生物結合料共混瀝青改性技術研究

何俊輝 趙艷納 應河洋 李平

摘要：為研究生物結合料共混瀝青改性性能，以研制出一種低價、高質的生物共混瀝青，文章采用三大指標常規(guī)試驗，對生物油、生物共混瀝青和SBS改性生物共混瀝青進行性能評價。結果表明：四種生物油單摻結果中生物油A綜合性能最優(yōu);15%生物油A摻量下生物共混瀝青性能最優(yōu)，滿足90號道路石油瀝青技術要求;優(yōu)選SBS改性生物共混瀝青最優(yōu)摻量為15%生物油A、3%SBS。

關鍵詞：生物油;共混;瀝青;SBS;改性研究

中圖分類號：U414文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.001

文章編號：1673-4874（2019）09-0001-05

O引言

截至2018年，我國高速公路總里程已達到14.26萬km，居世界首位。近年來由于瀝青路面行車舒適、降塵等優(yōu)點，投資建設瀝青路面公路成為大勢所趨，以至于瀝青的需求量日益增加。同時我國瀝青資源隨著基礎設施建設進程加快而逐漸匱乏，導致瀝青價格逐年遞增，大大增加公路投資建設費用。故為解決石油瀝青此類不可再生資源的匱乏問題，降低公路建設投資費用，越來越多的學者在急迫尋找一種可以代替石油瀝青的資源。

生物油（生物結合料）是一種從動植物中高溫蒸餾得來的產物，表觀特征與石油量極為相近。目前生物油生產成本約為2000-3000元/t，相比于重交石油瀝青每噸可節(jié)約1000～2000元，并且熱裂解后的生物油可采用簡單設備與石油瀝青溶合，制備成本低廉。近年來，諸多學者采用熱裂解工藝從生物質中提取生物結合料，Ningrum等從椰子殼中高溫熱解產出焦油作為生物結合料;Mills-Beale等采用熱裂解工藝，在380℃溫度和40MPa壓力下，提取豬糞中的生物油制備生物共混瀝青;Yang等采用熱裂解設備從密歇根木材中提煉生物結合料。本文中選用四種不同生物結合料，優(yōu)選不同摻配比例（5%、10%、15%和20%）制備成生物共混瀝青，并在此基礎上進行SBS改性，以制備得到經濟、性能優(yōu)良的改性生物共混瀝青。

1原材料及制備工藝

1.1生物油

本試驗研究選用生物油如下頁表1所示，其外觀見下頁圖1。

1.1.1玉米植物油

選用的生物油A產自長春大成集團，原料為玉米，屬于提取乙二醇和丙二醇的副產品，常溫下為固態(tài)，其質量檢驗報告如表2所示。

1.1.2 松木片植物油

選用的生物油B產自山東泰然集團，原料為松木片，該植物油常溫下呈粘稠狀，紅褐色，加熱后呈黑色，其檢驗指標報告如表3所示。

1.1.3地溝油

選用的生物油C產自河北隆海生物能源股份有限公司，原料為地溝油，經過酯化、脂交換反應，制得植物瀝青，其質量檢驗報告如表4所示.

1.1.4 植物油

選用的生物油D產自江西天沅環(huán)保股份有限公司，為制備植物脂肪酸產物，呈黑色粘稠狀液體，其酸值<45。

1.2 基質瀝青

本試驗選用殼牌70#基質瀝青，其具體性能指標如表5所示.

1.3 改性劑

本試驗SBS為線型1401，產自燕山石化有限公司，產品成乳白色，其具體性能如表6所示.

