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废油在沥青路面材料中的应用研究进展

  不经任何处理的废油,丢弃在垃圾堆中,将对环境产生严重不利的影响。废油对环境的作用可以看成是一个富营养化的过程。废油的薄层漂浮在水面上将阻止阳光进行光合作用,从而导致水中生物不能及时得到氧气。富营养化的过程导致微生物、浮游植物和藻类植物疯长,这些生物都以废油作为营养物质生长。水质急剧下降,并且打破了原有的生态平衡。废油污染源主要有两种,一是汽车工业废油,二是住宅区的废弃食用油。由于资源短缺,建设费用的不断提高,和入们对自然环境保护的意识不断加强,废油回收利用成为现代社会研究热点。

  沥青路面在行车荷载和环境气候的作用下,不断老化,导致性能衰减。但是尽管如此,沥青路面在设计使用期结束后,其表面层仍然可以铣刨回收利用,称为再生沥青路面(ReclaimedAs-PhaltPavement,RAP)。这个再生的过程可以通过再生剂实现。通常来讲,RAP占全部沥青混合料重量的10%~60%之间。较多的RAP掺量可以显著提高混合料的劲度。但是,过多的RAP会降低混合料的使用性能。因此,通过再剂的使用,可以将原沥青胶结料中沥青质和软沥青恢复到初始比例,并补偿硬化效应,从而大幅提高沥青胶结料和旧沥青路面的性能。本研究将对废油在沥青路面中的应用,尤其是在沥青胶结料改性方面进行综述。

  废油的种类

  经济的发展对于国家的商业活动和交通路网设施有着直接的影响。这使得道路车辆数量不断大幅增长。在中国,总共有约两亿辆登记注册的机动车。这些数量庞大的机动车每天都会产生大量的废机油(WasteEngineOil,WE0),如果这些废机油不加以处理或回收利用,将会产生严重的环境污染。车辆工厂和重型机械厂是产生废机油的主要来源。如果废机油没有妥善处理而直接排放到环境中,将对人类健康、水中生物和地上植被产生重要影响。已有研究表明,很少的废机油就可以污染数百万升的清洁水资源。清洁机油和废机油的颜色对比图。可以看出,清洁的机油呈金黄色透明状,而经过发动机加热之后的废机油呈黑色,并且不透明

  除了机油,废弃食用油(WasteCookingOil,WCO)也可以回收利用,作为沥青混合料的添加剂。食用油因地理位置不同,而有不同的品种。比如美国的大豆油和色拉油,中国的动物脂肪,英国的大豆油和芥花油,欧洲的菜好油和葵花油,马拉西亚的掠桐油和加拿大的动物脂肪。不同国家废弃食用油的总产量。其中,美每年的废弃食用油量最大,达到了1000x104t。废弃食用油是在高温油炸过程中产生的,主要存在于食品加工厂、餐厅、酒店和住宅区,这些废弃食用油通常直接排放到河流中。

  废油性质

  废机油的性质依赖于其燃烧过程,工作温度污染源,例如水,烟灰,稀释剂,锈,清洁剂和发动机表层金属颗粒。根据El~Fadel和Khoury的研究,发动机或者金属表层大量的铅颗粒导致废机油中存在大量重金属。这些重金属成分对环境危害巨大,因而备受关注。废机油中不同金属的含量和美国环境保护机构允许的最高水平。废机油中的金属含量水平可以接受,废机油适用于作为RAP混合料的再生剂。

  同时,废弃食用油的化学性质。根据美国专利N0.20120167802A1,废弃食用油中的有机酸成分包含于粘结剂之中。粘结剂的主要作用是降低RAP中老化沥青胶结料的高黏度,从而使得RAP和新路面材料拌和时更加均匀。因此,废弃食用油是一种良好的再生剂,可以有效提高老化胶结料的裹覆能力。

  废油在路面材料中的应用方法

  废油可以直接以液体或者胶囊的形式在路面中应用。已有的研究者建议的废油和沥青混合料拌和温度。通常废油首先与沥青胶结料拌和,再与混合料拌和。为了评价废油在胶结料中的作用,混合料在特定温度的老化性质得到了广泛研究。

  同时,胶囊是一种新的使用形式,可以减轻由于再生剂的应用造成的路面抗滑能力下降问题。胶囊外壁是一层壳,内部为多孔芯,用来填充再生剂。外壳坚硬且不渗透,由52.5RI型水泥和液态环氧树脂粘合而成的颗粒制成。包含芳香剂和稠油的胶囊在行车荷载下的作用机理为其主要原理为将含有愈合剂的微胶囊加入材料中,当材料出现开裂时,此处的胶囊壁也随之开裂,从而释放出愈合剂闭合裂缝,促使材料修复。

  胶结料性能评价研究

  废油显著影响沥青胶结料的性质。针入度、化点、黏度和动态剪切流变测试是评价胶结料性能的常用试验方法。针入度和软化点用来测定胶结料的硬度和柔软度。根据针入度和软化点的测试结果可以对沥青胶结料进行有效分级。

