沥青用量为4.7%和5.0%时，集料表面沥青裹附均匀、混合料具有油润光泽且无沥青流淌现象.而基质沥青与稀释剂的质量比、稀释剂中柴油与餐厨废油的质量比及辅助添加剂掺量的变化对拌和效果无明显影响.

冷补沥青与集料的黏附性是表征冷补沥青混合料性能优劣的核心指标，黏附性差则冷补沥青混合料容易因水的影响而产生松散，导致坑槽修补失败[19,30].本文取沥青用量适中(4.7%、5.0%)的36组冷补沥青混合料样品进行黏附性测试及评价，其方法为：称取50g冷补沥青混合料置入沸水中，保持煮沸状态并以玻璃棒匀速搅拌2min，撇除表面漂浮的沥青后，随机拣取100粒集料置于白纸上逐一观察每颗集料表面的沥青裹覆情况，统计表面完全被沥青膜裹覆的集料数量记为裹附率(%)，裹附率高则黏附性佳.黏附性评价结果如表5所示.

表5 冷补沥青混合料的裹附率

从表5可看出：辅助添加剂对于提升冷补沥青混合料的黏附性贡献显著，未掺加辅助添加剂时所有冷补沥青混合料样品经水煮后沥青均全部脱落，掺加辅助添加剂后冷补沥青混合料的裹附率明显提升，且该值随着辅助添加剂掺量的提高而增大；随着稀释剂中餐厨废油比例的增加、冷补沥青中稀释剂比例的增大以及冷补沥青用量的降低，冷补沥青混合料的黏附性产生了轻微的降低，但裹附率均在95%以上.

对于掺加辅助添加剂的各冷补沥青混合料样品，基于JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行间接拉伸强度测试，测试温度为20℃、加载速率为50mm/min.由于稀释沥青类冷补沥青混合料在稀释剂开始挥发前(存储期内或使用初期)呈松散状态，为获得可进行强度测试且具有代表性的试件，借鉴文献[30]的方法进行试件制备：将冷补沥青混合料置于135℃烘箱中养护12h后，在该温度下以标准马歇尔击实仪双面击实(75次/面)获得测试试件，该方法可模拟实际工程中坑槽修补使用数月后的冷补沥青混合料状态.表6为间接拉伸强度的测试结果.

表6 冷补沥青混合料的间接拉伸强度

由表6可知：辅助添加剂掺量及基质沥青与稀释剂的质量比对冷补沥青混合料的间接拉伸强度均产生了影响，提高辅助添加剂的掺量或降低稀释剂的掺量均可提高冷补沥青混合料的间接拉伸强度.原因在于二者均有助于增加沥青与集料的黏附性，从而使得冷补沥青混合料获得更高的间接拉伸强度，其中尤以辅助添加剂掺量的影响更为明显；稀释剂中柴油与餐厨废油的质量比及冷补沥青用量则未对冷补沥青混合料的间接拉伸强度产生明显影响.综合拌和试验、黏附性测试及间接拉伸强度测试的结果认为，含餐厨废油冷补沥青混合料的最佳沥青用量为4.7%～5.0%.

4 结论

(1)从降低稀释剂黏度的角度考虑，采用餐厨废油部分替代柴油作为冷补沥青稀释剂具有可行性.

(2)沥青用量是影响冷补沥青混合料拌和效果的主要因素，基质沥青与稀释剂的质量比、稀释剂中柴油与餐厨废油的质量比及辅助添加剂的掺量对混合料拌和效果无明显影响.

(3)稀释剂中餐厨废油掺量增加会对冷补沥青混合料的黏附性产生轻微的负面影响、对冷补沥青混合料的间接拉伸强度无明显影响；掺加辅助添加剂后冷补沥青混合料的黏附性可满足使用需求.

(4)含餐厨废油冷补沥青的建议配方为：稀释剂中柴油与餐厨废油质量比85∶15～65∶35，基质沥青与稀释剂的质量比79∶21～77∶23，辅助添加剂掺量3%～4%(外掺).

(5)餐厨废油冷补沥青混合料的最佳沥青用量为4.7%～5.0%.