生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青性能研究

謝文，秦仁杰，彭翔，李邦武

（1. 長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410014；2. 天津市交通科學(xué)研究院，天津 300000；3. 廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510000；4. 海南省交通工程建設(shè)局，海南 ?？?570100）

近些年來，中國的道路建設(shè)取得了長足的發(fā)展，不僅在總量和密度上有所增長，還在高速公路、橋梁隧道、路網(wǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和農(nóng)村公路通達(dá)深度等方面取得了顯著進(jìn)展。這些成就對(duì)于提高中國交通基礎(chǔ)設(shè)施水平和促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。但這些道路基本上都是石油瀝青路面，這些路面的后續(xù)維護(hù)將不可避免地需要消耗大量石油瀝青。石油瀝青是石油的副加工產(chǎn)品。作為一種不可再生且在地球上儲(chǔ)量有限的能源，石油可能在未來某個(gè)時(shí)間點(diǎn)耗盡。因此，亟須找到石油瀝青的替代品，以減少交通道路工程對(duì)石油資源的依賴［1］。生物瀝青是一種可由工、農(nóng)、林業(yè)等產(chǎn)業(yè)資源制備而來的新型環(huán)保材料［2］。與石油瀝青相比，生物瀝青具有來源廣泛、經(jīng)濟(jì)適用、低溫性能良好等優(yōu)點(diǎn)［3-4］，且其與石油瀝青相容性良好［5］。然而，生物瀝青高溫性能略差［6-7］，這個(gè)缺點(diǎn)會(huì)降低由其鋪設(shè)路面的高溫抗車轍性能［8］。因此，有必要通過使用添加劑對(duì)生物瀝青進(jìn)行改性，從而提升其高溫抗車轍性能等高溫性能［9］。聚氨酯是一種介于橡膠和塑料之間的兩相聚合物彈性體［10-11］，具有強(qiáng)度高、彈性好、抗拉強(qiáng)度高、耐磨、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)［12-14］，且聚氨酯與瀝青的親和性良好［15-16］，能與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)［17-18］。因此，聚氨酯被越來越多的研究選為各種瀝青的改性劑［19-20］，以增強(qiáng)瀝青的強(qiáng)度和高溫性能［21-23］。生物瀝青和聚氨酯的結(jié)合不僅能緩解石油資源逐漸枯竭的趨勢(shì)，還可降低道路建設(shè)和路面維護(hù)成本［24］，具有廣闊的應(yīng)用前景［25-26］。

本研究擬將生物瀝青與聚氨酯復(fù)合，制備28種不同摻量的復(fù)合改性瀝青試件，并開展瀝青針入度、軟化點(diǎn)、延度、高低溫流變?cè)囼?yàn)及微觀試驗(yàn)，對(duì)不同摻量的生物瀝青-聚氨酯的復(fù)合改性瀝青的低溫性能、高溫性能及微觀形貌進(jìn)行分析，尋找聚氨酯與生物瀝青的最佳摻量，為生物瀝青的利用與研究提供理論支持與借鑒。

1 試驗(yàn)材料

1.1 原材料性能指標(biāo)

本研究試驗(yàn)所選用的各項(xiàng)原材料有：

1） 石油瀝青：本試驗(yàn)石油瀝青采用中國石化揚(yáng)子石油化工有限公司生產(chǎn)的70#A 級(jí)瀝青，其性能指標(biāo)見表1。在表1 中，薄膜烤箱試驗(yàn)（thin film oven test， TFOT）是一種瀝青老化試驗(yàn)方法。 在TFOT 試驗(yàn)中，先將一定量的瀝青試件放入烤箱中，在163 ℃的高溫下加熱5 h，再進(jìn)行各項(xiàng)性能測(cè)試；

