废机油残留物再生沥青的老化性能研究

曲建涛，姚冬冬，周福全，宋文杰，赵培馨，冯振刚（通信作者）

（1烟台公路材料保障中心 山东 烟台 264000）

（2吉林省交通科学研究所 吉林 长春 130012）

（3长安大学公路学院 陕西 西安 710064）

0 引言

随着机动车等交通工具的剧增，我国每年仅在交通行业就产生约3 000万t废机油[1-2]。通过超滤、离心分离、分子蒸馏、絮凝处理和溶剂精制等工艺可将70%～80%废机油生产成燃料油或润滑油，剩余的20%～30%由于混入较多杂质无法进行有效回收而成为废机油残留物（re-refined engine oil bottoms，REOB）[3]。目前，废机油的回收利用率正在不断增加，同时也产生大量的REOB，这些REOB往往被直接焚烧处理，造成了严重的资源浪费和大气污染[4-6]。因此，REOB的高效回收利用已成为我国亟需解决的问题。

在国外，REOB作为软化剂或改性剂被用于调节道路沥青的性能（PG）等级，以满足某些地区气候条件对沥青路面的要求[7-10]。YOU等[7]发现添加REOB不会对沥青混合料的车辙性能和水稳定性产生不利影响，而沥青混合料的低温抗裂性会随着REOB含量的增加而逐渐降低。PALIUKAITE等[9]研究了REOB对基质沥青和聚合物改性沥青延展性的影响，研究发现REOB会降低沥青的延展性。LI等[10]发现随着REOB掺量的增加，REOB改性沥青对水的敏感性更高，而REOB对沥青低温松弛、强度和断裂性能的影响不大。现有研究大多集中于利用REOB改性基质沥青[11-12]，而将REOB用于再生老化沥青的相关研究较少，若将REOB用于老化沥青的再生，不仅可实现REOB和废旧沥青混合料（reclaimed asphalt pavement，RAP）的回收利用，达到节约资源、保护环境的目的，并且可以提高沥青路面的使用性能，降低成本，经济、社会和环境效益十分显著。

本文采用2种不同来源的REOB（REOB-1和REOB-2）对3种不同老化程度（轻度老化、中度老化和重度老化）的沥青进行再生，利用薄膜烘箱试验（thin film oven test，TFOT）模拟REOB再生沥青的老化过程，评价了不同REOB再生沥青的老化性能，并通过微观形貌试验探讨了REOB对老化沥青的作用机理。

1 试验部分

1.1 原材料

基质沥青为GS-70#，物理性能见表1。

表1 GS-70#沥青的物理性能

选用2种不同来源的REOB（REOB-1和REOB-2），2种REOB的物理性能和化学组成见表2。

表2 2种REOB的物理性能与化学组成

1.2 试样制备

老化沥青的制备：将沥青置于（163±1）℃的薄膜烘箱中分别老化5、18和36 h，老化沥青的物理性能见表3，将老化5、18和36 h的沥青分别定义为轻度、中度和重度老化沥青。

表3 老化沥青的物理性能

REOB再生沥青的制备：通过熔融共混的方法制备REOB再生沥青，将3种不同老化程度的沥青预热至150 ℃，在搅拌的过程中将2种REOB分别加入到老化沥青中，REOB的掺量为沥青质量的15%，然后在150 ℃下搅拌0.5 h确保REOB与老化沥青混合均匀。

1.3 REOB再生沥青的老化试验

利用TFOT模拟REOB再生沥青的短期热氧老化，TFOT按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中T0609-2011的规定进行测试，试验温度为（163±1）℃，加热时间为5 h。

1.4 物理性能试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）中T0604-2011、T0605-2011、T0606-2011的规定测试REOB再生沥青的针入度、延度和软化点。

1.5 微观形貌试验

采用Bruker公司Nano ManVS型原子力显微镜（atomic force microscope，AFM）对不同沥青试样的微观形貌进行观测。将REOB再生沥青加热至130 ℃，取1滴热沥青滴于10 mm×10 mm×1 mm的铜片上，然后在5 ℃下冷却24 h。AFM试验选用轻敲成像模式，悬臂梁弹性常数为26 N/m，探针高度为11 μm，悬臂梁长度为160 μm，宽度为40 μm，曲率半径为7 nm，共振频率为300 kHz。

2 结果与讨论

2.1 REOB再生沥青的老化性能

分别采用残留针入度比（PRR）、软化点增量（SPI）和延度保留率（DRR）评价REOB再生沥青的老化性能，计算式表示为：

公式（1）～（3）中，P2、S2、D2分别为老化后沥青的针入度、软化点、延度；P1、S1、D1分别为老化前沥青的针入度、软化点、延度。一般地，残留针入度比和延度保留率越大，软化点增量越小，沥青的抗老化性能越好。

