改性生物瀝青耐老化性能研究

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(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

如今我國(guó)公路事業(yè)正在飛速發(fā)展，公路里程總數(shù)達(dá)到446.39萬(wàn)km，高速公路里程也已超過(guò)11萬(wàn)km[1]。高等級(jí)公路的建設(shè)和翻修以及低等級(jí)公路的改擴(kuò)建工程是現(xiàn)在公路建設(shè)的主要任務(wù)。環(huán)顧世界各國(guó)，大部分國(guó)家都在積極建設(shè)本國(guó)公路，雖然發(fā)達(dá)國(guó)家公路基本完善，但隨著公路使用年限的增加，也避免不了進(jìn)行翻修工程。在高等級(jí)公路修筑翻修工程中，我國(guó)和其他國(guó)家均普遍采用瀝青混凝土這種路面形式。而鋪筑路面的瀝青大多為石油瀝青，石油瀝青作為石油加工后的副產(chǎn)品，同受石油資源這一不可再生資源產(chǎn)量的影響。為了減少石油瀝青用量，各國(guó)公路學(xué)者都在積極尋找和研究石油瀝青的替代品。

生物油是一種可再生且對(duì)環(huán)境無(wú)害的生物資源，它來(lái)源廣泛，可用植物秸稈、動(dòng)物糞便通過(guò)快速裂解技術(shù)制得生物油，生產(chǎn)成本便宜，可再生，可降解[2-4]，并與石油瀝青性質(zhì)較為相似，因此，可以將生物油按一定比例摻入到基質(zhì)瀝青中，通過(guò)混合制備成生物瀝青[5-7]。這樣的方式生物油可以替代一部分石油瀝青，從而達(dá)到減少瀝青使用量的目的。

瀝青的老化可分為兩種： 一種是在瀝青混合料拌合、運(yùn)輸及攤鋪碾壓過(guò)程中發(fā)生的短期老化；另一種是公路使用過(guò)程中瀝青路面經(jīng)受野外環(huán)境的熱、氧、光、水而發(fā)生的長(zhǎng)期老化[8]。瀝青的耐老化性能可直接影響瀝青路面的使用壽命，因此有必要對(duì)瀝青的耐老化性能進(jìn)行深入研究。生物油的摻入也會(huì)影響到石油瀝青的耐老化性能，所以本文選取實(shí)際工程中最常應(yīng)用的SBS、SBR以及膠粉三種改性劑來(lái)對(duì)生物瀝青進(jìn)行改性，通過(guò)變換生物油摻量，運(yùn)用RTFOT試驗(yàn)來(lái)研究這3種改性生物瀝青的耐老化性能。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

a.基質(zhì)瀝青。

本文選用的基質(zhì)瀝青為北方公路建設(shè)常用的90#A級(jí)道路石油瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical specifications of base asphalt指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果規(guī)范要求針入度(25 ℃,5 s,100 g)/(0.1 mm)83.7 80～100針入度指數(shù)PI-0.63-1.5～1.0軟化點(diǎn)(環(huán)球法)/℃47.1 ≮45延度(15 ℃)/cm>100≮100

b.生物油。

本文所采用的生物油來(lái)源于國(guó)內(nèi)某生物科技有限公司，該生物油以木屑為原料加工制成，常溫下為固體，顏色呈黑色，與石油瀝青相比，顏色略淡。

c.改性劑。

本文選用的三種改性劑分別為SBS、SBR和廢舊橡膠粉，其中SBS和SBR來(lái)自國(guó)內(nèi)某橡膠制品公司，廢舊橡膠粉是通過(guò)報(bào)廢輪胎加工磨細(xì)制成的，本文所選用的橡膠粉為道路工程中常用的40目橡膠粉。

1.2 改性生物瀝青的制備

a.改性劑摻量的選擇。

為研究不同生物瀝青摻量對(duì)改性生物瀝青老化性能的影響，需選擇合適摻量的改性劑，以保證改性生物瀝青的各方面性能。

本研究在對(duì)SBS改性生物瀝青進(jìn)行制備時(shí)，所選用的SBS摻量為5%。在大多數(shù)研究及實(shí)際工程當(dāng)中，SBS摻量為3%～5%，因有生物油的存在，為了保證改性生物瀝青的性能，所以將SBS的摻量定為5%。

本研究在制備膠粉改性生物瀝青時(shí)，膠粉的摻量為18%。根據(jù)文獻(xiàn)[9]，制備橡膠瀝青時(shí)，當(dāng)膠粉摻量超過(guò)18%后，橡膠瀝青的軟化點(diǎn)等指標(biāo)已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定而不再發(fā)生較大變化，因此本研究在制備膠粉改性生物瀝青時(shí)將膠粉摻量定為18%。