1.4 制備工藝

本試驗使用高速剪切機。其改性工藝在交通運輸部公路科學研究院何敏的研究基礎上進行調整。攪拌速率控制在4000r/min，將70#石油瀝青慢慢加入到生物油中順序攪拌，將生物油與基質瀝青完全混合，攪拌時的溫度控制在95℃-110℃范圍內，攪拌時間控制在30min左右，當基質瀝青與生物油攪拌均勻即可停止。將瀝青澆注試模，制備得到生物共混瀝青。

將生物共混瀝青在高溫下熔化，注意加熱溫度應在閃點以下。將改性劑放入已熔化的生物共混瀝青中，使用高速剪切機，攪拌速度控制在5000r/min，在160℃-170℃下攪拌20min，以保證改性劑溶脹發(fā)育完全;之后使用高速剪切機設備對改性瀝青進行剪切，剪切速度控制在4000r/min，剪切時間≥20h，溫度控制在160℃-170℃，改性劑剪切完全后再攪拌10min，保證改性劑均勻分散在瀝青中;攪拌完成后放入120℃烘箱中備用，制得改性生物共混瀝青。

2 生物結合料摻量對瀝青性能影響

本試驗將生物油A、B、C和D按上述制備工藝將一定摻量（5%、10%、15%、20%）摻入到70#基質瀝青中，進行三大指標性能研究，確定最佳生物共混瀝青摻量。

2.1生物油性能測試

本試驗將四種生物油進行三大指標試驗.試驗結果如表7所示。

由表7可知：

（1）生物油A與另三種生物油針入度差異較大，而生物油B、C和D針入度較為接近.生物油B針入度值遠大于生物油A，差距可達到40倍;生物油C與D針入度相比于生物油B差值在10（0.1mm）范圍內。這與四種生物油常溫下狀態(tài)相符合，即生物油A呈固態(tài)，而生物油B、C和D呈流動粘稠狀態(tài)。

（2）生物油A、C和D的軟化點無法測取，高溫性能較差，生物油B的高溫性能較之另三種生物油較好。無法測取生物油A、C和D的軟化點，這是因為這三種生物油在5℃水中冷卻時，其密度均小于水，生物結合料無法粘結。

（3）四種生物油的低溫性能均較差，15℃下測試延度值時均脆斷，這主要是由于生物油在低溫環(huán)境下低溫勁度大，容易產生脆斷。

2.2 生物共混瀝青性能測試

本試驗將生物油A、B、C和D按上述制備工藝將一定摻量（5%、10%、15%、20%）摻入到基質瀝青中，進行三大指標性能研究，確定最佳生物油摻量.試驗結果如表8所示。

由表8可知：

（1）隨著生物油摻量的增加，四種生物共混瀝青針入度值變化規(guī)律存在差異性，其中生物共混瀝青A與B針入度變化不明顯，而生物油C與D具有顯著增加的趨勢，如圖2所示。針入度值過大或過小均不能滿足路用要求，相比較于70#基質瀝青，較好的針入度范圍應在60-80（0.1mm）。四種生物油中，針入度優(yōu)選排序為：B>A>C>D。

（2）隨著生物油摻量的增加，四種生物共混瀝青呈現(xiàn)了三種不同變化規(guī)律，其中生物共混瀝青A軟化點呈現(xiàn)上升趨勢，生物共混瀝青B變化不明顯，而生物共混瀝青C.D顯著下降，如圖3所示。這表明生物油A能提高瀝青的高溫性能，而生物油B、C、D由0%-20%，軟化點分別下降了7.6%、27.4%、31.8%。四種生物油中，高溫性能由優(yōu)到劣排序為：A>B>C>D。

（3）隨著生物油摻量的增加，三種生物共混瀝青延度變化幅度并不統(tǒng)一，部分生物共混瀝青呈現(xiàn)緩慢下降趨勢（如A、C），而生物共混瀝青B下降趨勢較為明顯，從0%-5%摻量發(fā)生突變，如圖4所示。這表明生物油摻入，降低了瀝青的低溫性能.生物油由0%-20%，延度別下降了32.9%、72.5%、34.9%。由于生物共混瀝青D在各個摻量的15℃延度值均>150cm，其低溫性能在四種生物量中表現(xiàn)最為優(yōu)良。四種生物油中，低溫性能由優(yōu)到劣排序為：D>C>A>B。

3改性劑摻量對瀝青性能影響

上述研究表明，本文生物共混瀝青A與B的15℃延度值隨著生物油摻量的增加呈下降趨勢，其低溫性能較差。生物共混瀝青A的軟化點隨生物共混瀝青的摻加得以提高，生物油A能夠在某一程度上提高其高溫性能，且生物油A摻量在15%時，生物共混瀝青結合料針入度、軟化點與延度分別為：80.5（0.1mm）、54.5℃和83cm，滿足90#道路石油瀝青技術要求，故建議本文選擇15%生物油A作為生物共混瀝青物質。