2） 生物瀝青：本試驗(yàn)所采用的生物瀝青為蓖麻油生物瀝青，蓖麻油生物瀝青來自生產(chǎn)蓖麻油過程中產(chǎn)生的廢棄物，這些廢棄物經(jīng)過加工，提取出來的膏狀物即為蓖麻油生物瀝青。與傳統(tǒng)的石油瀝青相比，蓖麻油生物瀝青對(duì)環(huán)境的影響更小一些，且其具有較強(qiáng)的黏結(jié)性與抗老化性能。本試驗(yàn)所用的蓖麻油生物瀝青的具體性能指標(biāo)見表2；

表2 蓖麻油生物瀝青性能指標(biāo)Table 2 Performance indicators of castor oil bio-bitumen

3） 聚氨酯：本試驗(yàn)聚氨酯采用硬度較大的C2090型號(hào)，其基本指標(biāo)見表3；

表3 聚氨酯C2090性能指標(biāo)Table 3 Polyurethane C2090 performance indicators

4） 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物（styrene butadiene styene triblock copolymer，SBS）：本試驗(yàn)SBS 采用巴陵石化公司生產(chǎn)的3501 線型SBS，其性能指標(biāo)見表4。

表4 SBS性能指標(biāo)Table 4 SBS performance indicators

1.2 試驗(yàn)配比設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)的對(duì)照組和試驗(yàn)組均含有摻量為5%的SBS，但對(duì)照組除5% SBS 外，未摻入其他物質(zhì)，試驗(yàn)組不僅含有摻量為5%的 SBS，還含有其他摻量的聚氨酯和生物瀝青。本研究僅對(duì)生物瀝青和聚氨酯的摻量進(jìn)行討論，其中，生物瀝青和聚氨酯均按瀝青質(zhì)量百分比取代石油瀝青。為研究本試驗(yàn)中生物瀝青摻量的最佳范圍，先在不摻加聚氨酯的情況下，在摻有5% SBS 的石油瀝青中，將生物瀝青摻量按照每次增加10%的比例，從10%遞增至100%，共進(jìn)行了10 組試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)生物瀝青摻量較高時(shí)，試件在常溫下會(huì)過于柔軟；當(dāng)生物瀝青質(zhì)量摻量降低至30%以下時(shí)，試件在室溫狀態(tài)下呈較為堅(jiān)硬的狀態(tài)。因此，本試驗(yàn)選取的生物瀝青摻量均小于30%。參考文獻(xiàn)［27］，較為適宜的聚氨酯摻量為0%～10%，這也是本次試驗(yàn)最終確定的聚氨酯摻量范圍。

經(jīng)過試驗(yàn)與對(duì)文獻(xiàn)［27］中的各物質(zhì)摻量進(jìn)行對(duì)比和分析，最終確定試驗(yàn)試件各物質(zhì)摻量范圍是 ：生物瀝青摻量分別為0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%，聚氨酯摻量分別為0%、4%、6%、8%。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表5。

1.3 復(fù)合改性瀝青的制備

采用高速剪切法進(jìn)行復(fù)合改性瀝青試件的制備。經(jīng)過多次試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)生物瀝青、SBS 和聚氨酯的最佳添加溫度、剪切速率及添加時(shí)間都略有區(qū)別［28］。因此，將材料的添加分為3 個(gè)階段進(jìn)行：

1） 先將石油瀝青按照計(jì)算好的質(zhì)量，倒入預(yù)先準(zhǔn)備好的小桶中，將小桶裹上保溫層，置于加熱板上；待桶中石油瀝青溫度上升至180 ℃時(shí)，再將稱好的SBS 以少量、多次的方式快速地?fù)饺胪爸校⒁? 500 r/ min 的轉(zhuǎn)速，高速剪切30 min，然后，對(duì)試件進(jìn)行降溫；

2） 當(dāng)試件溫度降低到160 ℃ 時(shí)，加入生物瀝青，將剪切速率降至1 500 r/ min，中速剪切30 min；

3） 加入聚氨酯，繼續(xù)以1 500 r/ min 的剪切速率，中速剪切60 min，剪切完成后取樣，將樣品置于160 ℃的烘箱中，保溫30 min 后，觀察試樣，確保該復(fù)合生物改性瀝青試件不存在變質(zhì)和離析的情況。

