掺入废弃食用植物油的再生沥青物理特性分析

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论文摘要

  废食用油是指烹饪与食品加工中产生的废弃油脂,包括煎炸废油、餐饮废油和地沟油。我国废食用油已成为环境污染物,并冲击食品安全。据报道[1],我国每年返回餐桌的地沟油约有200~300万t,而食用油的年消耗量约2 500万t,由此估算餐桌上使用的油大约10%是地沟油。目前废食用油主要有2种资源化利用方式[2-6]:(1)水解提取脂肪酸制取下游产品,如肥皂、甘油等,缺点是利用量太少,产生二次污染;(2)醇解制备生物柴油,是一个比较好的方向,但存在催化剂不易回收、高能耗、易发生副反应、成本高等缺点。寻找一种消纳量大、工艺简单且无污染的废食用油再利用方法是急需解决的问题。
  废食用油中含有大量不饱和脂肪酸,类似于沥青中的油分,而沥青老化后其油分会减少。根据沥青再生理论与相关研究[7-10],在老化沥青中加入低黏度油分或者加入适当黏度的新沥青进行调配,可使其再生、达到路用性能要求。关于废食用油用于沥青再生的研究,国内尚未开展,但有相关专利中提到采用植物油来再生或软化沥青[11],国外近年来有少量报道[12-14].可见,废食用油能够用于老化沥青再生。废食用油用于老化沥青再生有望通过以废治废的方式,实现废食用油与废旧沥青材料的同时利用。只有充分地认识废食用油对老化沥青各项性能指标的影响,才能合理地选择使用、充分地发挥其再生效果。
  本研究选取了SBS改性沥青、AH-50、AH-70三种沥青进行室内加速老化,然后分别掺加3.0%~7.0%的废食用油,通过测定针入度、软化点、延度和黏度,研究废食用油的掺量对不同老化沥青常规物理性能的影响规律,并探讨废食用油用于沥青再生的可行性。

  1、实验部分

  1.1实验原料
  沥青:SBS改性沥青、AH-50、AH-70,其基本物理性能指标见表1.
  废食用油:25℃密 度0.896g/cm3,20℃黏度0.05Pa·s.表 1: 原样沥青基本物理性能指标  1.2老化沥青制备
  将SBS改性沥青、AH-50、AH-70三种沥青进行室内压力老化,老化过程按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T0630-2011)中所规定的相关方法进行,以此来制得三种老化沥青。
  1.3再生沥青制备
  将三种老化沥青分别掺加3.0%~7.0%废食用油,并在130℃下,高速(4 000r·min-1)剪切10min,以此来制得再生沥青。
  1.4物理性能测试
  沥青的软化点、5℃延度、25℃针入度和135℃黏度分别按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(T 0606-2011,T 0605-2011,T 0604-2011,T 0625-2011)中所规定的相关方法进行测试。

