植物油再生瀝青的開發(fā)與性能研究.docx

植物油再生瀝青的開發(fā)與性能研究摘要: 為了解決礦物油再生技術再生率低、成本高等諸多問題，采用處理過的“地溝油”代替礦物油制備植物油基再生劑對老化瀝青進行再生，并通過文獻閱讀對老化瀝青再生前后各項性能指標進行了分析，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計提供依據(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，同時有效解決“地溝油”科學利用問題，并顯著降低廢舊瀝青再生成本。近年來，我國瀝青路面的改造和維修正被廣泛展開，導致每年都要產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)過妥善處理會造成嚴重的環(huán)境問題。瀝青路面熱再生技術以舊料為原料，可以節(jié)省大量原材料并減少生產和運輸過程中的能源消耗，因而被證明是一種解決舊料累積問題的有效方法。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期老化過程中散失的輕質油組分。但是，礦物油組分在再生施工溫度下( 130 200 )易于散失，而植物油不但富含輕質油組分，而且含有大量的不飽和脂肪酸，沸點大于300，在再生過程中具有比礦物油更好的耐溫性?；跒r青老化與再生的理論，植物油可以用來對老化瀝青進行再生。同時，近年來我國地溝油大量流回餐桌，食用后影響身心健康，但目前對地溝油問題仍缺乏比較完善的管理機制，通過以植物油作為瀝青再生劑進行相關研究，可能會找到緩解這一問題的途徑。20世紀70年代以來，伴隨著對瀝青再生技術研究的逐步深入，歐美等國開始了再生劑的研制工作。美國SHRP計劃實施之初，曾在分析瀝青老化組分變化的基礎上，試圖通過向老化瀝青中添加缺失組分使其重新協(xié)調，從而恢復老化瀝青的路用性能。但是，瀝青的化學結構復雜，即使瀝青具有相似的化學組成成分，由于油源基屬和生產工藝不同，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。隨著對瀝青結構體系認識的深入，歐美學者開始將瀝青視為一種高分子溶液，分析瀝青質與瀝青其他組分之間的相溶性，提出了瀝青相溶性理論采用溶解度參數(shù)作為評價指標，確定其高分子溶液結構的穩(wěn)定性。這種方法可以很好地與瀝青路用性能相關聯(lián)，被廣泛用于指導瀝青再生劑的研究工作，歐美等國相繼開發(fā)了一系列瀝青再生劑。近年來，國外有學者開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題。2010 年，美國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發(fā)鐘成雨在其文章中通過對桐油、蓖麻油、菜籽油、亞麻籽油為試驗材料進行研究，用紅外光譜(Infrared Spectrum，簡稱 IR)對四種植物油進行耐熱老化試驗。 以一定頻率的紅外光對被測樣品進行照射時，當紅外光與分子中某個基團的振動頻率相同時，其能量可以被分子吸收從而引起振動能級地躍遷（同時伴隨轉動能級地躍遷），不同物質的吸收頻率不同，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。物質濃度不同，形成的吸收峰強度以及形狀也不相同。對于特征官能團，其具有特征吸收峰，所以，根據(jù)特征吸收峰的位置、相對強度、數(shù)目和形狀等，可以判斷樣品中含有哪些特征官能團。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 Nicoet 560 傅里葉變換紅外光譜進行測試，所得紅外光譜圖如下：圖一 桐油紅外光譜圖二 蓖麻油紅外光譜圖三 菜籽油紅外光譜圖四 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2923cm-1、1740cm-1、1460cm-1、1100cm-1、720cm-1附近產生比較明顯的特征吸收峰。其中，2923cm-1、2853cm-1是-CH2基團的 C-H 伸縮振動產生的特征峰；1740cm-1是羰基伸縮振動產生的特征峰；1460cm-1、1376cm-1是配對出現(xiàn)的 C-H 面內彎曲振動峰；1160cm-1附近是 C-O 的伸縮振動產生的吸收峰，出現(xiàn)了較寬的分裂譜帶。1000cm-1以下的產生的吸收區(qū)間被稱作是指紋區(qū)，主要是由一些 C-O 的伸縮振動以及 C-H、O-H 等含有氫原子的基團的彎曲振動以及 C-C骨架振動產生的吸收峰。