  Bailey和Philips申请了一项使用废植物油作为沥青再生剂的专利。其研究表明废弃植物油添加到加热后的RAP中时,对胶结料的针入度和软化点值有很大影响。向现场取回的老化沥青混合料试样中添加9%~11%的废弃植物油可以使胶结料的针入度达到40~60 1/10 mm。Asli等人评价了以棕榈油为来源的废弃食用油对沥青胶结料层面的使用效果。针入度为80~100 1/10mm的沥青胶结料在烘箱中加热以得到老化的沥青试样。针入度等级为50~601/10 mm、40~50 1/10mm、和30 ~40 1/10mm的老化沥青胶结料分别需要1%、3%~4%和4%~5%的废弃食用油作为最佳掺量以获得初始的针入度值80~1001/10mm。Zargar等入[20]对针入度为80~100 1/10mm的沥青持续加热获得针入度值45 1/10mm的老化沥青,需要3%~4%的废弃食用油作为再生剂以获得和原来80~1001/10mm针入度的沥青相同的技术性质。同时,从高速公路上取回的老化试样,其针入度值为6.3 1/10mm,需要约20%的废弃食用油以获得目标针人度为60~70 1/10mm的沥青技术性质。从以上研究结论可以明显看出,用于再生剂的废油掺量取决于老花沥青胶结料的硬度。针人度越低,要补偿老化效应,获得目标胶结料,所需的废油量越多。通常来讲,对于人工老化的沥青胶结料需要1%~10%的WEO,而对于现场老化试样则需要10%~25%的WEO。

  黏度测试用来评价沥青胶结料的抽运、涂抹和存储能力。从黏度曲线可以得到沥青混合料拌和和压实的温度。黏度的单位是PA·s。Zargar等人根据ASTM D4402标准,进行135℃下的黏度测试,来评价沥青胶结料的施工和易性。不同掺量的WC0添加到针人度等级为40~50 1/10mm的老化沥青中,并与针人度等级为80~1001/10mm的原沥青相比。老化沥青的黏度值较高,而添加了4%WC0的针人度等级为40~501/10mm的老化沥青,其黏度值与原样沥青基本相同。文献研究表明,再生剂必须具有较低的黏度以保证老化沥青和集料之间能充分裹覆,提高其施工和易性。Bailey和Phillips的研究成果也证实了这一结论。提高废油含量和温度,将显著降低试样的黏度。

  通过DSR试验测定沥青胶结料的流变性能,以此判断废油对沥青胶结料抗剪流变行为的影。沥青胶结料的流变学与粘性和弹性有关。这两个参数可以有效表征胶结料的抗永久变形和疲劳开裂能力。通过DSR试验,可以得到未老化、RTFO老化和PAV老化胶结料复数剪切模量G*和相位角。在SHRP的沥青PG分级中分别将粘弹性特征函数G*/sinδ和(Tsinδ分别评价沥青高温特性和疲劳特性的技术指标。Dedene等人的研究表明,车辙因子G*/sinδ随着废油的添加而降低。沥青胶结料的流变性质可以由主曲线或者等时线得到。主曲线是复数剪切模量的变化曲线,G*是在参考温度下频率的函数。等时线是复数剪切模量和相位角的变化曲线,在固定频率下随温度变化。Zargar等人研究了等时线,绘制了不同WCO掺量(0,1%,2%,3%和4%)沥青的相位角与温度的变化关系。当温度从30℃:上升到80℃,复数剪切模量下降。沥青老化使复数剪切模量上升,相位角下降,使得其抗永久变形能力更强。Dedene等人研究了掺有WE0的回收旧沥青性能,掺量分别为4%和8%。结果表明,老化对沥青抗永久变形能力的作用由于废油的添加而抵消。

  掺加废油的沥青混合料性能评价

  油可以降低沥青的黏度,软化沥青。车辙是柔性路面难以回避的病害。蠕变测试是评价沥青混合料永久变形能力的有效方法,分静态和动态两种。Borfmn等人进行了四种不同掺量(0,20%,25%,30%沥青质量)废机油的冷拌沥青混合料蠕变试验。随着废机油掺量的上升,蠕变劲度模量下降。油使沥青和集料之间的粘结能力下降。废机油的添加,使得冷拌沥青混合料对永久变形更加敏感。其蠕变劲度模量与没有添加废机油的混合料相比,在40℃时下降了28%。这是由于废机油的黏度较低,使得沥青和集料之间的粘结力降低。

  劲度、抗车辙能力和抗疲劳能力是沥青路面的重要性质。RAP的掺量越大,沥青混合料的劲度越大。Bailey和PhiliPs研究表明植物油可以有效降低老化沥青混合料的劲度。废弃植物油在热拌RAP时加人。Dedene使用沥青路面测试仪进行了58℃下的抗车辙试验。混合料试样包含25%的RAP和两个掺量的WEO(4%和8%),添加WEO的试样与未添加的相比车辙更大。TRAn等人通过向有50%RAP的混合料中掺加环烷原油场的乳液(Cyclogeii®L),使得沥青混合料的低温抗裂能力提升。通过添加50%的RAP和I2%的(Cyclogeii®L),混合料的低温断裂临界温度与原样相比降低。以上研究表明,废油的应用对于高掺量的RAP混合料可以产生很好的作用。

  结论

  废油(WE0和WC0)对沥青路面有利有弊。合适的废油掺量取决于其中老化程度。硬质混合料需要更多的废油。在冷拌混合料中添加废机油,其稳定性、强度受到影响,沥青和集料粘结力降低。在热拌混合料中,废油和RAP混合成整体,使得劲度下降,提高了其抗裂能力。温度、废油的掺量和RAP对沥青混合料的性能有重要影响。因此,在未来的研究中如何权衡这影响因素将非常有意义。

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