废食用油/废胶粉替代沥青的甘蔗渣灰改性沥青性能评价研究

周俊杰 员 兰

（新疆农业大学交通与物流工程学院，新疆 乌鲁木齐 830052；新疆维吾尔自治区公路工程造价管理局，新疆 乌鲁木齐 830099）

1 研究背景及研究意义

可持续性发展已成为许多学者关注的全球性问题中最重要的部分，沥青作为路面结构的主要材料，是一种自然资源，其储量随着时间的流逝而枯竭，此外，在柔性路面施工过程中，沥青在高温下燃烧会产生对环境有害的气体。这些问题导致研究人员寻找替代胶结料，该胶结料需满足可以完全或部分替代一定比例的沥青而不影响其物理和流变性能的要求。因此，许多学者为寻找可替代的胶结料进行了不同的研究。Aziz 对不同的材料进行了研究，得出的结论是：从生物油中获得的材料，例如废食用油，聚合物，塑料和橡胶，可以用于柔性路面替代沥青的胶结料。已有的研究表明，将废食用油添加到沥青中可改善其流变特性，例如抗疲劳性和抗低温开裂性。F.J.Navarro 的研究表明，在沥青中添加橡胶可明显改善其抗车辙、抗疲劳以及抗低温开裂性能。

本文的研究目的是将废食用油、废旧轮胎橡胶和甘蔗渣灰等应用于沥青行业，通过使用废弃材料来替代沥青，以尽量减少对自然资源的使用，从而最大程度地减少自然环境恶化并促进我国经济发展。采用废食用油、废旧轮胎橡胶和甘蔗渣灰替代传统沥青，确定替代沥青的最佳比例，从而达到经济可行且环境友好的目的。

2 研究方法

2.1 材料选择

在本文研究中，沥青结合料选用克拉玛依70#基质沥青。采用的废食用油（废食用油）来自不同的餐厅，由于收集的废食用油中含有不同杂质和悬浮颗粒，可通过离心设备将其沉降下来，然后通过滤纸将废食用油中所有悬浮颗粒予以过滤。当沥青中掺入废食用油后，改性沥青的pH 值呈现酸性时其表现出更好的物理和流变特性。因此，对不同餐厅收集的废食用油进行过滤并分别测试pH 值，选择pH 值最小的废食用油进行后续试验。

废轮胎胶粉由不同形状、大小的废旧轮胎橡胶颗粒破碎磨细获得。由于胶粉与沥青之间仅发生物理反应，因此，为了使两者充分反应，选用表面积较大的胶粉颗粒。随着胶粉颗粒尺寸的减小，其表面积逐渐增大。基于此，将废胶粉通过不同的筛子，并选择通过＃200 筛的颗粒进行进一步的实验。

甘蔗渣灰从甘蔗工业获得，是由甘蔗废渣在高温下燃烧，将焚烧物在球磨机中继续磨碎至粉末，然后进一步通过不同的筛网，以获得更小的颗粒从而使得甘蔗渣灰与沥青反应更为充分。采用通过＃200 筛的甘蔗渣灰进行进一步实验，即 甘蔗渣灰的平均大小为0.0075μm。同时，采用XRD 对甘蔗渣灰进行化学分析，结果表明，它含有大量的二氧化硅，因此其具有矿物性质。由于甘蔗渣灰的火山灰特性，它将改善沥青的物理和流变性能。

2.2 试件制备

为了确定废食用油，废胶粉和甘蔗渣灰的最佳配合比来替代沥青胶结料，在不影响物理性能的前提下进行了不同试验。在制备不同比例的胶结料时，采用高速剪切机，将不同比例的废胶粉掺入到基质沥青中，升温至150℃，并以900 转/分钟的速度继续剪切约30 分钟，随后，降温至135℃，加入废食用油和甘蔗渣灰，以避免废食用油在高温下蒸发。

3 试验方法

通过改变废食用油、废胶粉和甘蔗渣灰的比例制得不同改性沥青，并通过试验对基质沥青与不同改性沥青的低温开裂性能、抗开裂性能和抗疲劳性能进行评价，最终确定废食用油、废胶粉和甘蔗渣灰的最佳配合比。

3.1 物理性能试验

物理性能试验包括针入度试验和软化点试验，通过试验确定用于替代一定比例沥青胶结料的废食用油、废胶粉和甘蔗渣灰的最佳配合比。

采用针入度试验用于评价沥青材料的硬度，确定沥青等级，从而进一步确定沥青在不同气候条件下的适用性。本研究根据规范要求共制备了75 个试样，且每个试样均为100g。试样经25℃恒温静置处理，取出后置于针入度仪中，标准针落下灌入试样5s，测得的数值单位精确至0.1mm。