2 常規(guī)性能試驗(yàn)

本研究采用軟化點(diǎn)作為生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青高溫性能的指標(biāo)，該指標(biāo)具有操作簡便、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)；采用5 ℃時(shí)的瀝青延度［29］作為生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青試件的低溫性能的指標(biāo)。同時(shí)，對(duì)試件進(jìn)行針入度試驗(yàn)與旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)（rolling thin film oven test ，RTFOT），分析在不同聚氨酯摻量下的生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青試件的常規(guī)性能，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 生物瀝青/聚氨酯復(fù)合改性瀝青常規(guī)性能指標(biāo)Fig. 1 Conventional performance indicators of biological asphalt/polyurethane composite modified asphalt

2.1 針入度試驗(yàn)

瀝青稠度是瀝青的主要性能指標(biāo)之一，它可以反映瀝青的軟硬、稀稠程度，且與瀝青的針入度成反比。一般來說，瀝青稠度越大，其針入度越小、反之，稠度越小，其針入度也越大。從圖1（a）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物瀝青摻量提高時(shí)，試件的針入度在整體上呈增大的趨勢(shì)，且生物瀝青的摻量越高，試件的針入度增長速度越快，當(dāng)生物瀝青的摻量達(dá)到25%時(shí)，試件的針入度開始急劇增大。這表明生物瀝青的摻入對(duì)試件的稠度存在不利的影響，生物瀝青的摻量不宜超過25%。當(dāng)生物瀝青的摻量維持不變時(shí)，隨著聚氨酯的增加，復(fù)合改性瀝青試件的針入度總體上呈減小的趨勢(shì)，表明聚氨酯對(duì)試件的稠度的提升起著促進(jìn)的作用。

2.2 軟化點(diǎn)試驗(yàn)

從圖1（b）可以看出，隨著生物瀝青摻量的增加，試件的軟化點(diǎn)逐漸下降，且生物瀝青的摻量越高，試件的軟化點(diǎn)下降的速度會(huì)加快。這表明生物瀝青對(duì)改性瀝青的高溫性能存在不利的影響。本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物瀝青與聚氨酯兩者摻量的比例小于1.0∶0.3 時(shí)，生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的高溫性能改善效果較好。

2.3 延度試驗(yàn)

從圖1（c）可以看出，在聚氨酯摻量為0%（即不摻入聚氨酯）的條件下，當(dāng)生物瀝青的摻量為20%時(shí)，試件在溫度為5 ℃時(shí)的延度達(dá)到最大，之后，隨著生物瀝青摻量的增加，試件的延度呈逐漸下降的趨勢(shì)。這表明生物瀝青可以很好地提高生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的低溫性能，但其摻量不宜過大。隨著聚氨酯摻量從4%逐漸增加至8%，試件在溫度為5 ℃時(shí)的延度總體上有小幅度提升，表明聚氨酯能提高生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的低溫性能，但其對(duì)生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青低溫性能的提高程度不如生物瀝青的。在本次試驗(yàn)中，所有試驗(yàn)組在溫度為5 ℃時(shí)延度均大于對(duì)照組在溫度為5 ℃時(shí)的延度，表明生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的低溫性能均得到了不同程度的提高。

2.4 RTFOT老化試驗(yàn)

從圖1（d）可以看出，隨著生物瀝青摻量的增加，生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青試件的質(zhì)量在不斷地減少。這是因?yàn)樯餅r青含有很多在高溫下容易揮發(fā)的物質(zhì)。隨著時(shí)間的流逝，在溫度的作用下，這些物質(zhì)不斷地?fù)]發(fā)到空氣中，造成了試件質(zhì)量的減少。

從圖1（e）可以看出，隨著生物瀝青的加入，試件的殘留針入度呈先緩慢增加，后迅速減小的變化趨勢(shì)。這表明生物瀝青的加入對(duì)生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的抗老化性能有較好的提升作用，但其摻量不宜過大。當(dāng)生物瀝青摻量維持不變時(shí)，隨著聚氨酯摻量的增加，試件的殘留針入度比逐漸增大，表明聚氨酯的加入對(duì)生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的抗老化性能有促進(jìn)作用。

