植物油再生沥青的开发与性能研究

1、植物油再生沥青的开发与性能研究摘要：为了解决矿物油再生技术再生率低、成本高等诸多问题，采用处理过的“地沟油”代替矿物油制备植物油基再生剂对老化沥青进行再生，并通过文献阅读对老化沥青再生前后各项性能指标进行了分析，确定了植物油沥青再生剂的最佳掺量，为再生沥青路面材料设计提供依据。植物油基再生剂不仅可以有效降低老化沥青的黏度，也有利于改善沥青的低温性能，同时有效解决“地沟油”科学利用问题，并显著降低废旧沥青再生成本。近年来，我国沥青路面的改造和维修正被广泛展开，导致每年都要产生大量旧沥青混合料(RAP。旧沥青混合料作为一种废旧材料，若不经过妥善处理会造成严重的环境问题。沥青路面热再生技术以旧料为原

2、料，可以节省大量原材料并减少生产和运输过程中的能源消耗，因而被证明是一种解决旧料累积问题的有效方法。传统的沥青再生剂中通常包含大量的矿物油，矿物油可以提供沥青在长期老化过程中散失的轻质油组分。但是，矿物油组分在再生施工温度下(130200C)易于散失，而植物油不但富含轻质油组分，而且含有大量的不饱和脂肪酸，沸点大于300C,在再生过程中具有比矿物油更好的耐温性。基于沥青老化与再生的理论，植物油可以用来对老化沥青进行再生。同时，近年来我国地沟油大量流回餐桌，食用后影响身心健康，但目前对地沟油问题仍缺乏比较完善的管理机制，通过以植物油作为沥青再生剂进行相关研究，可能会找到缓解这一问题的途径。20世

3、纪70年代以来，伴随着对沥青再生技术研究的逐步深入，欧美等国开始了再生剂的研制工作。美国SHRPU划实施之初，曾在分析沥青老化组分变化的基础上，试图通过向老化沥青中添加缺失组分使其重新协调，从而恢复老化沥青的路用性能。但是，沥青的化学结构复杂，即使沥青具有相似的化学组成成分，由于油源基属和生产工艺不同，其在路用性能上的差异仍然很大，因而，从组分角度寻求再生的方法未能成功。随着对沥青结构体系认识的深入，欧美学者开始将沥青视为一种高分子溶液，分析沥青质与沥青其他组分之间的相溶性，提出了沥青相溶性理论一一采用溶解度参数作为评价指标，确定其高分子溶液结构的稳定性。这种方法可以很好地与沥青路用性能相关联

4、，被广泛用于指导沥青再生剂的研究工作，欧美等国相继开发了一系列沥青再生剂。近年来，国外有学者开始研究利用植物油作为再生组分，尝试解决矿物油基再生剂热稳定差、易挥发、抗老化性能差、沥青有效再生率低、旧料掺配比例有限等问题。2010年，美国Davies等选取大豆蜡和废弃植物油作为再生剂的有效成分，该研究为植物油再生剂的发展指明了方向。1 .植物油沥青再生剂的开发钟成雨在其文章中通过对桐油、蔗麻油、菜籽油、亚麻籽油为试验材料进行研究，用红外光谱(InfraredSpectrum,简称IR)对四种植物油进行耐热老化试验。以一定频率的红外光对被测样品进行照射时，当红外光与分子中某个基团的振动频率相同时，

5、其能量可以被分子吸收从而引起振动能级地跃迁(同时伴随转动能级地跃迁)，不同物质的吸收频率不同，形成的谱带位置也不一样，从而形成的红外光谱图也不一样。物质浓度不同，形成的吸收峰强度以及形状也不相同。对于特征官能团，其具有特征吸收峰，所以，根据特征吸收峰的位置、相对强度、数目和形状等，可以判断样品中含有哪些特征官能团。将上述四种植物油分别溶于二甲苯中，然后涂膜于KBr盐片上，待溶剂挥发，利用Nicoet560傅里叶变换红外光谱进行测试，所得红外光谱图如下：图一桐油红外光谱N8耳老化沌麻油图二蔗麻油红外光谱170;吟枭科理15flhJi1013CH120*110-;二匕“5110：33;3?炽-0：

6、图三菜籽油红外光谱13k120：11恒tDOr；W,1,1.50-*-*-*I欣亚麻籽油图四亚麻籽油红外光谱由图一至图四可以发现，四种植物油分别在2923cm1、1740cm-1、1460cm-1、1100cm1、720cm1附近产生比较明显的特征吸收峰。其中，2923cm1、2853cm1是-CH2基团的C-H伸缩振动产生的特征峰；1740cm1是厥基伸缩振动产生的特征峰；1460cm-1、1376cm1是配对出现的C-H面内弯曲振动峰；1160cm1附近是C-O的伸缩振动产生的吸收峰，出现了较宽的分裂谱带。1000cm1以下的产生的吸收区间被称作是指纹区，主要是由一些C-O的伸缩振动以及C