  2、结果与讨论

  2.1针入度
  针入度是沥青的主要质量指标之一,可以表示沥青软硬程度和稠度、抵抗剪切破坏的能力,反映在一定条件下沥青的相对黏度。图1给出了废食用油不同掺量对不同老化沥青针入度的影响。由图1可见:在废食用油掺 量 为3.0% ~7.0%的 范 围 内,AH-70、SBS改性与AH-50三种再生沥青25℃针入度值均随着废食用油掺量的增大而增大,但增大的幅度因沥青类型的不同而有差异,以AH-70的效果最为明显,SBS改性沥青次之,AH-50相对较差。
  这说明废食用油的掺入会使得老化沥青的稠度减小、黏度降低,但为了保证再生沥青与集料的黏附性能,则不希望再生沥青的稠度过于减小,即废食用油存在一个最佳掺量。
  2.2软化点
  沥青软化点反映了沥青的黏度,也反映了沥青的温度敏感性。沥青软化点越高,黏度越大,温度稳定性越好,也就是热稳定性好。图2给出了废食用油掺量对不同老化沥青软化点的影响。从图2可见:在 废食用油掺 量 为3.0% ~7.0%的 范 围 内,AH-70、SBS改性与AH-50三种再生沥青软化点值均随着废食用油掺量的增大而减小,但减小的幅度因沥青类型的不同也有差异,以SBS改性沥青的效果最为明显,AH-70次之,AH-50相对较差。其中,SBS老化沥青和AH-50老化沥青软化点随废食用油掺量的增加,先迅速降低后缓慢降低;AH-70老化沥青软化点随废食用油掺量的增加,降低速率逐渐增加。这说明废食用油的掺入会使得老化沥青的温度稳定性降低,因此废食用油的掺入量不能过高,且对SBS再生沥青的影响更为显着。图 2:废食用油掺量对不同老化沥青软化点的影响  2.3黏度
  黏度是表征沥青在外力作用下抵抗剪切变形的能力。沥青混凝土路面是以沥青作为胶结料,将松散的砂石材料黏结起来形成具有一定抗剪能力和抗压强度的结构物,因此沥青的黏结性能是非常重要的。黏度反映了沥青抵抗流动的能力,黏度越大,沥青混凝土路面抵抗车辙的能力越强,沥青黏度与沥青混合料的动稳定度基本上成正比关系。因此黏度是评价沥青高温性能的重要指标。图3给出了废食用油掺量对不同老化沥青黏度的影响。
  从图3可见:在废食用油掺量为3.0%~7.0%的范围内,AH-70、SBS改性与AH-50三种再生沥青黏度值均随着废食用油掺量的增大而减小,且对SBS老化沥青的效果最为明显,AH-50次之,AH-70相对较差。因此,废食用油的掺入对SBS老化沥青的降黏效果相对明显些,而对基质沥青则相对较差,该规律与对软化点的影响规律有些类似。这说明废食用油的掺入过多会使得老化沥青的抗车辙能力变差,为了保证再生沥青与集料的黏附性能,则不希望再生沥青的黏度过于减小,因此废食用油的掺入量不能过高。
  2.4延度
  延度可以衡量沥青在外力作用下发生拉伸变形而不破坏的能力,延度反映了沥青的柔韧性,柔韧性越好,延度就越大,低温抗裂性能越好。图4给出了废食用油掺量对不同老化沥青延度的影响。从图4中可见:在废食用油掺量为3.0%~7.0%的范围内,AH-70、SBS改性与AH-50三种再生沥青延度值均随着废食用油掺量的增大而增大,但增大的幅度随沥青类型的不同而有差异,以AH-70的效果最为明显,AH-50次之,SBS改性沥青相对较差。其中,SBS老化沥青延度随废食用油掺量的增加呈线性增加;AH-70老化沥青和AH-50老化沥青延度随废食用油掺量的增加,先迅速增加接着缓慢增加然后逐渐加快。这说明废食用油的掺入会使得老化沥青的柔韧性变好,低温抗裂性能变好,且对基质沥青的效果相对明显。图 4  废食用油掺量对不同老化沥青延度的影响  2.5针入度指数
  针入度指数PI是用以描述沥青的温度敏感性的指标,PI增加,沥青的弹性和触变性增加。图5给出了废食用油掺量对不同老化沥青PI的影响从图5可见:在废食用油掺量为3.0%~7.0%的范围内,AH-70、SBS改性与AH-50三种再生沥青PI值均随着废食用油掺量的增大而增大,但增大的幅度随沥青类型的不同而有差异,以SBS改性沥青的效果最为明显,AH-70次之,AH-50相对较差。其中,AH-70老化沥青随废食用油掺量的增加,PI先缓慢增加后逐渐加快;SBS老化沥青和AH-50老化沥青随废食用油掺量的增加,PI先迅速增加接着缓慢增加然后逐渐加快。这说明当掺入足够多的废食用油时能改变沥青的胶体结构,增加沥青的弹性和触变性。
  针入度指数也可用来表示沥青的胶体类型,PI<-2为溶胶型结构;PI=+2~ -2为溶胶凝胶型;PI>+2为凝胶型结构。从图5中分析可知,AH-70老化沥青和AH-50老化沥青的胶体类型为溶胶凝胶型,而SBS老化沥青的胶体类型为凝胶型;废食用油掺量为3.0%~7.0%时,三种再生沥青的胶体类型并未改变,AH-70再生沥青和AH-50再生沥青的胶体类型一直为溶胶凝胶型;而SBS再生沥青的胶体类型一直为凝胶型,但均能满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中PI>0的要求。
  2.6最佳废食用油掺量的确定
  对三种再生沥青的各物理性能指标(针入度PI、软化点T、黏度η、延度L)与废食用油掺量x进行回归分析,结果如表2所示。以再生沥青的各物理指标分别恢复到原样沥青为参考,根据回归方程规划求解废食用油的最佳理论掺量,即求一个掺量使各物理指标与原样沥青各物理指标的平均误差最小。由表2分析可知,废食用油对不同老化沥青各物理性能指标改善效果存在差异,其中,废食用油对老化沥青针入度的改善效果好,基本恢复到原样沥青水平;废食用油对老化沥青软化点、黏度和针入度指数的改善效果良好,基本满足路用要求;废食用油对老化沥青低温延度较大的沥青(AH-70和SBS改性沥青)的改善效果较差,虽说能勉强满足路用要求,但有待进一步改善。
  由表2可知三种再生沥青的最佳理论掺量,结合再生剂技术要求、经济性原则和图1~图4分析可知,AH-70老化沥青掺加6.0%的废食用油后,针入度、软 化 点、黏 度 分 别 达 到 原 样 沥 青 的107%、102%、116%,而延度只有原样沥青的73%,但也能满足路用要求,则6.0%废食用油可视为此老化条件下AH-70再生沥青的最佳掺量。其次,AH-50老化沥青掺加5.0%的废食用油后,针入度、软化点、黏度、延度分别达到原样沥青的97%、105%、130%、118%,能满足路用要求,则5.0%废食用油可视为此老化条件下AH-50再生沥青的最佳掺量。另外,SBS老化沥青掺加4.0%的废食用油后,针入度、软化点、黏度分别达到原样沥青的95%、93%、110%,延度达到原样沥青的34%,但也能满足路用要求,则4.0%废食用油可视为此老化条件下SBS再生沥青的最佳掺量,但其延度有待进一步提高。废弃植物油用于减缓沥青老化和沥青再生的可行性研究
  3、结语

