抽油烟机废油协同天然沥青复合改性沥青性能评价

张航天，罗要飞，肖应朝，陈俊晓，孙丽娜

(郑州航空工业管理学院 土木建筑学院 郑州市 450046)

0 引言

天然沥青加入基质沥青中能够有效改善其高温性能、老化性能、剥离性能和疲劳性能[1-2]。然而采用天然沥青对基质沥青进行改性，多数研究认为其损害了沥青的低温性能[3-4]。通过添加SBS聚合物、SBR聚合物、橡胶粉或增塑剂等材料能够一定程度上改善天然沥青改性沥青的低温性能[5-7]，但这些材料多为化学合成材料，制造工艺复杂且价格相对较贵；同时一些材料还增加了改性沥青的制备难度和黏度，因此有必要寻求一种更为低廉和便捷的方法以改善天然沥青改性沥青的低温性能，以扩大其应用。

目前我国抽油烟机废油的回收再利用率较低，普遍做法是选择直接倒掉，抽油烟机废油的附着性较强，难以清洗，直接倒入下水道中会堵塞管道，甚至还会对市政生活污水的处理产生负面影响。抽油烟机废油的主要成分与地沟油的成分相似，轻质组分含量高，具有软化沥青、降低黏度的潜能，可以改善沥青的柔韧性。邓坤耀[8]研究指出，地沟油用于沥青改性是可行的，地沟油/聚合物复合改性沥青具有较好的高温稳定性、良好的低温抗裂性和抗疲劳性能。然而，目前尚没有抽油烟机废油在沥青中应用的相关报道，显然不利于抽烟机废油的回收利用。

因此，基于抽油烟机废油在沥青中应用的考虑，尝试将抽油烟机废油与天然沥青复合进行改性，通过分析抽油烟机废油掺量对复合改性沥青性能的影响，推荐复合改性沥青中抽油烟机废油的合理掺加比例；同时验证复合改性沥青的抗老化性能、黏附性和储存稳定性等，说明废油掺加对天然沥青改性沥青其他性能的影响变化。

1 材料与制备工艺

1.1 原材料

基质沥青选择重交-70#沥青，基本指标为：针入度(25℃，100g，5s)为75.5(0.1mm)、软化点为45.5℃、15℃延度(5cm/min)为74.2cm、135℃粘度为0.506 Pa·s。

天然沥青采用布敦岩沥青，添加于基质沥青中可改善其相关性能，技术指标如表1所示，布敦岩沥青掺量选择为10%和20%。

表1 布敦岩沥青技术指标

抽油机废油从不同家庭收集后，经过滤、等比例混合、烘箱保温等处理后方可使用，抽油烟机废油的添加量为0～6%。图1为抽油机废油的处理过程。

图1 抽油烟机废油的处理过程

1.2 制备工艺

根据研究成果及实验室前期工作，确定抽油烟机废油/天然沥青复合改性沥青的制备工艺，具体流程如下：

(1)将70#基质沥青加热到145～160℃后，缓慢添加称量好的布敦岩沥青，并用电动搅拌器低速搅拌，直至岩沥青添加完毕。

(2)采用高速剪切机以3000r/min转速至少搅拌30min，直至改性沥青中无颗粒感并稳定融合，取少量制备好的改性沥青测定其基本指标。

(3)天然改性沥青中分别添加2%～6%的抽烟机废油，高速剪切机转速维持在3000r/min进行制备复合改性沥青，剪切时间为30～40min。

(4)将制备好的复合改性沥青置于145～155℃的烘箱中发育，时间不少于30min，待达到时间后按要求测定其基本指标。

2 抽油烟机废油掺量优化研究

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)提供的方法测定复合改性沥青的软化点、针入度、延度和粘度指标，分析抽油烟机废油掺量对复合改性沥青性能指标的影响。

2.1 抽油烟机废油掺量对天然沥青改性沥青(10%)性能的影响

不同抽油烟机废油掺量下复合改性沥青性能测试结果如表2所示，其中布敦岩沥青掺量为10%。

表2 复合改性沥青性能指标变化

由表2可知：

(1)随着抽油烟机废油掺量的增加，复合改性沥青的高温性能和黏度值逐渐降低，其中废油掺量超过2.0%后，复合改性沥青的软化点低于基质沥青，这说明天然沥青改性沥青中添加抽油烟机废油也并非越多越好，高温黏度值的下降导致复合改性沥青的施工拌和与摊铺温度降低。

(2)复合改性沥青低温性能指标随着抽油烟机废油掺量的增加而逐渐增大，分别增加178%、226%和241%，这意味天然沥青改性沥青添加废油后，低温性能得到明显改善，能够扩展其应用范围和环境。

2.2 抽油烟机废油掺量对天然沥青改性沥青(20%)性能的影响

不同抽油烟机废油掺量下复合改性沥青性能测试结果如表3所示，其中布敦岩沥青掺量为20%。

表3 复合改性沥青(岩沥青掺量20%)性能测试结果

从表3中看出：

(1)天然沥青改性沥青高温性能随着抽烟机废油掺量的增加而逐渐降低，只不过降低的幅度逐渐减小，当抽烟机废油掺量超过4%后，复合改性沥青的高温性能低于70#基质沥青。