另外，值得注意的是，在圖二中，在3600cm-13300cm-1出現(xiàn)比較寬的吸收譜帶，這個是羥基地伸縮振動產生的特征吸收峰。由此可知，植物油主要由羰基、醚鍵以及飽和及不飽和的碳鏈組成。此外，蓖麻油中還含有羥基官能團。目前市場上的再生劑多為潤滑油、礦物油與瀝青的組合物，所用原料多為由石油生產的系列產品。在石油資源日益緊缺的形勢下，并且石油也面臨枯竭的窘境，所以，新型瀝青再生劑的開發(fā)極為緊迫。因此，本文從增溶分散理論出發(fā)，選擇四種常見植物油桐油、蓖麻油、菜籽油、亞麻籽油，將其和濱州110#瀝青進行復配，制備得到四種植物油再生劑。 植物油中含有極性酯基與非極性的直鏈烷烴，這就使得再生劑具有“兩親結構”，一方面，極性酯基可以吸附瀝青質，另一方面，非極性的直鏈烷烴可以和軟瀝青質相互膠溶，這就使得植物油可以作為介質（界面劑）增加瀝青質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構。不僅如此，植物油還是一種良好的粘度調節(jié)劑，它具有高沸點，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，國內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餾產物（如機油、柴油、潤滑油等）以及其它的富含芳烴的礦物油或樹脂構成。柴油、機油等輕質油雖對瀝青有很好的的滲透和軟化效果，但是閃點一般都不超過 100，施工安全性較低；重質礦物油類再生劑再生的瀝青高低溫性能均不理想，改性劑價格也比較昂貴；而其它的富含芳烴類的礦物油在高溫加熱過程中會產生很多有毒氣體。廢食用油的主要成分為脂肪酸，是一種油脂，具有閃點高、粘度低、量大、價格低等特點，同時已經(jīng)過高溫烹飪過程，具有很強的耐熱性，瀝青也可固化廢食用油中的殘存的少量有害物質。因此，廢食用油用于老化瀝青再生具有其自身的優(yōu)勢。近年來，國內外學者對廢油再生瀝青已開展了廣泛的研究Majid等研究了廢食用油作為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研究了廢機油再生瀝青的微觀性能；Jia等研究了廢機油再生老化瀝青的流變性能；徐朋朋研究了廢機油對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）、膠質和瀝青質構成，瀝青的組分和性能之間有很大的相關性。從化學角度來看，老化瀝青中添加含有合適化學組分的再生劑或新瀝青，可以使其性能得以恢復48-50。國內外現(xiàn)有的瀝青再生劑大多數(shù)含有40%90%的低粘度組分，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，再通過與某些添加劑復配后達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，國外有少量研究和報道。美國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。Wen H.F.提出用廢食用油和粉煤灰來生產生物瀝青70。Asili H.等71-72采用常規(guī)物理性能指標、流變性能指標和傅里葉紅外光譜，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和流變性能指標基本恢復（而不能完全恢復）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/軟瀝青的比例和C=O、S=O紅外光譜峰的強度比老化瀝青的低。Asili H.等研究認為廢食用油可作為抗氧化劑用于老化瀝青的再生。國內對廢食用油用于再生老化瀝青的相關研究很少，但有專利提到用植物油作為瀝青再生劑中的基礎油分來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)定劑0.05%5% 73。2010年美國Gordon Davies教授選取大豆蠟和廢棄植物油作為再生劑的有效成分，通過與商業(yè)用礦物油基再生劑進行試驗對比分析，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 Nigen教授利用棕櫚油與瀝青合成再生劑，用于瀝青熱再生，在滿足同等級性能要求下，廢舊料摻配比例可達 30%以上28。由此可見，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，將是解決廢舊瀝青路面材料高摻配率再生瓶頸問題的關鍵。