本研究在制備SBR改性生物瀝青時(shí)，所選用的SBR摻量為4%。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，制備SBR改性瀝青時(shí)，當(dāng)SBR摻量在3%～4%時(shí)，改性效果最好，因此本研究在制備SBR改性生物瀝青時(shí)，選用的改性劑摻量為4%。

b.改性瀝青的制備工藝。

① SBS改性生物瀝青的制備。

為降低生物油在制備改性生物瀝青過(guò)程中的老化程度，決定采用先加入SBS再加入生物油的制備工藝。具體制備工藝為:先將SBS加入到基質(zhì)瀝青中，通過(guò)普通攪拌設(shè)備在160 ℃的條件下攪拌20 min，使SBS在瀝青中充分溶脹，然后再使用高速剪切設(shè)備在170 ℃的條件下剪切40 min[11]，最后將生物油加入其中用普通攪拌設(shè)備在130 ℃的條件下攪拌10 min[12-13]。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)改性瀝青在130 ℃時(shí)仍處于熔融狀態(tài),因此可以保證生物油能很好地?fù)饺氲礁男詾r青當(dāng)中；而當(dāng)試驗(yàn)溫度超過(guò)130 ℃后,發(fā)現(xiàn)攪拌過(guò)程中有少許煙霧產(chǎn)生,這可能是生物油發(fā)生老化導(dǎo)致；為了保證生物油的溶合效果且減少生物油老化,決定將生物油摻入改性瀝青的試驗(yàn)溫度確定為130 ℃。

② 膠粉改性生物瀝青的制備。

制備膠粉改性生物瀝青時(shí)仍采用先加入膠粉再加入生物油的改性順序，攪拌膠粉時(shí)采用普通攪拌設(shè)備進(jìn)行攪拌。本研究制備膠粉改性生物瀝青的具體工藝為，先將膠粉加入到基質(zhì)瀝青中，采用普通攪拌設(shè)備在180 ℃條件下攪拌45 min，然后加入生物油在130 ℃條件下攪拌10 min，膠粉改性生物瀝青制備完成。

③ SBR改性生物瀝青的制備。

本研究制備SBR改性生物瀝青的具體工藝為：先將SBR加入到基質(zhì)瀝青中攪拌均勻，然后用高速剪切設(shè)備在150 ℃條件下剪切50 min[14]，最后加入生物油在130 ℃條件下攪拌10 min，完成SBR改性生物瀝青的制備。

1.3 試驗(yàn)方法

本研究按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[15]中的相關(guān)要求進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)(RTFOT)來(lái)模擬不同改性生物瀝青的老化，該試驗(yàn)方法較薄膜加熱試驗(yàn)(TFOT)，具有試驗(yàn)時(shí)間短且試驗(yàn)結(jié)果精度高的優(yōu)點(diǎn)[16]，因此本研究選用旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)來(lái)模擬改性生物瀝青的老化。3種改性生物瀝青在老化前需進(jìn)行針入度、軟化和延度等性能測(cè)試，通過(guò)老化前對(duì)3種改性生物瀝青的3大指標(biāo)的測(cè)試發(fā)現(xiàn)：生物油摻量在10%～30%范圍內(nèi)時(shí)，膠粉改性生物瀝青在15 ℃的延度測(cè)試中，其延度值均小于10 cm，而SBR改性生物瀝青的15 ℃延度值均大于150 cm，5 ℃的延度測(cè)試發(fā)生脆斷，因此在老化試驗(yàn)后，對(duì)于膠粉改性生物瀝青和SBR改性生物瀝青僅測(cè)試針入度和軟化點(diǎn)兩項(xiàng)性能指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、表3、表4、圖1。

表2 生物油摻量對(duì)SBS改性生物瀝青老化前后性能指標(biāo)的影響Table 2 Effect of bio-oil content on the performance of SBS modified bio-asphalt before and after aging生物油摻量/%25 ℃針入度/0.1 mm軟化點(diǎn)/℃15 ℃延度/cm老化前老化后殘留針入度比/%老化前老化后軟化點(diǎn)增值/℃老化前老化后殘留延度比/%1058.335.160.270.274.13.9102.730.429.62059.732.354.164.469.95.596.227.128.2306228.546.062751388.423.226.2

表3 生物油摻量對(duì)膠粉改性生物瀝青老化前后性能指標(biāo)的影響Table 3 Effect of bio-oil content on the performance of rubber powder modified bio-asphalt before and after aging生物油摻量/%25 ℃針入度/0.1 mm軟化點(diǎn)/℃老化前老化后殘留針入度比/%老化前老化后軟化點(diǎn)增值/℃1051.337.272.560.763.52.82052.53668.660.164.74.63056.430.453.959.665.35.7

