复配废油再生剂的再生沥青性能研究

孙吉书，王为扬，张洪峰，于克扬

(1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；2.天津高速公路集团有限公司，天津 300384)

从经济和环境的角度分析对废旧沥青混合料的二次利用是十分必要的[1]。在废旧道路改建时，再生剂可与老化沥青相互融合,并有效补充其轻质组分，保证再生沥青道路的路用性能[2-5]。废机油和废植物油均可改善老化沥青的基本物理性能、高低温流变性能，有效改善老化沥青中羰基、亚砜基的含量[6-12]。

本文将废食用油与废机油作为基础油分，复配一种新型沥青再生剂，研究复配废油再生剂的再生沥青的三大指标、高温流变性能和微观结构。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

伦特70#沥青(基质沥青)；通过JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》沥青旋转薄膜加热实验(RTFOT)制备老化沥青[13],两种沥青的基本性能见表1；废机油由天津某汽车维修店回收；废食用油，天津某餐饮机构回收的大豆油，两种废油均先经过2 μm的微孔滤膜进行过滤，再经过加热除水处理；增塑剂环氧大豆油(ESO)，常温下为浅黄色粘稠油状液体，主要技术指标见表2；增粘树脂C9石油树脂，为黄色颗粒状固体，主要技术指标见表3。

表1 基质及老化沥青技术指标Table 1 Technical index of matrix asphalt and aged asphalt

表2 ESO主要技术指标Table 2 Main technical indexes of ESO

指标软化点(环球法)/℃色号(加氏法)酸值/(mg KOH·g-1)灰分/%比重/(g·cm-3)参数1207～11#1.00.11.07～1.09

FJ300-SH数显高速分散均质机；SYD-2801E 针入度仪；SYD-2806E 全自动沥青软化点实验器；SY-1.5B 自动恒温数显沥青延伸仪；85型旋转薄膜烘箱；MCR-102型动态剪切流变仪；TENSOR 27傅里叶变换红外光谱仪。

1.2 复配废油再生剂的制备

通过前期的研究，拟定复配废油再生剂各组分比例，废机油∶废食用油∶环氧大豆油∶C9石油树脂为15∶20∶10∶3。将废机油、废食用油和环氧大豆油在常温下搅拌5 min，得到废油混合物。将废油进行加热控制温度为(135±5) ℃，加入C9石油树脂，采用高速剪切仪，转速为1 000 r/min，剪切20 min，制备复配废油再生剂，基本性能见表4。

表4 复配废油再生剂基本性能Table 4 Basic properties of compound waste oil

1.3 再生沥青的制备

按照老化沥青质量分数的4%掺入复配废油再生剂，按照规范[13]制备再生沥青。

2 结果与讨论

2.1 复配废油再生剂的最佳掺量

将复配废油再生剂按照老化沥青质量的0%，1%，2%，3%，4%，5%，6%，加入到老化沥青当中，使用高速剪切仪，调整其速率为3 000 r/min，控制温度为(135±5) ℃的，剪切20 min，制备老化沥青。进行三大指标和黏度实验，评价老化沥青物理性能的恢复情况，以确定最佳的复配废油再生剂掺量。

2.1.1 针入度 废油再生剂掺入比例对老化沥青针入度的影响见图1。

图1 再生沥青针入度Fig.1 Penetration of recycled asphalt

由图1可知，复配废油再生剂中的大量的轻质组分可补充老化沥青中损失的轻质组分，老化沥青的针入度随着复配废油再生剂的加入而增大。当复配废油再生剂以老化沥青的6%掺入时，针入度升高明显，并为基质沥青的106.9%；而当复配废油再生剂以老化沥青的5%掺入其中时，针入度基本得以还原，恢复至基质沥青的97.4%，且再生沥青的硬度高于基质沥青。故从再生沥青的针入度角度考虑，复配废油再生剂的掺量为5%时其性能较佳。

2.1.2 软化点 软化点是表征沥青高温稳定性的指标。由图2可知，老化沥青的软化点明显高于不同掺量下的再生沥青和基质沥青。当复配废油再生剂的掺加量为6%时，再生沥青的软化点为48.2 ℃，高于沥青的技术水平要求，但低于基质沥青。而当复配废油再生剂以老化沥青的5%掺入其中时，基质沥青的软化点和再生沥青的软化点相差0.4 ℃。故从再生沥青的软化点角度考虑，复配废油再生剂的掺量为5%时其性能较佳。

图2 再生沥青软化点Fig.2 Softening of recycled asphalt

2.1.3 延度 延度的大小决定沥青材料低温抗裂能力和延性。由图3可知，沥青的老化作用会极大降低沥青的延性。而再生沥青的延度随着废油再生剂掺量增加而增大。当复配废油再生剂掺量为5%时，再生沥青的延度得以恢复，这表明该掺量下的再生沥青的低温抗裂能力已经满足基质沥青的低温性能，而当掺量为4%时，复配废油再生沥青延度低于基质沥青，但为其92%，这是因为复配废油再生剂中废植物油存在脂肪烃的结构分子有利于老化沥青的硬度得以软化，可以更好恢复老化沥青的延性[14]。而复配废油再生剂中含有性能良好的增塑剂环氧大豆油，可以有效的恢复老化沥青的低温延性。

