植物油再生瀝青的開(kāi)發(fā)與性能研究

1、植物油再生瀝青的開(kāi)發(fā)與性能研究摘要：為了解決礦物油再生技術(shù)再生率低、成本高等諸多問(wèn)題，采用處理過(guò)的“地溝油”代替礦物油制備植物油基再生劑對(duì)老化瀝青進(jìn)行再生，并通過(guò)文獻(xiàn)閱讀對(duì)老化瀝青再生前后各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了分析，確定了植物油瀝青再生劑的最佳摻量，為再生瀝青路面材料設(shè)計(jì)提供依據(jù)。植物油基再生劑不僅可以有效降低老化瀝青的黏度，也有利于改善瀝青的低溫性能，同時(shí)有效解決“地溝油”科學(xué)利用問(wèn)題，并顯著降低廢舊瀝青再生成本。近年來(lái)，我國(guó)瀝青路面的改造和維修正被廣泛展開(kāi)，導(dǎo)致每年都要產(chǎn)生大量舊瀝青混合料(RAP。舊瀝青混合料作為一種廢舊材料，若不經(jīng)過(guò)妥善處理會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。瀝青路面熱再生技術(shù)以舊料為原

2、料，可以節(jié)省大量原材料并減少生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中的能源消耗，因而被證明是一種解決舊料累積問(wèn)題的有效方法。傳統(tǒng)的瀝青再生劑中通常包含大量的礦物油，礦物油可以提供瀝青在長(zhǎng)期老化過(guò)程中散失的輕質(zhì)油組分。但是，礦物油組分在再生施工溫度下(130200C)易于散失，而植物油不但富含輕質(zhì)油組分，而且含有大量的不飽和脂肪酸，沸點(diǎn)大于300C,在再生過(guò)程中具有比礦物油更好的耐溫性。基于瀝青老化與再生的理論，植物油可以用來(lái)對(duì)老化瀝青進(jìn)行再生。同時(shí)，近年來(lái)我國(guó)地溝油大量流回餐桌，食用后影響身心健康，但目前對(duì)地溝油問(wèn)題仍缺乏比較完善的管理機(jī)制，通過(guò)以植物油作為瀝青再生劑進(jìn)行相關(guān)研究，可能會(huì)找到緩解這一問(wèn)題的途徑。20世

3、紀(jì)70年代以來(lái)，伴隨著對(duì)瀝青再生技術(shù)研究的逐步深入，歐美等國(guó)開(kāi)始了再生劑的研制工作。美國(guó)SHRPU劃實(shí)施之初，曾在分析瀝青老化組分變化的基礎(chǔ)上，試圖通過(guò)向老化瀝青中添加缺失組分使其重新協(xié)調(diào)，從而恢復(fù)老化瀝青的路用性能。但是，瀝青的化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，即使瀝青具有相似的化學(xué)組成成分，由于油源基屬和生產(chǎn)工藝不同，其在路用性能上的差異仍然很大，因而，從組分角度尋求再生的方法未能成功。隨著對(duì)瀝青結(jié)構(gòu)體系認(rèn)識(shí)的深入，歐美學(xué)者開(kāi)始將瀝青視為一種高分子溶液，分析瀝青質(zhì)與瀝青其他組分之間的相溶性，提出了瀝青相溶性理論一一采用溶解度參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定其高分子溶液結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這種方法可以很好地與瀝青路用性能相關(guān)聯(lián)

4、，被廣泛用于指導(dǎo)瀝青再生劑的研究工作，歐美等國(guó)相繼開(kāi)發(fā)了一系列瀝青再生劑。近年來(lái)，國(guó)外有學(xué)者開(kāi)始研究利用植物油作為再生組分，嘗試解決礦物油基再生劑熱穩(wěn)定差、易揮發(fā)、抗老化性能差、瀝青有效再生率低、舊料摻配比例有限等問(wèn)題。2010年，美國(guó)Davies等選取大豆蠟和廢棄植物油作為再生劑的有效成分，該研究為植物油再生劑的發(fā)展指明了方向。1 .植物油瀝青再生劑的開(kāi)發(fā)鐘成雨在其文章中通過(guò)對(duì)桐油、蔗麻油、菜籽油、亞麻籽油為試驗(yàn)材料進(jìn)行研究，用紅外光譜(InfraredSpectrum,簡(jiǎn)稱IR)對(duì)四種植物油進(jìn)行耐熱老化試驗(yàn)。以一定頻率的紅外光對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行照射時(shí)，當(dāng)紅外光與分子中某個(gè)基團(tuán)的振動(dòng)頻率相同時(shí)，