(2)随着抽烟机废油掺量的增加，复合改性沥青的高温黏度值逐渐降低，这意味着混合料的拌和、摊铺温度可适当下降，混合料的和易性得到改善。

(3)抽烟机废油协同天然沥青改性沥青，其低温性能随着废油掺量的增加而得到改善，说明该沥青可应用于冬季气温较低的地区，扩展了应用环境。

根据抽油烟机废油对不同布敦岩沥青改性沥青的性能影响分析，建议天然沥青改性沥青中布敦岩沥青的掺量为10%时，抽油烟机废油的掺量不高于2%；布敦岩沥青掺量为20%时，抽油烟机废油协同天然沥青改性沥青，抽油烟机废油掺量建议不超过4%。

3 抽油烟机废油协同天然沥青复合改性沥青相关性能验证

基于更好认识抽油烟机废油对天然沥青改性沥青性能影响的考虑，采用规范推荐的方法评价复合改性沥青的抗老化性能、粘附性能和储存稳定性等。布敦岩沥青掺量为10%和20%，抽油烟机废油掺量统一为2%。

3.1 抗老化性能评价

沥青结合料老化性能模拟采用JTG E20—2011中的沥青薄膜加热试验(T 069-2011)进行，不同类型沥青的抗老化性能试验结果如表4所示。

表4 不同沥青抗老化性能评价

由表4可知：

(1)基质沥青中添加不同掺量的布敦岩沥青，可一定程度上改善沥青结合料的抗老化性能，天然岩沥青掺量越大、抗老化性能相对越好，这是因为天然岩沥青吸附了基质沥青中的轻质组分，导致沥青在加热过程中组分不易挥发。

(2)抽油烟机废油添加到天然沥青改性沥青中，一定程度上降低了改性沥青的抗老化性能，原因为抽油烟机废油为轻质组分，在长期高温状态下容易挥发；但老化后复合改性沥青的低温性能优于天然沥青改性沥青，当布敦岩沥青掺量为20%时，复合改性沥青的抗老化性能优于基质沥青，这说明只要布敦岩沥青掺量合适，复合改性沥青仍具有较好的抗老化性能。

3.2 粘附性能评价

考虑到当前规范中提供的沥青与集料粘附性能评价方法——水煮法存在的种种缺陷，该部分借助水煮法改进试验，开展不同沥青与集料粘附性定量评价工作，以尽量减小路面水损病害发生的几率。沥青与集料粘附性能评价采用水煮法改进试验的结果与采用表面能方法、数字图像技术得到的结论具有一致性。水煮法改进试验操作流程如图2所示，裹覆沥青结合料的集料浸煮时间确定为6min，集料选择石灰岩、粒径大小为13.2～16.0mm。浸煮后集料表面沥青剥落率计算结果如表5所示。

图2 水煮法改进试验测试步骤

表5 浸煮6min后集料表面沥青剥落率结果

从表5中看出：

(1)基质沥青与布敦岩沥青共混，可明显改善沥青结合料的粘附性，且改善效果与岩沥青掺量呈比例关系，这是因为布敦岩沥青的掺加提高了结合料的粘度，导致集料与沥青结合料的粘结强度增加，因此在水煮状态下不易发生沥青的脱落现象。

(2)抽油烟机废油协同天然沥青复合改性沥青，粘附性能得到相应的改善，虽然废油为轻质组分，可降低改性沥青的粘度，但抽油烟机废油具有较强的附着性，故与改性沥青共混后，能够在一定程度上提高复合改性沥青与集料的粘附性能。

3.3 储存稳定性评价

储存稳定性的好坏直接影响着改性沥青的使用品质及优良性能的正常发挥，该部分借鉴JTG E20—2011中聚合物改性沥青离析试验方法对不同改性沥青进行储存稳定性评价，说明抽烟机废油的添加对天然沥青改性沥青储存稳定性的影响。不同沥青结合料储存稳定性试验结果如表6所示。

表6 不同沥青结合料储存稳定性试验结果

从表6中看出：

(1)基质沥青与天然沥青共混，导致沥青结合料的储存稳定性变差，且掺量越大铝管上下软化点差异越明显，原因为布敦岩沥青中含有大量的无机物颗粒，导致其与基质沥青的相容性较差，说明天然沥青改性沥青制备完成后需要尽快使用，不宜长时间存储。

(2)天然沥青改性沥青中添加抽油烟机废油，能够改善其储存稳定性，对于高掺量岩沥青的复合改性沥青储存稳定性仍劣于低掺量岩沥青的复合改性沥青，抽油烟机废油的添加降低了复合改性沥青中岩沥青与基质沥青的密度差，因此复合改性沥青的储存稳定性得到提高。

4 结论

(1)不同剂量的天然沥青改性沥青中抽烟机废油的合理掺量存在差异，对于布敦岩沥青掺量为10%的改性沥青，建议抽烟机废油的掺量不高于2%；对于布敦岩沥青掺量为20%的改性沥青，抽油烟机废油的掺量建议不超过4%。

(2)抽油烟机废油掺量在0～6%范围变化时，天然沥青改性沥青的高温性能和粘度值逐渐降低，而低温抗裂性能逐渐提高，对比基质沥青的性能指标，抽油烟机废油剂量存在合理的取值范围。

(3)抽油烟机废油与天然沥青改性沥青共混，一定程度上降低了改性沥青的抗老化性能，但当布敦岩沥青掺量为20%时，复合改性沥青的抗老化性能优于基质沥青，而其粘附性能和储存稳定性均得到提高。