2.1.1 残留针入度比

不同REOB再生沥青的PRR如图1所示。可以看出，2种REOB再生沥青的PRR均大于基质沥青，且沥青老化程度越深，REOB再生沥青的PRR越大，表明REOB再生沥青的耐老化性能优于基质沥青，且REOB对老化程度越严重的沥青耐老化性能改善效果越显著。对于轻度老化沥青，REOB-1再生沥青的PRR低于REOB-2再生沥青，而对于中度老化沥青和重度老化沥青而言，REOB-1再生沥青的PRR要高于REOB-2再生沥青。这表明对于轻度老化沥青而言，REOB-2再生沥青的耐老化性能优于REOB-1再生沥青；而对于中度老化沥青和重度老化沥青而言，REOB-1再生沥青的耐老化性能优于REOB-2再生沥青。

图1 不同REOB再生沥青的PRR

2.1.2 软化点增量

不同REOB再生沥青的SPI如图2所示。可以看出，对于不同老化程度的沥青，REOB-1再生沥青的SPI均低于基质沥青的SPI；对于轻度老化沥青而言，SPI（REOB-2再生沥青）＜SPI（REOB-1再生沥青）＜SPI（基质沥青）；而对于中度老化沥青和重度老化沥青而言，SPI（REOB-1再生沥青）＜SPI（基质沥青）＜SPI（REOB-2再生沥青）。这表明REOB-1再生沥青的耐老化性能要优于基质沥青和REOB-2再生沥青。对于轻度老化沥青，REOB-2再生沥青的耐老化性能优于REOB-1再生沥青；对于中度老化沥青和重度老化沥青而言，REOB-1再生沥青的耐老化性能优于REOB-2再生沥青。

图2 不同REOB再生沥青的SPI

2.1.3 延度保留率

不同REOB再生沥青的DRR如图3所示。可以看出，不同REOB再生沥青的DRR均大于基质沥青。REOB-1再生轻度老化沥青的DRR低于REOB-2再生轻度老化沥青，而REOB-1再生中度老化沥青和重度老化沥青的DRR高于REOB-2再生中度老化沥青和重度老化沥青。这再次表明REOB再生沥青的耐老化性能优于基质沥青。对于轻度老化沥青而言，REOB-2再生沥青的耐老化性能优于REOB-1再生沥青。对于中度老化沥青和重度老化沥青而言，REOB-1对老化沥青耐老化性能的改善作用优于REOB-2。

图3 不同REOB再生沥青的DRR

综合考虑PRR、SPI和DRR这3个指标，对于轻度老化沥青，REOB-2再生沥青的耐老化性能优于REOB-1再生沥青；对于中度和重度老化沥青，REOB-1再生沥青的耐老化性能优于REOB-2再生沥青。

2.2 REOB再生沥青的微观形貌

对不同老化程度的基质沥青和REOB再生重度老化沥青进行了AFM试验，结果分别如图4和图5所示。由图4可知，基质沥青表面平滑，相态均匀。随着老化时间的延长，沥青表面逐渐变得粗糙，坑洞增多，重度老化沥青表面的坑洞逐渐变为“蜂状结构”。沥青“蜂状结构”的形成主要与沥青质的团聚有关，在沥青的老化过程中，芳香分转化为胶质，胶质又转化为沥青质，导致沥青质含量增多，破坏了沥青的胶体结构。

图4 不同老化程度沥青的微观形貌

图5 REOB再生重度老化沥青的微观形貌

由图5可知，在重度老化沥青中加入REOB后，老化沥青表面的“蜂状结构”数量和尺寸减少，且在“蜂状结构”附近可以看到有一圈油状物质包裹着，“蜂状结构”部分溶解，沥青表面的粗糙度有所降低。这是由于REOB不仅能够调节老化沥青中轻质组分的含量，还能够溶解老化沥青中的沥青质，调整其胶体结构，提高了老化沥青胶体结构的稳定性。2种REOB再生重度老化沥青相比，REOB-1再生重度老化沥青的表面更加光滑和平整，这是因为REOB-1对重度老化沥青中沥青质的溶解作用强于REOB-2，因此REOB-1再生沥青的耐老化性能优于REOB-2再生沥青。

3 结论

（1）REOB再生沥青的抗老化性能优于基质沥青，这可归因于REOB不仅能够调节老化沥青中轻质组分的含量，还能够溶解老化沥青中的沥青质，提高老化沥青胶体结构的稳定性。

（2）对于轻度老化沥青，REOB-2再生沥青的耐老化性能优于REOB-1再生沥青；对于中度和重度老化沥青而言，REOB-1再生沥青的耐老化性能优于REOB-2再生沥青。