表4 生物油摻量對(duì)SBR改性生物瀝青老化前后性能指標(biāo)的影響Table 4 Effect of bio-oil content on the performance of SBR modified bio-asphalt before and after aging生物油摻量/%25 ℃針入度/0.1 mm軟化點(diǎn)/℃老化前老化后殘留針入度比/%老化前老化后軟化點(diǎn)增值/℃1081.744.754.750.156.36.22096.257.159.448.9545.130102.249.248.145.656.410.8

圖1 不同改性生物瀝青的殘留針入度比對(duì)比Figure 1 Comparison of residual penetration ratio of different modified bio-asphalt

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了評(píng)價(jià)老化對(duì)3種改性生物瀝青性能產(chǎn)生的影響，本文選用殘留針入度比、軟化點(diǎn)增值及殘留延度比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于沒(méi)有測(cè)試SBR改性生物瀝青及膠粉改性生物瀝青老化后的延度值，因此本文以殘留針入度比及軟化點(diǎn)增值作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，以殘留延度比作為輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.2.1殘留針入度比

殘留針入度比定義為老化后瀝青針入度與原狀瀝青針入度的比值[17]，殘留針入度比反應(yīng)的是瀝青老化對(duì)針入度的影響，其值越大，影響越小，越有利，反之則不利[18]。

由表2、表3可以看出：SBS改性生物瀝青和膠粉改性生物瀝青的殘留針入度比都比較有規(guī)律性，兩者的殘留針入度比均隨著生物油摻量的增加而減小。當(dāng)生物油摻量從10%增加到20%時(shí)，SBS改性生物瀝青殘留針入度比減小了10.1%，膠粉改性生物瀝青減小了5.4%；當(dāng)生物油摻量從20%增加到30%時(shí)，SBS改性生物瀝青的殘留針入度比減小了15%，膠粉改性生物瀝青減小了21.4%。從數(shù)據(jù)分析可以看出，隨著生物油摻量的增加，SBS改性生物瀝青及膠粉改性生物瀝青的殘留針入度比減小幅度是逐漸增大的。說(shuō)明生物油的摻入對(duì)SBS改性生物瀝青及膠粉改性生物瀝青的耐老化性能是有影響的，且隨著生物油摻量的增加；對(duì)其影響程度也增大。

由表4可以看出，隨著生物油摻量的增加SBR改性生物瀝青的殘留針入度比呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而總體呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。通過(guò)總體趨勢(shì)，可以說(shuō)明老化對(duì)于SBR改性生物瀝青針入度的影響是逐漸增大的。為避免再出現(xiàn)這種波動(dòng)趨勢(shì)，今后如進(jìn)行SBR改性生物瀝青的其他性能研究應(yīng)適當(dāng)增加試驗(yàn)量。

由圖1可以看出：3種改性生物瀝青在同種生物油摻量下對(duì)比殘留針入度比，發(fā)現(xiàn)膠粉改性生物瀝青殘留針入度比最大，說(shuō)明膠粉改性生物瀝青老化后對(duì)針入度的影響最小。當(dāng)生物油摻量超過(guò)10%后，發(fā)現(xiàn)SBR改性生物瀝青的殘留針入度比要大于SBS改性生物瀝青，說(shuō)明當(dāng)生物油摻量大于10%后，SBR改性生物瀝青老化后對(duì)于針入度的影響要小于SBS改性生物瀝青。但不能說(shuō)明SBR改性生物瀝青耐老化性能好于SBS改性生物瀝青。

2.2.2軟化點(diǎn)增值

軟化點(diǎn)增值定義為老化后的瀝青軟化點(diǎn)與原狀瀝青軟化點(diǎn)的差值，軟化點(diǎn)增值是為了評(píng)價(jià)瀝青老化對(duì)其軟化點(diǎn)的影響，軟化點(diǎn)增值絕對(duì)值越大，影響也就越大，反之則越小。正值有利，反之不利[18]。

由表2和表3可以看出：SBS改性生物瀝青和膠粉改性生物瀝青的軟化點(diǎn)增值變化均隨著生物油摻量的增加而增加，其中SBS改性生物瀝青軟化點(diǎn)增值的增長(zhǎng)幅度也隨著生物油摻量的增加而增加；但是膠粉改性生物瀝青軟化點(diǎn)增值的增長(zhǎng)幅度卻是隨著生物油摻量的增加而減小了，這也可以看出由于膠粉的摻入減小了老化對(duì)于軟化點(diǎn)的影響。