5、其能量可以被分子吸收從而引起振動(dòng)能級(jí)地躍遷(同時(shí)伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)地躍遷)，不同物質(zhì)的吸收頻率不同，形成的譜帶位置也不一樣，從而形成的紅外光譜圖也不一樣。物質(zhì)濃度不同，形成的吸收峰強(qiáng)度以及形狀也不相同。對(duì)于特征官能團(tuán)，其具有特征吸收峰，所以，根據(jù)特征吸收峰的位置、相對(duì)強(qiáng)度、數(shù)目和形狀等，可以判斷樣品中含有哪些特征官能團(tuán)。將上述四種植物油分別溶于二甲苯中，然后涂膜于KBr鹽片上，待溶劑揮發(fā)，利用Nicoet560傅里葉變換紅外光譜進(jìn)行測(cè)試，所得紅外光譜圖如下：圖一桐油紅外光譜N8耳老化沌麻油圖二蔗麻油紅外光譜170;吟梟科理15flhJi1013CH120*110-;二匕“5110：33;3?熾-0：

6、圖三菜籽油紅外光譜13k120：11恒tDOr；W,1,1.50-*-*-*I欣亞麻籽油圖四亞麻籽油紅外光譜由圖一至圖四可以發(fā)現(xiàn)，四種植物油分別在2923cm1、1740cm-1、1460cm-1、1100cm1、720cm1附近產(chǎn)生比較明顯的特征吸收峰。其中，2923cm1、2853cm1是-CH2基團(tuán)的C-H伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征峰；1740cm1是厥基伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征峰；1460cm-1、1376cm1是配對(duì)出現(xiàn)的C-H面內(nèi)彎曲振動(dòng)峰；1160cm1附近是C-O的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰，出現(xiàn)了較寬的分裂譜帶。1000cm1以下的產(chǎn)生的吸收區(qū)間被稱作是指紋區(qū)，主要是由一些C-O的伸縮振動(dòng)以及C

7、-H、O-H等含有氫原子的基團(tuán)的彎曲振動(dòng)以及C-C骨架振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰。另外，值得注意的是，在圖二中，在3600cm-13300cm1出現(xiàn)比較寬的吸收譜帶，這個(gè)是羥基地伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的特征吸收峰。由此可知，植物油主要由默基、醒鍵以及飽和及不飽和的碳鏈組成。此外，蔗麻油中還含有羥基官能團(tuán)。目前市場(chǎng)上的再生劑多為潤(rùn)滑油、礦物油與瀝青的組合物，所用原料多為由石油生產(chǎn)的系列產(chǎn)品。在石油資源日益緊缺的形勢(shì)下，并且石油也面臨枯竭的窘境，所以，新型瀝青再生劑的開(kāi)發(fā)極為緊迫。因此，本文從增溶分散理論出發(fā)，選擇四種常見(jiàn)植物油一一桐油、蔗麻油、菜籽油、亞麻籽油，將其和濱州110#瀝青進(jìn)行復(fù)配，制備得到四種植物油再生

8、劑。植物油中含有極性酯基與非極性的直鏈烷燒，這就使得再生劑具有“兩親結(jié)構(gòu)”，一方面，極性酯基可以吸附瀝青質(zhì)，另一方面，非極性的直鏈烷煌可以和軟瀝青質(zhì)相互膠溶，這就使得植物油可以作為介質(zhì)（界面劑）增加瀝青質(zhì)與飽和分在瀝青中的相容性，因此，能更好地穩(wěn)定瀝青在荷載作用下的膠體結(jié)構(gòu)。不僅如此，植物油還是一種良好的粘度調(diào)節(jié)劑，它具有高沸點(diǎn)，低揮發(fā)，并且常溫下為液體，粘度非常低，其能夠很快溶解、貫入老化瀝青中。所以，由植物油制備的瀝青再生劑具有良好的增溶分散能力。2 .廢植物油再生瀝青的性能研究現(xiàn)狀目前，國(guó)內(nèi)外用于瀝青再生的材料主要有軟瀝青、泡沫瀝青、瀝青乳液、再生劑等64-66,其中再生劑一般是由原油蒸

9、儲(chǔ)產(chǎn)物（如機(jī)油、柴油、潤(rùn)滑油等）以及其它的富含芳煌的礦物油或樹脂構(gòu)成。柴油、機(jī)油等輕質(zhì)油雖對(duì)瀝青有很好的的滲透和軟化效果，但是閃點(diǎn)一般都不超過(guò)100C,施工安全性較低；重質(zhì)礦物油類再生劑再生的瀝青高低溫性能均不理想，改性劑價(jià)格也比較昂貴；而其它的富含芳燒類的礦物油在高溫加熱過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多有毒氣體。廢食用油的主要成分為脂肪酸，是一種油脂，具有閃點(diǎn)高、粘度低、量大、價(jià)格低等特點(diǎn)，同時(shí)已經(jīng)過(guò)高溫烹飪過(guò)程，具有很強(qiáng)的耐熱性，瀝青也可固化廢食用油中的殘存的少量有害物質(zhì)。因此，廢食用油用于老化瀝青再生具有其自身的優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)廢油再生瀝青已開(kāi)展了廣泛的研究.Majid等78研究了廢食用油作為