采用软化点试验对沥青结合料的温度敏感性进行评价。这些环固定在一个金属支架的圆孔中，该支架放置在水温保持在5℃的烧杯中，并以每分钟升温5℃的速度对其加热，记录试样软化下坠至接触底部的平均温度。

3.2 旋转黏度试验

采用旋转黏度试验对不同类型的沥青结合料进行评价。将沥青试样倒入盛扬容器中，然后放入适宜的转子。每组沥青试样的试验温度为135℃和160℃，试验时间为30min。

3.3 改性沥青

在不影响沥青性能的情况下，沥青试样的物理性能和旋转黏度试验结果作为选择废食用油，废胶粉和甘蔗渣灰最佳配比的依据，将此最佳配比的改性剂加入到基质沥青中制备改性沥青。同时，为了研究改性剂对基质沥青的改性效果，对基质沥青和改性沥青的抗车辙性能、抗疲劳性能以及抗低温开裂性能进行评价。

4 性能评价试验

4.1 动态剪切流变仪法（DSR）

采用DSR 试验对不同沥青结合料的粘弹性进行评价。此试验得到沥青材料的复数剪切模量及其相位角，不仅可以评价沥青的性能分级等级，还能评价其抗车辙和抗疲劳性能。将未老化和老化后的沥青试样分别置于直径为8mm 或25mm 的金属试验板上，对试件施加正弦振荡荷载，振荡频率范围在0 Hz 至100 Hz 之间。

4.2 旋转薄膜烘箱老化试验（RTFO）

本文采用RTFO 试验对沥青结合料进行短期老化，评价基质沥青与改性沥青的短期老化性能。将不同的沥青试样放在玻璃瓶中，并置于旋转薄膜烘箱中，在163℃环境下老化80min。

4.3 压力老化试验(PAV)

PAV 试验可通过对沥青加热和加压20h，来模拟沥青在道路上服役过程中的长期老化（即7-10 年）。将经过RTFO 短期老化的沥青残留物放入盛样盘中，然后置于PAV 设备中，在其中施加高温和高压。将经过短期老化和长期老化的沥青进行DSR 试验，并分别评价基质沥青和改性沥青老化后的抗车辙和抗疲劳性能。

4.4 弯曲梁流变仪法 (BBR)

采用BBR 试验对沥青的抗低温开裂性能进行评价。将PAV 老化的沥青试样倒入BBR 模具中，成型后脱模放入恒温水槽中保温，而后置于BBR 支架上进行加载，记录试验数据。

5 结果与讨论

5.1 物理性能试验结果

为了确定可用替代沥青的废食用油、废胶粉和甘蔗渣灰的最佳用量，对不同改性沥青进行了物理性能试验，试件重量为200g。

在第一组试验中，如表1 所示，采用不同百分比的废食用油（0%，5%，10%，15%，20%）代替沥青。根据试验结果可知，废食用油占比升高，混合沥青的软化点随之降低，且其针入度值随之增大。这是由于沥青和废食用油都是碳氢化合物，并且它们的结合能在混合后降低。

表1 废用物油替代沥青的物理性能试验结果

在第二组试验中，废食用油的用量采用5%，并加入不同百分比的废胶粉。试验结果如表2 所示，随着废胶粉用量的增加，针入度值逐渐减小，且软化点呈上升趋势。这是由于废胶粉较难溶于沥青，且两者之间仅发生物理反应。从前两组的试验结果可以得到，当废食用油用量为5%，混合沥青的针入度值较低且软化点较高，因此，用于替代沥青的废食用油的最佳值为5%。

表2 废用物油+废胶粉替代沥青的物理性能试验结果

在第三组试验中，采用不同百分比的甘蔗渣灰对第二组沥青方案进行改性。根据甘蔗渣灰的化学性质与火山灰材料相似可以表明，它同样可以提高沥青试样的硬度。第三组试验是在第二组试验中废食用油和废胶粉的基础上，加入不同比例的甘蔗渣灰改性剂，废食用油与废胶粉作为替代沥青的成分，试验结果如表3 所示。根据表3 可知，由于甘蔗渣灰的火山灰特性，改性沥青的针入度值与甘蔗渣灰的用量呈反比，即甘蔗渣灰用量越大，改性沥青的针入度越小。

表3 甘蔗渣灰改性剂和废用物油+废胶粉替代沥青的物理性能试验结果

第三组试验的结果表明，在所有试样中，材料用量为5%废食用油、15%废胶粉和8%甘蔗渣灰显示出较好的物理性能，即最佳配合比。同时应该注意，替代沥青的成分为废食用油和废胶粉，而甘蔗渣灰仅起到改性作用。

