蓖麻油生物瀝青/聚氨酯復合改性瀝青流變性能研究

摘要：為促進生物瀝青的推廣應用，改善單一生物瀝青路用性能較差的問題，文章對不同復配摻量的蓖麻油生物瀝青/聚氨酯復合改性瀝青的流變性能與抗老化性能進行了評價分析。結(jié)果表明：單一蓖麻油生物瀝青具有較好的低溫流變性能，而高溫流變性能與抗老化性能較差；蓖麻油生物瀝青與聚氨酯復合改性后能顯著提高石油瀝青高溫抗剪性能、低溫抗裂性能與抗老化性能，當摻入10%聚氨酯與15%蓖麻油生物瀝青時，可將石油瀝青的PG性能等級由PG64-12提高至PG82-18。

關(guān)鍵詞：蓖麻油生物瀝青；聚氨酯；粘彈性特征；低溫抗裂性能；抗老化性能

中文分類號：U416.03A310974

0引言

生物瀝青是一種非石油基深棕色結(jié)合料，主要由各種農(nóng)林業(yè)廢料中提煉得到。生物瀝青具有來源廣泛、儲量豐富、廢物利用、綠色環(huán)保等優(yōu)點，且與石油瀝青主要成分的元素組成相近，具備替代部分石油瀝青的可行性。但研究人員進一步研究生物瀝青后發(fā)現(xiàn)，摻入生物瀝青會導致石油瀝青發(fā)生一定程度的軟化，從而降低石油瀝青的高溫穩(wěn)定性，并且存在溫度敏感性較差、高溫條件下易老化等問題，使得生物瀝青單一改性瀝青無法滿足我國道路日益嚴苛的使用需求［1］。

聚氨酯預聚體（Polyurethane Prepolymer，簡稱PUP）是由聚酯多元醇或多異氰酸酯按一定比例合成的反應性低分子中間體，其端異氰酸酯基具有高活性，能與瀝青組分中各類含活潑氫的化合物發(fā)生反應，高溫條件下加入擴鏈劑后能與瀝青一同固化形成新型聚氨酯改性瀝青（Polyurethane Modified Bitumen，簡稱PUMB），可明顯提高石油瀝青高溫和低溫性能［2］。目前道路領域關(guān)于聚氨酯預聚體的研究與應用仍處于初期發(fā)展階段，相關(guān)研究主要集中在單一聚氨酯預聚體改性瀝青的流變性能與微觀特性等方面，對于生物瀝青-聚氨酯改性瀝青方面的研究相對較少，若能將生物瀝青與聚氨酯預聚體作為石油瀝青的復合改性劑，將可能改善單一生物瀝青路用性能較差的問題，促進生物瀝青在實際工程中的應用。本文基于低溫彎曲梁流變試驗、高溫動態(tài)剪切流變試驗與瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜老化試驗，研究不同復配摻量下的蓖麻油生物瀝青/聚氨酯復合改性瀝青的流變性能與抗老化性能，為生物瀝青的推廣提供參考。

1原材料

1.1石油瀝青

本文采用東海牌70#石油瀝青，其主要技術(shù)指標如表1所示。

1.2生物瀝青

本文采用由蓖麻油生產(chǎn)過程中的廢棄物提煉得到的蓖麻油生物瀝青，其主要技術(shù)指標如表2所示。

1.3聚氨酯

本文采用的聚醚型熱固性聚氨酯預聚體的主要技術(shù)指標如表3所示。

2生物瀝青/聚氨酯復合改性瀝青的制備

將一定質(zhì)量的東海牌70#石油瀝青加熱至熔融后，摻入石油瀝青質(zhì)量分數(shù)分別為15%、25%的蓖麻油生物瀝青，采用高速剪切機以1 800 r/min轉(zhuǎn)速剪切45 min（溫度控制在150 ℃±5 ℃），然后加入預定比例的聚醚型熱固性聚氨酯預聚體與擴鏈劑，采用高速剪切機繼續(xù)以3 500 r/min剪切60 min（溫度控制在150 ℃±5 ℃），再將其放入120 ℃的恒溫烘箱內(nèi)溶脹發(fā)育100 min，即制備得到不同復配摻量的生物瀝青/聚氨酯復合改性瀝青［3］。