從圖1（f）可以看出，隨著生物瀝青摻量的增加，生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青試件的軟化點(diǎn)增量在不斷地增加。在相同的生物瀝青摻量下，不同聚氨酯摻量的生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的軟化點(diǎn)增量排序從大到小依次是：0%摻量聚氨酯的試件＞8%摻量聚氨酯的試件＞6%摻量聚氨酯的試件＞4%摻量聚氨酯的試件。這表明生物瀝青可以提高生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青試件的老化性能。

3 黏度與流變?cè)囼?yàn)

根據(jù)試件的常規(guī)性能試驗(yàn)結(jié)果，選取其中針入度和在溫度為5 ℃時(shí)的延度兩個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)較好的試件作為試驗(yàn)組，進(jìn)行黏度試驗(yàn)與流變?cè)囼?yàn)。試驗(yàn)組試件是聚氨酯摻量分別為4%、6%，生物瀝青摻量分別為5%、10%、15%、20%、25%的試件。

3.1 黏度試驗(yàn)

采用布氏黏度儀，對(duì)生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青試件的黏度進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量試驗(yàn)組試件分別在135、150和175 ℃下的動(dòng)力黏度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 各個(gè)溫度下不同配比復(fù)合改性瀝青運(yùn)動(dòng)黏度Fig. 2 Kinematic viscosity of composite modified asphalt with different mix ratios at diffenrent temperatures

從圖2可以看出，在135和150 ℃兩種溫度情況下，生物瀝青的摻量越高，生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青試件的動(dòng)力黏度越小。但當(dāng)溫度為175 ℃時(shí)，隨著生物瀝青的增加，生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青試件的動(dòng)力黏度呈先小幅下降，再略微上升的趨勢(shì)，但波動(dòng)幅度不大。在相同的生物瀝青摻量下，聚氨酯摻量越高，試件的動(dòng)力黏度越高。在本次試驗(yàn)中，所有試驗(yàn)組試件的動(dòng)力黏度均大于對(duì)照組試件的動(dòng)力黏度。當(dāng)溫度為135 ℃時(shí)，試驗(yàn)組和對(duì)照組試件的動(dòng)力黏度差值的絕對(duì)值最大，之后，隨著溫度的上升，試驗(yàn)組和對(duì)照組試件的動(dòng)力黏度差值的絕對(duì)值逐漸變小。這表明在較高的溫度下，生物瀝青和聚氨酯均可提升試件的動(dòng)力黏度，生物瀝青和聚氨酯的復(fù)摻提高了生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青在高溫時(shí)的抵抗剪切的性能，使其更難產(chǎn)生剪切變形。

3.2 高溫流變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（dynamic shear rheometer，DSR），對(duì)生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的試件進(jìn)行高溫流變?cè)囼?yàn)，以評(píng)價(jià)生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的高溫性能。當(dāng)試驗(yàn)開始時(shí)，將溫度設(shè)置為52 ℃。在溫度掃描過程中，如果發(fā)現(xiàn)車轍因子小于1.0 kPa，則馬上停止試驗(yàn)；否則，試驗(yàn)將繼續(xù)進(jìn)行。在試驗(yàn)中，將溫度設(shè)置為按6 ℃/ min 的速度進(jìn)行勻速升溫，將加載頻率ω設(shè)置為10 rad/ s，將應(yīng)變?chǔ)迷O(shè)置為12%。從試驗(yàn)開始，每隔1 min 對(duì)生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青試件的復(fù)數(shù)剪切模量、相位角、車轍因子進(jìn)行一次測(cè)量，并同時(shí)輸出檢測(cè)的數(shù)據(jù)，結(jié)果分別如圖3～5所示。

圖3 不同配比復(fù)合改性瀝青溫度掃描復(fù)數(shù)剪切模量Fig. 3 Complex shear modulus of temperature scanning of composite modified bitumen with different mix ratios

