不同老化程度下巖瀝青/生物油復(fù)合改性瀝青高低溫流變性能研究

摘要：為探究巖瀝青摻量對(duì)生物油改性瀝青老化特性的影響，文章采用巖瀝青（5%～20%）、生物油（5%）對(duì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，并對(duì)其進(jìn)行老化試驗(yàn)和高低溫流變性能試驗(yàn)。結(jié)果表明：隨著老化程度的加劇，復(fù)合改性瀝青60 ℃車轍因子和58 ℃不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃繉?duì)老化的敏感程度普遍高于基質(zhì)瀝青；老化對(duì)復(fù)合改性瀝青低溫性能有不利影響，隨著巖瀝青摻量的增加，復(fù)合改性瀝青對(duì)老化的敏感程度逐漸降低。

關(guān)鍵詞：老化瀝青；生物瀝青；巖瀝青；流變性能

中文分類號(hào)：U416.03A381204

0引言

隨著瀝青路面的不斷發(fā)展，瀝青材料消耗越來越大，為追求可持續(xù)發(fā)展，眾多學(xué)者聚焦石油瀝青替代材料研究［1］，生物瀝青是其中的代表材料之一［2］。生物瀝青與基質(zhì)瀝青具有很好的相溶性，且因可再生、儲(chǔ)量大、分布廣的特點(diǎn)而受到國內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注［3-5］。

目前，有關(guān)生物瀝青的研究主要集中在生物瀝青的制備工藝、生物瀝青的高低溫流變性能、生物瀝青在溫拌瀝青和再生瀝青（RAP）中的應(yīng)用等［6］。研究表明，生物瀝青因含有較多輕組分和可溶性物質(zhì)，其高溫性能和抗老化性能更容易被破壞［7］。為了解決這一問題，SBS、SBR、橡膠粉、溫拌劑、巖瀝青等添加劑被用來改善其缺陷［8-10］。巖瀝青與基質(zhì)瀝青的相容性好，而且成本較低，是一種很好的天然改性劑［11］。相關(guān)研究表明，巖瀝青對(duì)提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、抗老化能力和耐候性具有優(yōu)良效果［12］?；谏餅r青和巖瀝青各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，在生物瀝青中添加一定量的巖瀝青，制備一種綜合性能較好的巖瀝青/生物油復(fù)合改性瀝青是可行的。改性后的生物瀝青高溫性能得到一定幅度提升，但其抗老化性能多簡單地采用短期老化前后的指標(biāo)變化來評(píng)價(jià)，因此有必要對(duì)復(fù)合改性瀝青抗老化性能做進(jìn)一步深入研究。

基于此，本文利用高速剪切儀，將生物重油按一定比例（內(nèi)摻5%）與基質(zhì)瀝青混合制備得到生物油改性瀝青。在生物油改性瀝青基礎(chǔ)上添加4種摻量巖瀝青（內(nèi)摻5%、10%、15%、20%），經(jīng)高速剪切后發(fā)育制得巖瀝青/生物油復(fù)合改性瀝青。將制得的復(fù)合改性瀝青進(jìn)行短期老化（RTFOT）和長期老化（PAV）（10 h、20 h），得到不同老化程度的復(fù)合改性瀝青。通過老化前后復(fù)合改性瀝青在高低溫情況下的流變特性評(píng)價(jià)其對(duì)老化的敏感程度，為巖瀝青/生物油復(fù)合改性瀝青的實(shí)際應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1原材料及試驗(yàn)方法

1.1基質(zhì)瀝青

選擇70#道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，其常規(guī)性能見表1。本文所有試驗(yàn)均參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）開展。

1.2生物油

生物油由60%～80%的脂肪酸和植物醇組成，主要為植物油蒸餾下來的殘?jiān)?，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

1.3巖瀝青

本文巖瀝青選擇布敦巖瀝青。為保證巖瀝青在生物瀝青中的均勻分布，需嚴(yán)格控制巖瀝青顆粒的大小，因此需將巖瀝青過0.15 mm標(biāo)準(zhǔn)篩。巖瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表3。

1.4巖瀝青/生物油復(fù)合改性瀝青制備

（1）將基質(zhì)瀝青加熱到流動(dòng)性較好時(shí)，將生物油與基質(zhì)瀝青共混，采用高速剪切機(jī)在5 000 r/min剪切速率下剪切30 min。在此過程中剪切溫度為150 ℃，獲得生物油改性瀝青。

（2）將一定質(zhì)量的巖瀝青添加到生物油改性瀝青中，設(shè)置高速剪切儀剪切速率為5 000 r/min，剪切溫度為160 ℃，剪切時(shí)間為60 min。