冷濱濱在其研究結果中指出：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逐漸增加，而軟化點和粘度會逐漸減少。在4.0%，5.0%，6.0%的廢食用植物油摻量下，再生瀝青各個常規(guī)物理指標基本都能夠恢復到原樣瀝青的水平。從各指標增加或降低的幅度和針入度比來看，三種再生瀝青的抗老化性能均要好于其基質瀝青。以各物理指標指標恢復到原樣瀝青的水平為參考，廢食用植物油對同一老化瀝青的不同物理性能指標改善效果是存在差異的。其中，廢食用植物油對老化瀝青針入度的改善效果最好；廢食用植物油對老化瀝青粘度、軟化點和針入度指數(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一步提高和改善。以各物理指標指標恢復到原樣瀝青的水平為參考，廢食用植物油對不同老化瀝青的同一個物理性能指標的改善效果也是存在差異的。然而，植物油再生瀝青技術研究在國際上才剛剛起步，還未成熟，目前的研究僅僅停留在室內混合料性能試驗層面，對于相關基礎理論的研究植物油分對瀝青質沉淀干擾及瀝青結構重塑影響的微觀機理，尚未見相關報道。在進行廢舊瀝青混合料再生時，由于缺乏關鍵性控制指標，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發(fā)及相關技術的發(fā)展與進步。 綜上所述，植物油再生瀝青技術在國內外近幾年才出現(xiàn)，只是嘗試著進行了少量混合料性能試驗，國內也僅有少量的預探索研究。由于該技術克服了傳統(tǒng)再生技術的不足，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，一經(jīng)出現(xiàn)便引起業(yè)界的高度重視。然而，由于該項技術發(fā)展時間尚短，缺乏必要的技術儲備，急需開展相關應用基礎性研究工作。結論瀝青發(fā)生老化后，其組分中的芳香分與飽和分含量降低，瀝青質與膠質含量升高；沒有發(fā)生官能團種類的變化，但某些官能團的含量發(fā)生改變，尤其是亞砜基官能團的含量明顯增加；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瀝青進行再生后，瀝青中原本發(fā)生含量改變的亞砜基）官能團含量并未發(fā)生變化，反而使醛、酮、酸的羰基官能團含量增多，說明植物油再生劑的添加未能完全實現(xiàn)瀝青官能團結構層面上的恢復。當對瀝青進行再生時，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瀝青的組分組成，提高芳香分與飽和分含量，降低瀝青質與膠質含量；在同樣能夠恢復瀝青物理性能的前提下，植物油再生劑與礦物油再生劑對瀝青低溫性能的均有很好的改善作用，同時植物油再生劑的使用量遠遠低于RPO再生劑。在對老化瀝青混合料進行再生時，通過計算擬定了植物油再生劑與RPO 再生劑的摻量，結果是，當對同種老化瀝青混合料進行再生時，所需植物油再生劑的摻量遠遠低于RPO劑，考慮到植物油再生劑廣泛的來源、低廉的成本，植物油再生技術必將帶來巨大的社會經(jīng)濟效益和應用推廣價值。參考文獻：1 徐世法,徐立庭,鄭偉,王曉曉. 熱再生瀝青混合料新技術及其發(fā)展展望J. 筑路機械與施工機械化,2013,6: 38-43 2 陳默. 對地溝油情有獨鐘的亞洲人J.世界博覽,2013,20: 54-56 3 祝恩東,王國峰,張玉貞. 瀝青的再生與表征方法研究J. 石油瀝青,2011, 12(6): 1-6 4胡小芳，劉都數(shù)廢油的回收利用及其生物柴油生產有色冶金設計與研究，2007,28（）：1181205榕宸，田玉霞，韓少威廢油的危害防范及現(xiàn)狀中國油脂，2015（）：73756楊靜，朱毅，于新，等地溝油檢測技術及資源化利用研究進展中國食品學報，2013（）：1851907 WEST ，WILLIS J Improved mix design evaluation and materials management practices for hot mix asphalt with high reclaimed asphalt pavement content Washington D C: Transportation esearch Board，20138BANEJEE S S，JOSHI M V，JAYAAM V Treatmentof oil spill by sorption techniqu