從圖3 可以看出，當(dāng)生物瀝青摻量分別為5%、10%時(shí)，無論聚氨酯摻量為多少，試件的復(fù)數(shù)剪切模量均大于對(duì)照組試件的復(fù)數(shù)剪切模量。當(dāng)生物瀝青摻量為15%，聚氨酯摻量為6%時(shí)，試件的復(fù)數(shù)剪切模量大于對(duì)照組試件的剪切模量。在相同的生物瀝青的摻量下，聚氨酯摻量為4%試件的復(fù)數(shù)剪切模量均小于聚氨酯摻量為6%試件的復(fù)數(shù)剪切模量。當(dāng)生物瀝青摻量分別為20%、25%時(shí)，在本試驗(yàn)任一聚氨酯摻量下的試件的復(fù)數(shù)剪切模量均小于對(duì)照組試件的復(fù)數(shù)剪切模量。這表明隨著生物瀝青取代石油瀝青摻量的增大，復(fù)合改性瀝青在高溫下受到反復(fù)剪切時(shí)產(chǎn)生的總抵抗變形能力是下降的，而聚氨酯則能彌補(bǔ)該缺點(diǎn)，聚氨酯可以提高復(fù)合改性瀝青的抵抗剪切變形的能力。因此，當(dāng)生物瀝青與聚氨酯摻量的比例小于1.0∶0.4時(shí)，生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的抗剪切性能提升較為顯著。

從圖4 可以看出，當(dāng)溫度低于94 ℃時(shí)，5%生物瀝青+6%聚氨酯生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青試件的相位角最小， 25%的生物瀝青+4%聚氨酯的生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青試件的相位角最大。當(dāng)溫度為88 ℃時(shí)，只有4%聚氨酯及摻量分別為15%、20%、25%生物瀝青試件的相位角大于對(duì)照組試件的相位角。當(dāng)聚氨酯摻量不變時(shí)，生物瀝青摻量高的試件的相位角普遍大于生物瀝青摻量低的試件的相位角。這表明聚氨酯的摻入起到了降低生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青相位角的作用；生物瀝青則相反，它的摻入則起到了增大相位角的作用。

圖4 不同配比復(fù)合改性瀝青溫度掃描相位角Fig. 4 Temperature scanning phase angle of composite modified asphalt with different mix ratios

從圖5 可以看出，無論聚氨酯和生物瀝青的摻量為多少，隨著溫度的上升，試件的車轍因子均呈下降的趨勢(shì)。當(dāng)生物瀝青摻量分別為5%、10%時(shí)，在同樣的溫度下，所有試驗(yàn)組的車轍因子均大于對(duì)照組的車轍因子。當(dāng)生物瀝青摻量分別為20%、25%時(shí)，在同樣的溫度下，試驗(yàn)組中4%聚氨酯摻量下的試件的車轍因子均小于6%聚氨酯摻量下的試件的車轍因子。在同樣的溫度條件下，15%生物瀝青+ 6%聚氨酯試驗(yàn)組中試件的車轍因子大于對(duì)照組中試件的車轍因子。這表明隨著生物瀝青摻量的增加，生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的高溫流變性能是逐步下降的，而聚氨酯的摻入則可提高生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的高溫性能。復(fù)摻生物瀝青與聚氨酯可在一定程度上提高生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的高溫流變性能，增強(qiáng)生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青在高溫下抵抗車轍的能力。

圖5 不同配比復(fù)合改性瀝青溫度掃描車轍因子Fig. 5 Composite modified asphalt temperature scanning rut factor with different mix ratios

綜上所述，高溫流變?cè)囼?yàn)的結(jié)果進(jìn)一步支持了常規(guī)性能試驗(yàn)結(jié)果中的關(guān)于生物瀝青與聚氨酯摻量比例的結(jié)論：即當(dāng)生物瀝青與聚氨酯摻量的比例小于1.0∶0.4時(shí)，試件高溫流變性能提升較為顯著。