由于低溫性能較差，需要選擇能改善低溫性能的改性劑。SBS對瀝青的各項性能均有改善，且為全世界范圍內應用最廣泛的高聚物改性劑，故本文中選擇SBS改性劑，以三大指標評價改性效果，以制備性能優(yōu)良的改性生物共混瀝青。

3.1針入度分析

針入度是表征瀝青材料稠度大小的重要指標，材料稠度越大，針入度值越小。本試驗選用SBS（2%、3%、4%）分別對70#基質瀝青與生物共混瀝青（15%）進行單一改性試驗，針入度試驗結果如表9所示。

由表9可知：

隨著SBS摻量的增加，基質瀝青與生物共混瀝青的針入度值均呈下降趨勢，生物共混瀝青變化先基本不變，過3%摻量后隨之減小，如圖5所示。表明了SBS的摻入使瀝青彈性變大，也有可能是由于標準針扎至SBS固體顆粒，導致針入度減小。

3.2軟化點分析

本試驗選用SBS摻量（2%、3%、4%）分別對70#基質瀝青與生物共混瀝青（15%）進行單一改性試驗，軟化點試驗結果如表10所示。

由表10可知：

隨著SBS摻量的增加，生物共混瀝青與基質瀝青軟化點均呈上升趨勢，但增加幅度差異明顯。當SBS摻量增加到3%時，基質瀝青軟化點增加了9.2℃，隨后基本不變;而隨著SBS摻量增加2%-4%，生物共混瀝青的軟化點呈線性增長，但只增幅了3.7%，如圖6所示。這說明了SBS改性劑能夠提高瀝青的高溫性能，但隨著摻量的增加，提高效果不明顯。生物共混瀝青軟化點增幅比基質瀝青要小，這主要是因為生物共混瀝青本身軟化點就很高，當摻入SBS后，軟化點值必會增大，且一般都超過生物共混瀝青的軟化點。

3.3延度分析

延度反映了瀝青在外力作用下發(fā)生拉伸變形而不被破壞的能力，其大小直接反映材料的低溫變形能力，延度越大，低溫變形能力越強。本試驗選用SBS摻量（2%、3%、4%）分別對70#基質瀝青與生物共混瀝青（15%）進行單一改性試驗，15℃延度試驗結果如表11所示。

由表11可知：

隨著SBS摻量的增加，生物共混瀝青與基質瀝青延度值都得到了提升.基質瀝青延度值先減后增，而生物共混瀝青延度值呈持續(xù)增加趨勢，如圖7所示。生物共混瀝青中摻加SBS后，有利于提高生物共混瀝青的低溫柔性，改善了生物瀝青低溫下硬脆的特性，這表明SBS改性劑可有效提高生物共混瀝青低溫性能。

4 結語

（1）四種生物油單摻入基質瀝青中時改性程度均存在差異，其中針入度優(yōu)選排序為：B>A>C>D;高溫性能由優(yōu)到劣排序為：A>B>C>D;低溫性能由優(yōu)到劣排序為：D>C>A>B。且生物油A可改善基質瀝青高溫性能，故綜合表現(xiàn)最優(yōu)為生物油A。

（2）隨著生物油A摻量的增加，生物共混瀝青的針入度增加，軟化點增加，延度降低，生物共混瀝青的高溫性能受到一定程度的影響，且高溫性能得到提高。且生物油A摻量在15%時，生物共混瀝青結合料三大指標為：80.5（0.1mm）、54.5℃和83cm，滿足90#道路石油瀝青技術要求，故建議生物油A摻量為15%。

（3）當SBS改性劑摻量為3%時，改性生物共混瀝青三大指標結果為：70.3（0.1mm）、54.8℃和43.4cm，其各項性能滿足70#道路石油瀝青技術要求，故優(yōu)選SBS改性生物共混瀝青最優(yōu)摻量為：15%生物油A，3%SBS。