图3 再生沥青延度Fig.3 Ductility of recycled asphalt

2.1.4 黏度 135 ℃表观黏度可以表征沥青在施工过程中的内部摩擦情况，图4为不同再生程度下沥青的135 ℃布式黏度。

图4 再生沥青黏度Fig.4 Viscosity of recycled asphalt

由图4可知，沥青经过老化作用，导致沥青成分中的芳香分向沥青质进行转变，老化沥青的黏度因受重质组分的累积而明显增大，为基质沥青的189.87%。随着复配废油再生剂的加入，老化沥青的黏度显著降低，流动性得到有效恢复。表明废油再生剂可以改变老化沥青的黏度，这是因为复配废油再生剂恢复了沥青老化所损失的轻质组分，改善了老化沥青中的黏弹性组成，减小弹性成分。然而，即使复配废油再生剂掺量为6%时，黏度仍高于基质沥青。

通过从再生沥青的三大指标和黏度分析，当复配废油再生剂掺量为5%时，再生沥青的三大指标得以还原，当复配废油再生剂掺加量为6%时，再生沥青的黏度改善明显，但仍高于基质沥青。因此确定复配废油再生剂采用老化沥青质量的5%时为最佳掺量。

2.2 再生沥青的高温流变性能

沥青经过老化、掺加复配废油再生剂后，其性质与基质沥青不再相同。采用车辙因子[G*sin-1δ]不可回复蠕变柔量(MSCR)Jnr两个指标对再生沥青的高温性能进行评价。其中温度扫描区间为46～76 ℃，应变控制12%，频率为10 rad/s。MSCR实验采用58 ℃和64 ℃两种实验温度，应力水平采用0.1 kPa和3.2 kPa，加载1 s，卸载9 s，循环10次。

2.2.1 复数模量 复数模量G*的大小直接决定了沥青的高温性能。由图5可知，老化沥青G*相对于基质沥青提升了160.89%。这是因为沥青受到老化作用后，沥青组分中各组分比例发生改变，从而导致沥青材料变硬，因此老化作用在一定的程度上提高沥青材料抵抗剪切变形能力和高温抗车辙能力。复配废油再生剂的掺量为6%的再生沥青，其复数模量为4组沥青中的最低值，当掺量为5%时，再生沥青的G*低于老化沥青但高于基质沥青，表明复配废油再生剂可以改变老化沥青中的组分组成，从而改善其胶体结构。所以，当采用5%掺量复配废油再生剂的再生沥青高温稳定性能高于基质沥青。

图5 沥青复数模量-温度Fig.5 Complex modulus-temperature of asphalt

2.2.2 相位角 相位角δ的大小，直接决定了沥青材料中黏性成分的多少，表征其抵抗永久变形的能力。图6是老化沥青、基质沥青、5%复配废油再生剂的再生沥青、6%复配废油再生剂的再生沥青相位角-温度图。

图6 沥青相位角-温度Fig.6 Phase angle-temperature of asphalt

由图6可知，由于老化沥青中粘弹性成分发生改变，导致相位角为四组沥青中的最低值，表明老化作用可以调高沥青的抵抗变形能力。相位角大小排序为基质沥青>6%再生沥青>5%再生沥青>老化沥青，老化沥青的粘弹性组分的比例随着复配废油再生剂的掺加得以改善，再生沥青的黏弹性能基本得以还原，但是复配废油再生剂再生沥青的高温性能仍高于基质沥青。

2.2.3 车辙因子 以G*sin-1δ表示车辙因子。由图7可知，老化沥青的车辙因子明显高于其他三组沥青，车辙因子大小排序为老化沥青>5%再生沥青>基质沥青>6%再生沥青，可知，随着复配废油再生剂的加入，车辙因子降低。复配废油再生剂中的烷烃和环烷烃等组分改变了老化沥青中的各部分组分，老化沥青中的黏性成分提高，弹性成分降低。复配废油再生剂的加入，对再生沥青的高温稳定性产生了不利影响。而5%的复配废油再生剂的再生沥青的车辙因子仅低于老化沥青，高于另外两组数值。

图7 沥青车辙因子-温度Fig.7 Rutting factor-temperature of asphalt

2.2.4 多应力蠕变回复(MSCR)实验 图8、图9分别为样品在58，64 ℃，0.1，3.2 kPa的应力作用下的累积应变曲线。

图8 沥青58 ℃ MSCR实验结果Fig.8 The result of asphalt MSCR test at 58 ℃

图9 沥青64 ℃ MSCR实验结果Fig.9 The result of asphalt MSCR test at 64 ℃

由图8，图9可知，沥青抵抗剪切变形能力与沥青的老化程度成正相关。两种实验温度下的4组沥青的累计变形大小顺序为6%再生沥青>基质沥青>5%再生沥青>老化沥青。复配废油再生剂掺量为6%的再生沥青抗变形能力低于掺量为5%的再生沥青，说明复配废油再生剂的加入改变了老化沥青的抗变形能力。