3.3 低溫流變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

為進(jìn)一步探究聚氨酯與生物瀝青摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青低溫性能的影響及兩者摻量的比例，采用彎曲梁流變儀（bending beam rheometer，BBR）對(duì)試件進(jìn)行低溫流變?cè)囼?yàn)。試驗(yàn)溫度分別取為-24、-18和-12 ℃。試驗(yàn)結(jié)果如圖6～7 所示。在圖6～7 中，當(dāng)試驗(yàn)溫度為-12 ℃時(shí)，部分試件的變形較大，無法正常輸出數(shù)據(jù)。

圖6 不同配比復(fù)合改性瀝青BBR試驗(yàn)蠕變勁度模量Fig. 6 s-value of BBR test for composite modified asphalt with different mix ratios

圖7 不同配比復(fù)合改性瀝青BBR試驗(yàn)蠕變速率值Fig. 7 m-value of BBR test for composite modified bitumen with different mix ratios

一般來說，瀝青的脆性與瀝青的蠕變勁度模量成正比，即蠕變勁度模量越大，瀝青脆性越大，其鋪設(shè)的路面越容易發(fā)生開裂和破壞。瀝青的蠕變速率則剛好相反，蠕變速率的大小與瀝青的脆性成反比，即蠕變速率越大，當(dāng)溫度下降時(shí)，瀝青路面產(chǎn)生收縮時(shí)的拉應(yīng)力數(shù)值越小，路面發(fā)生低溫開裂的可能性越小，反之亦然。

因此，在本次試驗(yàn)中，蠕變勁度模量的降低及蠕變速率增大均表明與普通的石油瀝青路面相比，生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青路面的低溫抗裂性能得到了有效提升。摻量為5%生物瀝青的試驗(yàn)組中的兩組試件的蠕變勁度模量均大于對(duì)照組試件的蠕變勁度模量，其余生物瀝青摻量的試件蠕變勁度模量均小于對(duì)照組試件的蠕變勁度模量，且其蠕變速率與對(duì)照組試件的蠕變速率相當(dāng)，其余生物瀝青摻量的試件的蠕變速率均大于對(duì)照組試件的蠕變速率。這表明，生物瀝青能很好地提升生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的低溫性能，且生物瀝青的摻量越大，其對(duì)生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青低溫性能的提升效果越顯著。當(dāng)生物瀝青摻量保持不變時(shí)，聚氨酯摻量越大的試驗(yàn)組，蠕變勁度模量越大，蠕變速率越小。這表明聚氨酯對(duì)生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的低溫性能的改善效果影響不顯著。當(dāng)生物瀝青的摻量大于5%時(shí)，試驗(yàn)組中試件的低溫性能普遍優(yōu)于對(duì)照組中試件的低溫性能，表明適當(dāng)摻量的生物瀝青對(duì)生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的低溫性能的提升有很好的促進(jìn)作用。綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，推薦聚氨酯和生物瀝青復(fù)摻的最佳摻量為：6%的聚氨酯+15%的生物瀝青。

4 微觀試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果分析

紅外光譜分析可應(yīng)用于所有有機(jī)化合物的分析，其在定性、定量的結(jié)構(gòu)分析方面有著廣泛的應(yīng)用。且其能提供物質(zhì)較多的結(jié)構(gòu)信息，用量少，分析速度快，不破壞試件，測(cè)量過程穩(wěn)定。該法在組分分析中得到了較廣泛的應(yīng)用［30］。本研究采用紅外光譜儀對(duì)生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青進(jìn)行掃描，以對(duì)其組分進(jìn)行分析和研究。選擇15%的生物瀝青+6%的聚氨酯的復(fù)摻試件（該復(fù)摻試件的高溫、低溫性能均較好）與20%生物瀝青+ 4%的聚氨酯復(fù)摻試件（該復(fù)摻試件的低溫性能較為優(yōu)越）作為試驗(yàn)組，結(jié)果如圖8所示。

圖8 紅外光譜試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig. 8 Comparison of infrared spectroscopic test results