10、瀝青再生劑的可行性；Su等9將廢食用油作為芯材制備一種微膠囊用于老化瀝青的原位再生；Dedene10研究了廢機(jī)油再生瀝青的微觀性能；Jia等11研究了廢機(jī)油再生老化瀝青的流變性能；徐朋朋12研究了廢機(jī)油對(duì)老化瀝青及其混合料。廢食用油用于老化瀝青再生在理論上是可行的。瀝青是由油分（飽和分和芳香分）、膠質(zhì)和瀝青質(zhì)構(gòu)成，瀝青的組分和性能之間有很大的相關(guān)性。從化學(xué)角度來(lái)看，老化瀝青中添加含有合適化學(xué)組分的再生劑或新瀝青，可以使其性能得以恢復(fù)48-50。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的瀝青再生劑大多數(shù)含有40%90%勺低粘度組分，還有少量的增塑劑、穩(wěn)定劑和抗老化劑等67-68。廢食用油的主要成分為脂肪酸，是芳香族油分。因此

11、廢食用油在理論上可以作為一種低粘度成分加入老化瀝青中，再通過(guò)與某些添加劑復(fù)配后達(dá)到再生老化瀝青的效果。廢食用油在老化瀝青再生方面的研究，國(guó)外有少量研究和報(bào)道。美國(guó)有專利提到用植物中提取的油脂制備瀝青再生劑，該瀝青再生劑可再生老化瀝青和軟化原樣瀝青69。WenH.F.提出用廢食用油和粉煤灰來(lái)生產(chǎn)生物瀝青70。AsiliH.等71-72采用常規(guī)物理性能指標(biāo)、流變性能指標(biāo)和傅里葉紅外光譜，分析并研究了廢食用油用于再生老化瀝青的可行性，發(fā)現(xiàn)廢食用油能使老化瀝青的物理性能指標(biāo)和流變性能指標(biāo)基本恢復(fù)（而不能完全恢復(fù)）到原樣瀝青的水平，且再生瀝青的短期抗老化能力要比原樣瀝青好，且再生瀝青中瀝青質(zhì)/軟瀝青的比

12、例和C=OS=O紅外光譜峰的強(qiáng)度比老化瀝青的低。AsiliH.等研究認(rèn)為廢食用油可作為抗氧化劑用于老化瀝青的再生。國(guó)內(nèi)對(duì)廢食用油用于再生老化瀝青的相關(guān)研究很少，但有專利提到用植物油作為瀝青再生劑中的基礎(chǔ)油分來(lái)軟化或再生老化瀝青，該再生劑配方為：瀝青10%48%植物油50%89%防老劑0.1%3.0%,穩(wěn)定齊1J0.05%5%73。2010年美國(guó)GordonDavies教授選取大豆蠟和廢棄植物油作為再生劑的有效成分，通過(guò)與商業(yè)用礦物油基再生劑進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)廢棄植物油再生效果最佳，其次為大豆蠟和商用礦物油基再生劑，該研究為再生劑的發(fā)展指明了方向27。同樣，美國(guó)Nigen教授利用棕桐油與瀝青

13、合成再生劑，用于瀝青熱再生，在滿足同等級(jí)性能要求下，廢舊料摻配比例可達(dá)30%以上28。由此可見(jiàn)，相比礦物油基再生劑，利用植物油合成的再生劑在抗老化性、穩(wěn)定性及成本等方面具有諸多優(yōu)點(diǎn)，將是解決廢舊瀝青路面材料高摻配率再生瓶頸問(wèn)題的關(guān)鍵。冷濱濱在其研究結(jié)果中指出：隨著廢食用植物油摻量的增加，老化瀝青的針入度和延度會(huì)逐漸增加，而軟化點(diǎn)和粘度會(huì)逐漸減少。在4.0%,5.0%,6.0%的廢食用植物油摻量下，再生瀝青各個(gè)常規(guī)物理指標(biāo)基本都能夠恢復(fù)到原樣瀝青的水平。從各指標(biāo)增加或降低的幅度和針入度比來(lái)看，三種再生瀝青的抗老化性能均要好于其基質(zhì)瀝青。以各物理指標(biāo)指標(biāo)恢復(fù)到原樣瀝青的水平為參考，廢食用植物油對(duì)同