5.2 流变性能试验结果

5.2.1 旋转黏度试验结果

基于5.1 中第三组的试验方案，对其进行旋转黏度试验，试验结果如表4 所示。根据表4 可以看出，废胶粉和甘蔗渣灰的增加对改性沥青的黏度有升高的效果。

表4 第三组试验的旋转黏度试验结果

5.2.2 DSR 试验结果

⑴ 抗车辙性能

采用DSR 试验对未老化和短期老化的不同沥青进行抗车辙性能的评价。未老化沥青与短期老化沥青的抗车辙标准在最高温度下分别为1.0kPa 和G*/sinδ>2.2 kPa。不同温度下基质沥青和改性沥青的复数模量结果如图1 和图2 所示，未老化的原始和改性沥青在64℃下均达到了抗车辙标准。而对于短期老化后的沥青，基质沥青在70℃时失效，而改性沥青在76°C 时失效，表明经过RTFO 短期老化后的改性沥青显示出更好的抗车辙性能，这是由于改性沥青中高含量的橡胶和蔗渣灰分改善了沥青性能。

图1 70#基质沥青与70#5W15TR8B 改性沥青的复数模量

图2 RTFO 老化后70#基质沥青与70#5W15TR8B 改性沥青的复数模量

⑵ 抗疲劳性能

在任何特定温度下，评价耐疲劳性的标准是G*sinδ不得超过5000 kPa。G *sinδ在不同温度下的结果如图3 所示，改性沥青在10℃的温度下仍能抵抗疲劳开裂，说明改性沥青中的废食用油和废胶粉有助于提高其抗疲劳性能。

图3 PAV 老化后70#基质沥青与70#5W15TR8B 改性沥青的G*sinδ

5.2.3 低温开裂性能

将PAV 老化的基质和改性沥青试件分别进行BBR 试验，并在不同温度下的进行试验，即-6℃，-12℃，-18℃，-22℃，以确定试件的低温开裂温度，并将结果进行对比。结合图4 和图5 可知，改性沥青的抗低温开裂能力优于基质沥青。本文可以明显看出，废食用油和废胶粉都有提高耐低温开裂性能的作用。

图4 70#基质沥青与70#5W15TR8B 改性沥青的蠕变劲度

图5 70#基质沥青与70#5W15TR8B 改性沥青的蠕变速率

5.2.4 老化作用的影响

沥青路面在服役过程中会发生老化现象，从而导致路面的耐久性和强度都有所减低。沥青的过度老化会导致结合料与骨料之间的粘合力下降，从而导致表层材料损失并减弱沥青混合料的强度。因此，为保证路面的使用寿命，需对沥青结合料的老化进行评价。采用残留针入度比对沥青的老化程度进行评价，即将沥青材料短期老化后的针入度值与未老化的针入度值进行比较，结果如表5 所示。

表5 70#和70#5W15TR8B 残留针入度比对比结果

从表中结果可以看出，改性沥青在老化后仍显示出较高的残留针入度比，即表明短期老化后的改性沥青硬化的趋势较小。因此，可以得出，相较于基质沥青，改性沥青的抗老化性能较高，从而延长了其老化时间。

6 结论

本文是通过沥青废弃材料代替一定比例的沥青来减少柔性路面的建造和维护过程的基质沥青的比例。本研究不仅可以降低自然资源的过度使用，还能减小处理废弃材料对环境产生的不良影响。本文结论如下：

（1）以甘蔗渣灰为改性剂，废食用油和废胶粉作为替代沥青的组成，针对不同替代比例的沥青进行了一系列物理性能试验，包括针入度试验和软化点试验，以获得最佳配合比。

（2）在保证沥青性能的前期下，废弃材料可替代沥青的最佳配合比为5%的废食用油，15%的废胶粉，以及用作改性剂的8%的甘蔗渣灰。

（3）废弃材料（废食用油、废胶粉和甘蔗渣灰）可替代沥青的最大比例为20%，同时不影响沥青的性能。

（4）基质沥青中掺入废食用油、废胶粉和甘蔗渣灰可提高沥青结合料的流变性能。

（5）根据DSR 试验结果，改性沥青的复数模量（G*）相较于基质沥青有明显提高，因此，改性沥青的抗车辙性能更好。

（6）根据BBR 试验结果可知，与基质沥青相比，改性沥青的刚度较小且蠕变率较大，因此，改性沥青表现出更好的抗低温开裂性能。

（7）与基质沥青相比，改性沥青的抗车辙能力更为优越。

（8）通过对改性沥青的化学分析表明，沥青与废胶粉和甘蔗渣灰之间发生物理反应，而与废食用油发生化学反应。