從圖8 可以看出，兩試驗(yàn)組的紅外光譜圖在1 000～1 250、1 700±10 cm-1兩處均出現(xiàn)了不同的波峰。在1 000～1 250 cm-1處，摻量為20%的生物瀝青+摻量為4%的聚氨酯復(fù)摻試件的波峰十分突出， 15%的生物瀝青+ 6%的聚氨酯的復(fù)摻試件的波峰則較??；在1 700±10 cm-1處， 15%的生物瀝青+ 6%的聚氨酯的復(fù)摻試件的波峰較為平緩，且整體強(qiáng)度也較小；而摻量為20%的生物瀝青+摻量為4%的聚氨酯的復(fù)摻試件的波峰更為突出，強(qiáng)度也更大。對(duì)比不同摻量的生物瀝青-聚氨酯改性瀝青的紅外光譜圖，可以判斷出聚氨酯與生物瀝青及石油瀝青之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，在該復(fù)合瀝青中存在化學(xué)改性的情況。

4.2 熒光顯微鏡試驗(yàn)結(jié)果分析

為探究生物瀝青及聚氨酯在石油瀝青中的分散情況，采用熒光顯微鏡對(duì)優(yōu)選出的試驗(yàn)組（即4%聚氨酯+20%生物瀝青、6%聚氨酯+15%生物瀝青）與對(duì)照組進(jìn)行分析，以便更直觀地分析生物瀝青-聚氨酯改性瀝青試件的微觀形貌。熒光顯微鏡是20 世紀(jì)50 年代發(fā)展起來的一種新型光學(xué)儀器，它利用光激發(fā)物質(zhì)產(chǎn)生熒光的原理來顯示各種物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。熒光顯微鏡得到的試驗(yàn)組各試件的熒光圖像如圖9 所示。

圖9 生物瀝青/聚氨酯復(fù)合改性瀝青熒光顯微圖Fig. 9 Fluorescence micrograph of bio-asphalt/polyurethane composite modified bitumen

在圖9中，圖9（a）為對(duì)照組，圖9（b）～（c）均為試驗(yàn)組。在圖9 中，淺色物質(zhì)為SBS 在瀝青中溶解后呈現(xiàn)的狀態(tài)，黑色部分為石油瀝青，SBS在石油瀝青中形成了穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。圖9（b）為15%生物瀝青+6%聚氨酯的最佳摻量組，可以看到在SBS 結(jié)構(gòu)外，存在白色絮狀物質(zhì)，這是聚氨酯在復(fù)合改性瀝青中的狀態(tài)，結(jié)合在SBS形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，形成了一個(gè)穩(wěn)定的混合結(jié)構(gòu)。圖9（c）為20%生物瀝青+4%聚氨酯的試驗(yàn)組，該試驗(yàn)組試件的SBS與聚氨酯分布均勻，狀態(tài)穩(wěn)定。與對(duì)照組試件相比，兩個(gè)試驗(yàn)組的試件均隨著生物瀝青的增加，顏色開始加深，這是生物瀝青與石油瀝青混合后的狀態(tài)，表明在生物瀝青-聚氨酯改性瀝青的內(nèi)部，生物瀝青與石油瀝青混合狀態(tài)較為理想，沒有出現(xiàn)混合不均勻、不相容或離析的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

通過對(duì)生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的試驗(yàn)研究，得出結(jié)論：

1） 與對(duì)照組相比，生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青的針入度有所增大，其在5 ℃時(shí)的延度有較大幅度的提高，其抗老化性能也有小幅度提升，在一定配比范圍內(nèi)，瀝青的軟化點(diǎn)得到了提高；

2） 15%生物瀝青+6%聚氨酯的復(fù)合改性瀝青試件的高溫流變性能優(yōu)于對(duì)照組試件的高溫流變性能，且該試件的低溫流變性能提升幅度也較大；

3） 生物瀝青-聚氨酯復(fù)合改性瀝青內(nèi)部存在化學(xué)改性的情況，瀝青內(nèi)部形成了以生物瀝青和石油瀝青混合物為主體介質(zhì)、SBS呈網(wǎng)狀分布、聚氨酯填充其間的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。