由表4可以看出：SBR改性生物瀝青的軟化點(diǎn)增值是隨著生物油摻量的增加而呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，但總體趨勢(shì)仍是增大的。說(shuō)明隨著生物油摻量的增加，老化對(duì)于SBR改性生物瀝青軟化點(diǎn)的影響是逐漸增加的。

通過(guò)圖2可以看出：生物油摻量在10%～30%時(shí)，膠粉改性生物瀝青的軟化點(diǎn)增值始終是最小的，說(shuō)明了膠粉改性生物瀝青的耐老化性能好于其他兩種改性生物瀝青。當(dāng)生物油摻量超過(guò)10%時(shí)，可以看出SBR改性生物瀝青的軟化點(diǎn)增值要小于SBS改性生物瀝青，表明當(dāng)生物油摻量超過(guò)10%時(shí)，老化對(duì)SBR改性生物瀝青軟化點(diǎn)產(chǎn)生的影響要小于SBS改性生物瀝青。

圖2 不同改性生物瀝青的軟化點(diǎn)增值對(duì)比Figure 2 Comparison of softening point increment of different modified bio-asphalt

2.2.3殘留延度比

殘留延度比定義為老化后瀝青延度與原狀瀝青延度之比，它也是衡量瀝青老化程度的指標(biāo)，殘留延度比越大，老化對(duì)瀝青延度的影響越小，則有利，反之則不利[18]。

由表2可以看出:SBS改性生物瀝青的殘留延度比是隨著生物油摻量的增大而減小的。當(dāng)生物油摻量從10%增加到20%時(shí)，其殘留針入度比減小了4.7%；而生物油摻量由20%增加到30%時(shí)，其殘留延度比減小了7.1%，減小幅度增大，說(shuō)明影響程度逐漸加重。

3 結(jié)語(yǔ)

a.通過(guò)對(duì)SBS改性生物瀝青的殘留針入度比、軟化點(diǎn)增值及殘留延度比這3項(xiàng)指標(biāo)的分析可以得出結(jié)論：老化對(duì)其針入度和延度均產(chǎn)生了不利的影響，對(duì)其軟化點(diǎn)產(chǎn)生了有利的影響。當(dāng)生物油摻量超過(guò)20%時(shí)，SBS改性生物瀝青的3項(xiàng)指標(biāo)均出現(xiàn)了大幅度的變化，就耐老化性能而言，建議制備SBS改性生物瀝青時(shí)，生物油摻量要小于20%。

b.通過(guò)對(duì)膠粉改性生物瀝青的殘留針入度比及軟化點(diǎn)增值這兩項(xiàng)指標(biāo)的分析可以得出結(jié)論：老化對(duì)膠粉改性生物瀝青的針入度產(chǎn)生了不利影響，而對(duì)其軟化點(diǎn)產(chǎn)生了有利影響。當(dāng)生物油摻量超過(guò)20%時(shí)，膠粉改性生物瀝青殘留針入度比產(chǎn)生了大幅度的下降，而軟化點(diǎn)增值變化幅度減小，結(jié)合這兩項(xiàng)指標(biāo)，建議制備膠粉改性生物瀝青時(shí)，生物油摻量不要超過(guò)20%。

c.通過(guò)對(duì)SBR改性生物瀝青的殘留針入度比及軟化點(diǎn)增值這兩項(xiàng)指標(biāo)的分析可得出結(jié)論：雖然兩項(xiàng)指標(biāo)隨生物油摻量的增加出現(xiàn)了波動(dòng)，但是總體的變化趨勢(shì)與其他兩種改性生物瀝青相同，可以說(shuō)明，老化對(duì)SBR改性生物瀝青的針入度產(chǎn)生了不利影響，而對(duì)其軟化點(diǎn)產(chǎn)生了有利影響。

d.通過(guò)對(duì)相同生物油摻量下的不同改性生物瀝青的殘留針入度比及軟化點(diǎn)增值進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出結(jié)論：當(dāng)生物油摻量在10%～30%時(shí)，老化對(duì)膠粉改性生物瀝青產(chǎn)生的影響最小，因此膠粉改性生物瀝青的耐老化性能要好于其他兩種改性生物瀝青。當(dāng)生物油摻量超過(guò)10%時(shí)，老化對(duì)SBR改性生物瀝青產(chǎn)生的影響要小于SBS改性生物瀝青。由于試驗(yàn)數(shù)量有限，并不能判斷生物油摻量超過(guò)10%時(shí)，SBR改性生物瀝青的耐老化性能是否好于SBS改性生物瀝青。