通过MSCR实验，计算出在0.1，3.2 kPa应力下沥青材料的不可恢复蠕变柔量Jnr，见图10、图11。

图10 沥青58 ℃ JnrFig.10 Asphalt of Jnr at 58 ℃

由图10、图11可知，在58 ℃时，在0.1 kPa和3.2 kPa的应力作用下，老化沥青的Jnr明显低于基质沥青的Jnr。5%再生沥青的Jnr为基质沥青的83.68%，84.22%。6%的再生沥青Jnr为基质沥青的127.54%，130.48%。而在64 ℃下，5%再生沥青的Jnr为基质沥青的84.89%，80.71%，6%的再生沥青为基质沥青的112.19%，114.46%。沥青材料因为老化而导致Jnr数值降低，而复配废油再生剂的加入，再生沥青材料的Jnr数值得以提高，当5%的复配废油再生剂的再生沥青在两种不同温度和应力的条件下较基质沥青有更好的高温稳定性能，而当掺量为6%的再生沥青高温稳定性能低于基质沥青。

图11 沥青64 ℃ JnrFig.11 Asphalt of Jnr at 64 ℃

综上所述，对于采用车辙因子G*sin-1δ和不可回复蠕变柔量Jnr均可很好表征复配废油再生剂的再生沥青高温流变性能。MSCR实验和车辙因子均可用于评价复配废油再生剂的再生沥青的高温性能。通过上述实验，从沥青高温稳定性的角度分析，5%的掺量下的再生沥青强于基质沥青，而这与上述5%掺量的再生沥青的软化点高于基质沥青的结论相同。

2.3 复配废油再生剂和再生沥青微观结构

2.3.1 复配废油再生剂的红外光谱分析 复配废油再生剂的红外光谱图见图12。

图12 复配废油再生剂红外光谱Fig.12 Infrared spectrum of compound waste oil

由上可知，复配废油再生剂的化学成分主要有烷烃、醇类、环烷烃和酯类等物质，含有与沥青的组分中相同的物质。因此，根据沥青的再生原理，本文所复配的废油再生剂的组分与沥青材料相似，进而可以与其相容并补充老化沥青中的轻质组分，改善再生沥青结构。

2.3.2 再生沥青红外分析 图13为6%复配废油再生剂的再生沥青、5%复配废油再生剂的再生沥青、老化沥青和基质沥青的4种沥青红外光谱图。

图13 不同沥青红外光谱Fig.13 Infrared spectrum of different asphalts

由图13可知，沥青老化后，其峰的位置未发生变化，只是峰的振动面积变化。通过对图中老化沥青、基质沥青和再生沥青的官能团峰面积的大小，评定复配废油再生剂的再生效果。沥青老化后其组分含量发生改变。老化沥青在2 924 cm-1和800～500 cm-1处的振动峰面积变小，这是因为沥青经过老化以后，其内部芳香分向沥青质进行转变。老化作用导致重质组分累积，因此导致图中1 030 cm-1处的亚枫基和在1 700 cm-1处的羰基吸收峰的强度增强。由图13可知，沥青经过老化、再生并未产生新的基团，没有改变沥青的化学结构组成。复配废油再生剂加入，降低了1 030 cm-1处和1 700 cm-1处的峰的面积。因此复配废油再生剂加入老化沥青中起到了稀释以及调和作用，并且有效改善了老化沥青中各组分之间的比例。

3 结论

(1)通过不同质量分数复配废油再生剂对老化沥青基本物理性能的影响，分析再生沥青三大指标和黏度，得出复配废油再生剂的最佳掺量为5% 。

(2)掺加5%复配废油再生剂的再生沥青相对于老化沥青相位角增大，复数模量和车辙因子降低。而5%复配废油再生剂掺量下，再生沥青的复数模量、相位角和车辙因子均高于基质沥青。从沥青高温稳定性考虑，再生沥青的复配废油再生剂掺量为5%。

(3)通过MSCR实验验证再生沥青的高温稳定性能，复配废油再生剂掺量在5%时，通过不可恢复蠕变柔量Jnr分析再生沥青的高温稳定性，与软化点和车辙因子表征相同，5%的复配再生沥青高温稳定性强于基质沥青。

(4)利用红外光谱对复配废油再生剂和废油再生沥青进行官能团验证，复配废油再生剂中含有易溶于沥青之中的物质，将其加入老化沥青中起到了稀释以及调和作用，并且有效改善了老化沥青中各组分之间的比例。