3生物瀝青/聚氨酯復合改性瀝青流變性能

3.1高溫流變性能

本文基于動態(tài)剪切流變儀DSR的單點溫度掃描試驗，測試生物瀝青/聚氨酯復合改性瀝青試件粘彈性區(qū)間內(nèi)的復數(shù)剪切模量（G*）與相位角（δ），以評價復合改性瀝青的高溫流變性能與粘彈性特征。掃描頻率采用10 rad/s，應變控制水平為12%，試驗溫度為70 ℃～88 ℃（每6 ℃為一個試驗水平），測試結(jié)果如圖1、圖2與表5所示。

由圖1、圖2與表5可知：

在同一單點掃描溫度條件下，不同蓖麻油生物瀝青摻量的改性瀝青相位角均大于石油瀝青，蓖麻油生物瀝青摻量越大，改性瀝青的相位角越大。摻入聚氨酯進行復合改性后，瀝青試樣的相位角顯著降低，并且聚氨酯摻量越大，相位角降幅越大。相位角指標主要反映瀝青材料的粘彈性特征，其值越大，則瀝青的黏性特征越強。測試數(shù)據(jù)表明，摻入生物瀝青使石油瀝青的彈性特征減弱、黏性特征增強，使瀝青在荷載作用下更容易產(chǎn)生不可恢復的塑性變形；摻入聚氨酯后能明顯改善生物瀝青彈性特征，提高瀝青在高溫環(huán)境下抵抗剪切變形的性能。

生物瀝青/聚氨酯復合改性瀝青中的蓖麻油生物瀝青摻量越大，同等單點掃描溫度條件下的抗車轍因子G*/sinδ越小，而聚氨酯摻量越大則抗車轍因子G*/sinδ越大。G*/sinδ主要反映瀝青材料抵抗剪切變形能力，其值越大則瀝青高溫抗車轍能力越強。測試數(shù)據(jù)表明，單一蓖麻油生物瀝青對石油瀝青的高溫抗車轍性能存在負面作用，而與聚氨酯預聚體復配后能有效改善石油瀝青的抗車轍性能。這可能是由于聚氨酯預聚體中的異氰酸酯與石油瀝青中的芳香族化合物反應后生成交聯(lián)的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而生物瀝青中的芳香族化合物可能促進此反應生成更多的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，宏觀性能上表現(xiàn)為生物瀝青/聚氨酯復合改性瀝青的彈性特征增強、黏度增大、高溫流變性能顯著提高。

3.2低溫流變性能

為評價生物瀝青/聚氨酯復合改性瀝青低溫流變性能，基于低溫彎曲梁流變儀BBR測試復合改性瀝青試件的蠕變勁度（S）與蠕變速率（m）。試驗溫度為-12 ℃～-24 ℃（每6 ℃為一個試驗水平），測試結(jié)果如表6和圖3所示。

由表6和圖3可知，石油瀝青中摻入蓖麻油生物瀝青與聚氨酯預聚體后，改性瀝青試樣同等溫度條件下的蠕變勁度明顯降低、蠕變速率明顯提高，且生物瀝青與聚氨酯預聚體摻量越大，蠕變勁度越小、蠕變速率越大。蠕變勁度與蠕變速率分別反映瀝青材料的低溫柔韌變形性能與低溫應力松弛性能，蠕變勁度越小、蠕變速率越大則瀝青在低溫條件下柔韌變形能力越好，相應收縮形變的速率越快，積累溫度應力的可能性越小。測試數(shù)據(jù)表明，蓖麻油生物瀝青與聚氨酯預聚體均能改善石油瀝青的低溫流變性能，使石油瀝青在低溫條件下具備良好的柔韌變形與抗裂性能。這可能是由于聚氨酯預聚體中的-NCO與石油瀝青中羥基活性氫原子發(fā)生反應，改善石油瀝青中膠質(zhì)組分結(jié)構(gòu)，同時蓖麻油生物瀝青中輕質(zhì)組分的加入進一步提高了石油瀝青的柔韌變形性能，從而顯著增強瀝青的低溫抗裂性能。

3.3PG性能等級

為明確不同生物瀝青/聚氨酯摻量下的復合改性瀝青路用性能水平，基于表5與表6中DSR與BBR的試驗結(jié)果，根據(jù)SHRP瀝青PG分級標準，將生物瀝青/聚氨酯復合改性瀝青的PG等級匯總?cè)缦马摫?所示。