（3）將剪切得到的混合物置于烘箱中，烘箱溫度設(shè)置為150 ℃，發(fā)育20 min，最終制得巖瀝青/生物油復(fù)合改性瀝青。

1.5老化試驗(yàn)

采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱試驗(yàn)?zāi)M復(fù)合改性瀝青的短期老化，采用壓力老化試驗(yàn)?zāi)M復(fù)合改性瀝青的長期老化，長期老化時(shí)間分別為10 h±10 min、20 h±10 min。根據(jù)上述老化試驗(yàn)方法制得不同老化程度巖瀝青/生物油復(fù)合改性瀝青。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1溫度掃描試驗(yàn)

通過溫度掃描試驗(yàn)獲得復(fù)合改性瀝青的車轍因子，以評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的高溫流變性能，選用60 ℃車轍因子作為瀝青高溫抗車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可見，短期老化后基質(zhì)瀝青車轍因子的增長幅度遠(yuǎn)大于另外四種復(fù)合改性瀝青，基質(zhì)瀝青的車轍因子增長了198.8%，其他四種復(fù)合改性的車轍因子分別增長了145.9%、170.6%、150.3%和152.7%。隨著巖瀝青摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的車轍因子均有增長的趨勢(shì)，長期老化10 h后，5%生物油+10%巖瀝青、5%生物油+15%巖瀝青、5%生物油+20%巖瀝青復(fù)合改性瀝青車轍因子超過基質(zhì)瀝青。究其原因是復(fù)合改性瀝青對(duì)壓力老化更為敏感，生物油的加入使得其輕組分比例增加，在壓力老化過程中更易揮發(fā)；同時(shí)因?yàn)閹r瀝青屬于硬質(zhì)材料，巖瀝青的加入本身會(huì)使改性瀝青變硬，模量增大，從而出現(xiàn)車轍因子大幅提高，甚至超過基質(zhì)瀝青的情況，這與摻入巖瀝青的預(yù)期效果一致。

2.2多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)

開展多重應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(yàn)測(cè)試瀝青的恢復(fù)率和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，以評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的彈性恢復(fù)能力。分別使用兩個(gè)恒定應(yīng)力（0.1 kPa和3.2 kPa）控制，試驗(yàn)溫度為58 ℃。試驗(yàn)結(jié)果如圖2和下頁圖3所示。

從圖2可以看出，在3.2 kPa條件下，從絕對(duì)數(shù)值來看，基質(zhì)瀝青的恢復(fù)率整體比復(fù)合改性瀝青大，尤其是長期老化10 h后。這是因?yàn)樯镉偷膿饺胧沟脧?fù)合改性瀝青中的黏性成分增多，瀝青變得更軟，變形后更不易恢復(fù)。隨著巖瀝青摻量的增加，復(fù)合改性瀝青的恢復(fù)率逐漸增大，說明巖瀝青摻量的增加對(duì)復(fù)合改性瀝青彈性恢復(fù)有利，高溫穩(wěn)定性更優(yōu)。0.1 kPa條件下，PAV 20 h后，5%生物油+15%巖瀝青和5%生物油+20%巖瀝青復(fù)合改性瀝青的恢復(fù)率甚至超越了基質(zhì)瀝青，說明其在低應(yīng)力水平條件下后期高溫穩(wěn)定性比基質(zhì)瀝青更具有優(yōu)勢(shì)。從恢復(fù)率隨老化程度的變化幅度來看，復(fù)合改性瀝青相對(duì)基質(zhì)瀝青更加穩(wěn)定，對(duì)老化的敏感程度更低。

從圖3可以看出，不管是基質(zhì)瀝青還是復(fù)合改性瀝青，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃侩S老化程度的增加而減小，且在短期老化處有明顯的突變，說明老化程度越大，其高溫抗永久變形能力越強(qiáng)。長期老化20 h后巖瀝青摻量為20%時(shí)，復(fù)合改性瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃颗c基質(zhì)瀝青持平。復(fù)合改性瀝青對(duì)老化的敏感程度隨著巖瀝青摻量的增加逐漸減小，抗老化性能越優(yōu)。巖瀝青的摻入不僅提高了復(fù)合改性瀝青的抗永久變形能力，而且使得復(fù)合改性瀝青對(duì)老化的敏感程度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，達(dá)到了摻入巖瀝青的預(yù)期效果。

綜合車轍因子、恢復(fù)率、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃咳齻€(gè)高溫流變性能指標(biāo)可以發(fā)現(xiàn)，巖瀝青/生物油復(fù)合改性瀝青對(duì)老化的敏感程度要大于基質(zhì)瀝青，而巖瀝青摻量的提高能彌補(bǔ)這一差距，5%生物油+20%巖瀝青復(fù)合改性瀝青的高溫性能最優(yōu)，長期老化20 h后的車轍因子超過基質(zhì)瀝青，恢復(fù)率和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃颗c基質(zhì)瀝青相當(dāng)。