7、-H、O-H等含有氢原子的基团的弯曲振动以及C-C骨架振动产生的吸收峰。另外，值得注意的是，在图二中，在3600cm-13300cm1出现比较宽的吸收谱带，这个是羟基地伸缩振动产生的特征吸收峰。由此可知，植物油主要由默基、醒键以及饱和及不饱和的碳链组成。此外，蔗麻油中还含有羟基官能团。目前市场上的再生剂多为润滑油、矿物油与沥青的组合物，所用原料多为由石油生产的系列产品。在石油资源日益紧缺的形势下，并且石油也面临枯竭的窘境，所以，新型沥青再生剂的开发极为紧迫。因此，本文从增溶分散理论出发，选择四种常见植物油一一桐油、蔗麻油、菜籽油、亚麻籽油，将其和滨州110#沥青进行复配，制备得到四种植物油再生

8、剂。植物油中含有极性酯基与非极性的直链烷烧，这就使得再生剂具有“两亲结构”，一方面，极性酯基可以吸附沥青质，另一方面，非极性的直链烷煌可以和软沥青质相互胶溶，这就使得植物油可以作为介质（界面剂）增加沥青质与饱和分在沥青中的相容性，因此，能更好地稳定沥青在荷载作用下的胶体结构。不仅如此，植物油还是一种良好的粘度调节剂，它具有高沸点，低挥发，并且常温下为液体，粘度非常低，其能够很快溶解、贯入老化沥青中。所以，由植物油制备的沥青再生剂具有良好的增溶分散能力。2 .废植物油再生沥青的性能研究现状目前，国内外用于沥青再生的材料主要有软沥青、泡沫沥青、沥青乳液、再生剂等64-66,其中再生剂一般是由原油蒸

9、储产物（如机油、柴油、润滑油等）以及其它的富含芳煌的矿物油或树脂构成。柴油、机油等轻质油虽对沥青有很好的的渗透和软化效果，但是闪点一般都不超过100C,施工安全性较低；重质矿物油类再生剂再生的沥青高低温性能均不理想，改性剂价格也比较昂贵；而其它的富含芳烧类的矿物油在高温加热过程中会产生很多有毒气体。废食用油的主要成分为脂肪酸，是一种油脂，具有闪点高、粘度低、量大、价格低等特点，同时已经过高温烹饪过程，具有很强的耐热性，沥青也可固化废食用油中的残存的少量有害物质。因此，废食用油用于老化沥青再生具有其自身的优势。近年来，国内外学者对废油再生沥青已开展了广泛的研究.Majid等78研究了废食用油作为

10、沥青再生剂的可行性；Su等9将废食用油作为芯材制备一种微胶囊用于老化沥青的原位再生；Dedene10研究了废机油再生沥青的微观性能；Jia等11研究了废机油再生老化沥青的流变性能；徐朋朋12研究了废机油对老化沥青及其混合料。废食用油用于老化沥青再生在理论上是可行的。沥青是由油分（饱和分和芳香分）、胶质和沥青质构成，沥青的组分和性能之间有很大的相关性。从化学角度来看，老化沥青中添加含有合适化学组分的再生剂或新沥青，可以使其性能得以恢复48-50。国内外现有的沥青再生剂大多数含有40%90%勺低粘度组分，还有少量的增塑剂、稳定剂和抗老化剂等67-68。废食用油的主要成分为脂肪酸，是芳香族油分。因此

11、废食用油在理论上可以作为一种低粘度成分加入老化沥青中，再通过与某些添加剂复配后达到再生老化沥青的效果。废食用油在老化沥青再生方面的研究，国外有少量研究和报道。美国有专利提到用植物中提取的油脂制备沥青再生剂，该沥青再生剂可再生老化沥青和软化原样沥青69。WenH.F.提出用废食用油和粉煤灰来生产生物沥青70。AsiliH.等71-72采用常规物理性能指标、流变性能指标和傅里叶红外光谱，分析并研究了废食用油用于再生老化沥青的可行性，发现废食用油能使老化沥青的物理性能指标和流变性能指标基本恢复（而不能完全恢复）到原样沥青的水平，且再生沥青的短期抗老化能力要比原样沥青好，且再生沥青中沥青质/软沥青的比