  (1)SBS改性沥青、AH-50、AH-70三种老化沥青针入度和延度随废食用油掺加量的增加而增加;而软化点和黏度随废食用油掺加量的增加而减少。在4.0%,5.0%,6.0%的掺量下,废食用油分别能使SBS改性沥青、AH-50、AH-70对应的三种老化沥青的常规物理指标基本恢复到原样沥青的水平。
  (2)废食用油对老化沥青不同物理性能指标的改善效果存在差异,其中,废食用油对针入度的改善效果好,相同掺量下能相对容易地恢复到原样沥青水平;废食用油对软化点、黏度和针入度指数的改善效果良好,基本能满足路用要求;废食用油对低温延度较大的沥青(AH-70和SBS改性沥青)的改善效果较差,虽能满足路用要求,但有待进一步改善。
  (3)废食用油对不同老化沥青同一物理性能指标的改善效果也存在差异,其中,废食用油对三种老化沥青软化点、延度和针入度指数的降低(或增加)效果 依 次 为:SBS老 化 沥 青、AH-70老 化 沥 青 和AH-50老化沥青;废食用油对三种老化沥青针入度的增加效果依次为:AH-70老化沥青、SBS老化沥青和AH-50老化沥青;废食用油对三种老化沥青黏度的降低效果依次为:SBS再生沥青、AH-50再生沥青和AH-70再生沥青。
  综上所述,废食用油用于老化沥青再生是可行的,但有待深入研究。

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