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生物重油再生沥青物理性能试验探讨

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《生物资源》2018年第3期

摘要:为研究生物重油对老化沥青再生的可行性,选取3种生物重油进行试验。对3种生物重油进行比重、黏度、水分含量、元素分析、红外光谱等理化性能测试;将3种生物重油按照2%、4%、6%、8%的比例掺配至经室内模拟老化后的70#沥青中,通过针入度、延度、软化点、黏度试验,对比分析3种生物重油对70#老化沥青再生效果的差异性;参照沥青混合料最佳沥青用量的方法确定生物重油的最佳掺量。结果表明:随生物重油掺量的增加,老化沥青软化点和黏度呈下降趋势,针入度和延度呈上升趋势;生物重油再生性能存在一定的差异性,生物重油A和B再生性能较好,生物重油C再生性能稍差;生物重油A、B、C最佳掺量分别为3.9%、4.6%、6.4%。

关键词:道路工程;生物重油;再生;老化;物理性能

0引言

生物重油为地沟油或废弃动植物油脂提炼生物柴油过程中产生的一种工业废弃物,每处理1吨地沟油或废弃动植物油脂将产生0.1吨左右生物重油[1]。据统计我国餐饮业每年产生的地沟油高达2000万吨,全国每年废弃动植物油脂总计高达1亿吨,由此产生的生物重油将高达800万吨[2]。目前生物重油主要用于铸芯粘结剂、防水卷材及重质燃料,但大部分生物重油被随意堆放在户外,给周边土壤和空气造成严重污染[3-4]。因此寻求一种高效、环保的生物重油处理方式成为亟需解决的问题。生物重油应用于防水卷材说明其与沥青具有较好的相容性。生物重油含有大量的不饱和脂肪酸,类似于沥青中的轻质油分,将其应用于沥青再生可补充老化沥青失去的轻质油分。已有研究表明[5-9]:从大豆、海藻等植物中提炼的生物油可有效软化沥青,提高沥青的流变性能和低温性能;利用废食物油可改善老化沥青的物理及流变性能;废机油可配制沥青再生剂。由此可见,生物重油应用于沥青再生具有一定可行性。将生物重油用于沥青再生,可实现废物利用、降低造价,具有重要的社会与经济意义。鉴于此,笔者选取国内3家典型生物柴油厂家生产的生物重油,对比分析3种生物重油的理化性能;将其按照一定比例添加到70#老化沥青中,通过表征再生沥青的针入度、软化点、延度和黏度指标,综合评价生物重油的再生性能;参照沥青混合料最佳沥青用量的方法确定最佳生物重油掺量;以期为生物重油应用于沥青再生提供一定的理论基础。

1原材料与试验方案

1.1原材料

1)沥青。试验采用中石化东海牌70#基质沥青。美国SHRP计划规定使用RTFOT和PAV分别模拟沥青短期和长期老化过程。相对于RTFOT试验,PAV试验具有操作复杂、条件苛刻、可控因素多、试验时间长等缺点。相关研究显示:延时RTFOT能等效于PAV,同时具有操作简便、重复性好等优点,因此,笔者选用延时RTFOT试验进行老化沥青的制备。反应时间由85min增加到255min[10]。2)生物重油。选择国内3家典型生物柴油厂家生产的生物重油进行试验,分别用A、B、C表示,3种生物重油均为废弃油脂提炼生物柴油后的副产品。生物重油是一种复杂的混合物,原材料和生产工艺的不同将影响生物重油的性能。采用105℃恒重法、比重瓶法、布氏黏度计、元素分析仪、红外光谱仪等手段,分别测定3种生物重油的含水量、比重、黏度、元素组成、官能团等理化指标。综合元素分析与红外光谱结果可推断:3种生物重油主要由不饱和脂肪酸、羧酸、甘油脂和烷烃等组成,其对沥青质具有良好的溶解能力,能有效调节沥青的黏度,改善老化沥青的流变性能。

1.2试验方案

为减少水分对生物重油再生性能的影响,试验前将生物重油置于105℃的烘箱中进行加热烘干脱水处理,每隔30min称重一次直至恒重。经干燥脱水处理后的3种生物重油按2%、4%、6%、8%的比例掺配至70#老化沥青中,然后在135℃下高速剪切(4000r/min)10min,得到再生沥青。按照JTGE20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[12]中规定的相关试验方法测试再生沥青的针入度、延度、软化点及黏度等指标,参考沥青混合料最佳油石比的方法确定生物重油最佳掺量。生物重油最佳掺量确定方法:①对不同掺量下3种生物重油再生沥青各指标结果进行回归分析,在回归方程中代入原状沥青的针入度、延度、软化点值,得到各指标最佳生物重油掺量a1、a2、a3,取平均值作为最佳生物重油掺量OBC1;②以再生沥青针入度、延度、软化点符合技术标准的生物重油掺量范围OBCmin~OBCmax的中值作为OBC2;③取OBC1和OBC2的中值为最佳生物重油掺量OBC。

2结果与讨论

2.1生物重油对老化沥青性能的影响

2.1.1针入度

针入度是我国划分沥青标号的最主要依据,表示沥青软硬程度、稠度、抵抗剪切破坏能力,也能反映在一定条件下沥青相对黏度。

2.1.2延度

沥青的延度与路用性能有密切关系,既反映了沥青路面的低温抗裂性能,也可间接反映沥青的黏度和剪切敏感性。

2.1.3软化点

软化点是衡量沥青高温稳定性的重要指标之一,软化点高说明沥青的高温稳定性好,抗高温车辙能力强。

2.1.4黏度

黏度是表征沥青粘滞性的指标,也是划分沥青等级(标号)的主要依据,其反映沥青在外力作用下,抵抗变形的性能。

2.2生物重油最佳掺量

现行沥青再生剂掺量的确定方法以材料复合理论为基础,仅考虑了再生剂对沥青针入度或黏度的恢复情况,忽略了再生剂对延度和软化点影响,由此可能导致再生沥青的针入度或黏度恢复至原状沥青水平,但延度和软化点却不满足规范要求的现象。由前文的分析可知:生物重油对再生沥青针入度、延度、软化点、黏度的恢复情况各有差异。为综合考虑生物重油对老化沥青各指标的影响,按照笔者实验方法确定生物重油最佳掺量。

3结论

1)生物重油主要由不饱和脂肪酸、羧酸、甘油脂和烷烃等碳氢氧化合物及其氧、硫、氮的衍生物组成的混合物组成,能有效调节沥青黏度与流变性能。2)老化沥青的针入度和延度随生物重油比例的增大呈增加趋势,软化点和黏度随生物重油比例的增加而呈现下降趋势。生物重油A、B、C的最佳掺量分别为3.9%、4.6%、6.4%。3)生物重油对老化沥青各指标改善情况各有差异,生物重油的再生效果由小到大排序为:生物重油A、生物重油B、生物重油C。生物重油A对老化沥青的针入度和软化点恢复程度较好,对黏度和延度恢复程度稍差,生物重油B和C对老化沥青针入度和延度改善效果较佳,对软化点与黏度改善效果稍差。

作者:朱洪洲;钟伟明;万逸秋;向浩;杨洋 单位:重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合工程实验室

生物资源杂志责任编辑:张雨    阅读:人次
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