根據(jù)表7可知，摻入生物瀝青/聚氨酯能有效提高石油瀝青的高、低溫PG性能等級，對于我國北方氣候寒冷地區(qū)，可適當提高生物瀝青摻量；對于我國南方氣候炎熱地區(qū)，可適當提高聚氨酯摻量。綜合考慮高低、溫流變性能與我國實際工程瀝青路用性能使用需求，生物瀝青/聚氨酯復合改性瀝青推薦摻量為10.0%聚氨酯+15%生物瀝青。

4生物瀝青/聚氨酯復合改性瀝青抗老化性能

為揭示生物瀝青/聚氨酯摻量對石油瀝青老化特性的影響規(guī)律，基于表5中生物瀝青/聚氨酯復合改性瀝青老化前后的抗車轍因子G*/sinδ測試數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）采用流變老化指數(shù)（Rheological Aging Index，簡稱RAI）評價復合改性瀝青的老化特性，計算結(jié)果如表8與圖4所示［4］。

hRAI=（（G*/sinδ）aged-（G*/sinδ）unaged）/（G*/sinδ）unaged（1）

式中：hRAI——流變老化指數(shù)；

（G*/sinδ）unaged——老化前瀝青抗車轍因子（kPa）；

（G*/sinδ）aged——老化后瀝青抗車轍因子（kPa）。

由圖4與表8可知，不同蓖麻油生物瀝青摻量下的改性瀝青流變老化指數(shù)均大于石油瀝青。而加入聚氨酯預聚體后，復合改性瀝青的流變老化指數(shù)發(fā)生顯著降低。流變老化指數(shù)反映了瀝青老化前后性質(zhì)的變化幅度，流變老化指數(shù)越小則瀝青抗老化性能越好。根據(jù)計算結(jié)果可知，蓖麻油生物瀝青對石油瀝青的抗老化性能存在一定負面影響，這可能是因為生物瀝青中輕質(zhì)組分含量較高，促進了熱氧作用下石油瀝青輕質(zhì)組分的降解程度，加速了石油瀝青的熱氧老化進程。摻入聚氨酯預聚體能夠明顯提高改性瀝青的抗老化性能，這可能是因為聚氨酯預聚體消耗了一部分瀝青的端羥基等活性基團，減少了瀝青老化降解的反應靶點，且生成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)一定程度上減緩了輕質(zhì)組分的揮發(fā)，從而抑制了瀝青的老化程度，提高了瀝青抗老化特性。

5結(jié)語

（1）單一蓖麻油生物瀝青對石油瀝青的高溫抗車轍性能存在負面作用，使瀝青在荷載作用下更容易產(chǎn)生不可恢復的塑性變形，而與聚氨酯預聚體復配后能有效改善石油瀝青的彈性特征，提高瀝青在高溫環(huán)境下抵抗剪切變形的性能。

（2）蓖麻油生物瀝青與聚氨酯預聚體均能改善石油瀝青的低溫流變性能，使石油瀝青在低溫條件下具備良好的柔韌變形與應力松弛性能，從而顯著增強瀝青的低溫抗裂性能。

（3）蓖麻油生物瀝青對石油瀝青的抗老化性能存在一定負面影響，摻入聚氨酯預聚體能夠在一定程度上抑制瀝青的老化進程，從而提高瀝青的抗老化特性。

（4）綜合考慮高、低溫流變性能與我國實際工程瀝青路用性能使用需求，生物瀝青/聚氨酯復合改性瀝青推薦摻量為10.0%聚氨酯+15%生物瀝青。

參考文獻：

［1］劉亞豪，王源升，楊雪，等.自修復聚氨酯材料的研究進展［J］.材料導報，2024，38（1）：253-262.

［2］張增平，彭江，朱永彪，等.聚氨酯改性瀝青的制備及流變性能研究［J］.聚氨酯工業(yè)，2020，35（5）：15-17.

［3］姚漢敏，陸江銀.SBS/橡膠粉復合改性混合植物瀝青的制備及其性能研究［J/OL］.化工新型材料，2024-01-18：1-14.

［4］洪斌，王建翎，李添帥，等.再生路面用聚氨酯改性瀝青改性機理與路用性能［J］.中國公路學報，2023，36（12）：275-288.

作者簡介：蒙治光（1992—），工程師，主要從事公路勘察設計工作。