14、一老化瀝青的不同物理性能指標(biāo)改善效果是存在差異的。其中，廢食用植物油對(duì)老化瀝青針入度的改善效果最好；廢食用植物油對(duì)老化瀝青粘度、軟化點(diǎn)和針入度指數(shù)的改善效果比較良好，基本能夠滿足規(guī)范和路用要求；而對(duì)具有低溫延度較大的原樣瀝青的老化瀝青的低溫柔韌性改善效果有待進(jìn)一步提高和改善。以各物理指標(biāo)指標(biāo)恢復(fù)到原樣瀝青的水平為參考，廢食用植物油對(duì)不同老化瀝青的同一個(gè)物理性能指標(biāo)的改善效果也是存在差異的。然而，植物油再生瀝青技術(shù)研究在國(guó)際上才剛剛起步，還未成熟，目前的研究?jī)H僅停留在室內(nèi)混合料性能試驗(yàn)層面，對(duì)于相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究一一植物油分對(duì)瀝青質(zhì)沉淀干擾及瀝青結(jié)構(gòu)重塑影響的微觀機(jī)理，尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。在進(jìn)行廢舊

15、瀝青混合料再生時(shí)，由于缺乏關(guān)鍵性控制指標(biāo)，再生劑的選擇盲目性大，再生效果良莠不齊，制約了植物油基再生劑的開(kāi)發(fā)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。綜上所述，植物油再生瀝青技術(shù)在國(guó)內(nèi)外近幾年才出現(xiàn)，只是嘗試著進(jìn)行了少量混合料性能試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)也僅有少量的預(yù)探索研究。由于該技術(shù)克服了傳統(tǒng)再生技術(shù)的不足，集中體現(xiàn)節(jié)能減排與高效利用廢舊再生資源的優(yōu)勢(shì)，一經(jīng)出現(xiàn)便引起業(yè)界的高度重視。然而，由于該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展時(shí)間尚短，缺乏必要的技術(shù)儲(chǔ)備，急需開(kāi)展相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)性研究工作。結(jié)論瀝青發(fā)生老化后，其組分中的芳香分與飽和分含量降低，瀝青質(zhì)與膠質(zhì)含量升高；沒(méi)有發(fā)生官能團(tuán)種類的變化，但某些官能團(tuán)的含量發(fā)生改變，尤其是亞碉基官能團(tuán)的含量明顯

16、增加；隨著瀝青老化程度的逐步深入，瀝青的高溫性能與低溫性能均逐漸衰減，其中低溫性能的衰減較為劇烈。采用植物油再生劑對(duì)瀝青進(jìn)行再生后，瀝青中原本發(fā)生含量改變的亞碉基)官能團(tuán)含量并未發(fā)生變化，反而使醛、酮、酸的厥基官能團(tuán)含量增多，說(shuō)明植物油再生劑的添加未能完全實(shí)現(xiàn)瀝青官能團(tuán)結(jié)構(gòu)層面上的恢復(fù)。當(dāng)對(duì)瀝青進(jìn)行再生時(shí)，植物油再生劑的摻量為2%6%其添加可以在一等程度上恢復(fù)瀝青的組分組成，提高芳香分與飽和分含量，降低瀝青質(zhì)與膠質(zhì)含量；在同樣能夠恢復(fù)瀝青物理性能的前提下，植物油再生劑與礦物油再生劑對(duì)瀝青低溫性能的均有很好的改善作用，同時(shí)植物油再生劑的使用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于RPO再生劑。在對(duì)老化瀝青混合料進(jìn)行再生時(shí)，通

17、過(guò)計(jì)算擬定了植物油再生劑與RPO再生劑的摻量，結(jié)果是，當(dāng)對(duì)同種老化瀝青混合料進(jìn)行再生時(shí)，所需植物油再生劑的摻量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于RPOJ,考慮到植物油再生劑廣泛的來(lái)源、低廉的成本，植物油再生技術(shù)必將帶來(lái)巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用推廣價(jià)值。參考文獻(xiàn)：1 徐世法，徐立庭，鄭偉，王曉曉.熱再生瀝青混合料新技術(shù)及其發(fā)展展望J.筑路機(jī)械與施工機(jī)械化,2013,6:38-432 陳默.對(duì)地溝油情有獨(dú)鐘的亞洲人J.世界博覽，2013,20:54-563 祝恩東，王國(guó)峰，張玉貞.瀝青的再生與表征方法研究J.石油瀝青，2011,12(6):1-64胡小芳，劉都數(shù).廢油的回收利用及其生物柴油生產(chǎn)J.有色冶金設(shè)計(jì)與研究，200

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