12、例和C=OS=O红外光谱峰的强度比老化沥青的低。AsiliH.等研究认为废食用油可作为抗氧化剂用于老化沥青的再生。国内对废食用油用于再生老化沥青的相关研究很少，但有专利提到用植物油作为沥青再生剂中的基础油分来软化或再生老化沥青，该再生剂配方为：沥青10%48%植物油50%89%防老剂0.1%3.0%,稳定齐1J0.05%5%73。2010年美国GordonDavies教授选取大豆蜡和废弃植物油作为再生剂的有效成分，通过与商业用矿物油基再生剂进行试验对比分析，发现废弃植物油再生效果最佳，其次为大豆蜡和商用矿物油基再生剂，该研究为再生剂的发展指明了方向27。同样，美国Nigen教授利用棕桐油与沥青

13、合成再生剂，用于沥青热再生，在满足同等级性能要求下，废旧料掺配比例可达30%以上28。由此可见，相比矿物油基再生剂，利用植物油合成的再生剂在抗老化性、稳定性及成本等方面具有诸多优点，将是解决废旧沥青路面材料高掺配率再生瓶颈问题的关键。冷滨滨在其研究结果中指出：随着废食用植物油掺量的增加，老化沥青的针入度和延度会逐渐增加，而软化点和粘度会逐渐减少。在4.0%,5.0%,6.0%的废食用植物油掺量下，再生沥青各个常规物理指标基本都能够恢复到原样沥青的水平。从各指标增加或降低的幅度和针入度比来看，三种再生沥青的抗老化性能均要好于其基质沥青。以各物理指标指标恢复到原样沥青的水平为参考，废食用植物油对同

14、一老化沥青的不同物理性能指标改善效果是存在差异的。其中，废食用植物油对老化沥青针入度的改善效果最好；废食用植物油对老化沥青粘度、软化点和针入度指数的改善效果比较良好，基本能够满足规范和路用要求；而对具有低温延度较大的原样沥青的老化沥青的低温柔韧性改善效果有待进一步提高和改善。以各物理指标指标恢复到原样沥青的水平为参考，废食用植物油对不同老化沥青的同一个物理性能指标的改善效果也是存在差异的。然而，植物油再生沥青技术研究在国际上才刚刚起步，还未成熟，目前的研究仅仅停留在室内混合料性能试验层面，对于相关基础理论的研究一一植物油分对沥青质沉淀干扰及沥青结构重塑影响的微观机理，尚未见相关报道。在进行废旧

15、沥青混合料再生时，由于缺乏关键性控制指标，再生剂的选择盲目性大，再生效果良莠不齐，制约了植物油基再生剂的开发及相关技术的发展与进步。综上所述，植物油再生沥青技术在国内外近几年才出现，只是尝试着进行了少量混合料性能试验，国内也仅有少量的预探索研究。由于该技术克服了传统再生技术的不足，集中体现节能减排与高效利用废旧再生资源的优势，一经出现便引起业界的高度重视。然而，由于该项技术发展时间尚短，缺乏必要的技术储备，急需开展相关应用基础性研究工作。结论沥青发生老化后，其组分中的芳香分与饱和分含量降低，沥青质与胶质含量升高；没有发生官能团种类的变化，但某些官能团的含量发生改变，尤其是亚碉基官能团的含量明显

16、增加；随着沥青老化程度的逐步深入，沥青的高温性能与低温性能均逐渐衰减，其中低温性能的衰减较为剧烈。采用植物油再生剂对沥青进行再生后，沥青中原本发生含量改变的亚碉基)官能团含量并未发生变化，反而使醛、酮、酸的厥基官能团含量增多，说明植物油再生剂的添加未能完全实现沥青官能团结构层面上的恢复。当对沥青进行再生时，植物油再生剂的掺量为2%6%其添加可以在一等程度上恢复沥青的组分组成，提高芳香分与饱和分含量，降低沥青质与胶质含量；在同样能够恢复沥青物理性能的前提下，植物油再生剂与矿物油再生剂对沥青低温性能的均有很好的改善作用，同时植物油再生剂的使用量远远低于RPO再生剂。在对老化沥青混合料进行再生时，通

17、过计算拟定了植物油再生剂与RPO再生剂的掺量，结果是，当对同种老化沥青混合料进行再生时，所需植物油再生剂的掺量远远低于RPOJ,考虑到植物油再生剂广泛的来源、低廉的成本，植物油再生技术必将带来巨大的社会经济效益和应用推广价值。参考文献：1 徐世法，徐立庭，郑伟，王晓晓.热再生沥青混合料新技术及其发展展望J.筑路机械与施工机械化,2013,6:38-432 陈默.对地沟油情有独钟的亚洲人J.世界博览，2013,20:54-563 祝恩东，王国峰，张玉贞.沥青的再生与表征方法研究J.石油沥青，2011,12(6):1-64胡小芳，刘都数.废油的回收利用及其生物柴油生产J.有色冶金设计与研究，200

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