2.3低溫彎曲蠕變勁度試驗(yàn)

通過彎曲蠕變勁度試驗(yàn)測(cè)得復(fù)合改性瀝青的勁度模量和蠕變速率，以評(píng)價(jià)復(fù)合改性瀝青的低溫性能。本文選擇的試驗(yàn)溫度為-12 ℃和-18 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。

從圖4可以看出，在同一老化程度下，復(fù)合改性瀝青的勁度模量始終未超過基質(zhì)瀝青，蠕變速率隨著老化程度的加劇而減小，老化使得瀝青變脆，模量增大，難以快速產(chǎn)生應(yīng)變來抵抗其溫度應(yīng)力，故低溫性能變差。從勁度模量還是蠕變速率指標(biāo)分析，老化對(duì)基質(zhì)瀝青低溫性能的影響最大。從勁度模量和蠕變速率來看，基質(zhì)瀝青對(duì)老化的敏感程度相比復(fù)合改性瀝青要大，原因分析為：老化過程復(fù)合改性瀝青中的生物油的摻入在很大程度上補(bǔ)充了輕組分，黏度降低，模量減小，盡管老化程度加劇會(huì)有一定輕組分的損失，但生物油的作用仍足以抵消老化帶來的不利影響；巖瀝青本身具有較好的抗老化性能，故不會(huì)產(chǎn)生疊加效應(yīng)，相反會(huì)減緩復(fù)合改性瀝青的老化。

圖4與圖5表明，相比-12 ℃，在-18 ℃條件下，基質(zhì)瀝青和復(fù)合改性瀝青的勁度模量有所增加，蠕變速率有所減小，這是因?yàn)闉r青是溫感性材料，溫度下降，瀝青模量大幅增加，表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性。-18 ℃時(shí)，勁度模量和蠕變速率隨老化程度的變化規(guī)律與-12 ℃條件下較為相似。按照S≤300 MPa、m＞0.3的低溫等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，-18 ℃時(shí)，短期老化后的基質(zhì)瀝青勁度模量為358.3 MPa，已經(jīng)超過300 MPa，長期老化20 h后的基質(zhì)瀝青勁度模量為421.3MPa，蠕變速率為0.235＜0.3，故基質(zhì)瀝青低溫等級(jí)達(dá)不到-18 ℃。除長期老化后的5%生物油+20%巖瀝青復(fù)合改性瀝青勁度模量達(dá)到344.7 MPa外，其余不同巖瀝青摻量復(fù)合改性瀝青在不同老化程度下的勁度模量均控制在300 MPa以下。復(fù)合改性瀝青在摻量研究范圍內(nèi)，任意老化程度的蠕變速率均大于0.3，滿足-18 ℃低溫等級(jí)，這在一方面說明了復(fù)合改性瀝青的低溫抗裂性要明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青。在-18 ℃條件下，老化對(duì)基質(zhì)瀝青低溫性能的影響最大，復(fù)合改性瀝青中對(duì)老化最為敏感的是5%生物油+20%巖瀝青，對(duì)老化最不敏感的是5%生物油+5%巖瀝青；從蠕變速率來看，復(fù)合改性瀝青中對(duì)老化最為敏感的是5%生物油+20%巖瀝青，對(duì)老化最不敏感的是5%生物油+15%巖瀝青。對(duì)老化最為敏感的均為5%生物油+20%巖瀝青復(fù)合改性瀝青，這在一定程度上說明巖瀝青摻量的提高會(huì)對(duì)復(fù)合改性瀝青的低溫抗老化性能產(chǎn)生不利影響。

綜合-12 ℃、-18 ℃低溫彎曲勁度模量和蠕變速率指標(biāo)隨老化程度的變化情況，可以得出巖瀝青/生物油復(fù)合改性瀝青對(duì)老化的敏感程度要明顯小于基質(zhì)瀝青，提高巖瀝青摻量雖然在一定程度上降低了復(fù)合改性瀝青的低溫性能和抗低溫老化性能，但總體低溫性能仍顯著優(yōu)于基質(zhì)瀝青，兩種溫度得出的結(jié)論一致。

3結(jié)語

為了評(píng)價(jià)巖瀝青/生物油復(fù)合改性瀝青的抗老化性能及巖瀝青摻量對(duì)復(fù)合改性瀝青性能的影響，對(duì)復(fù)合改性瀝青老化前后的高低溫流變特性進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

（1）從高溫流變性能指標(biāo)分析，巖瀝青/生物油復(fù)合改性瀝青對(duì)老化的敏感程度要大于基質(zhì)瀝青，提高巖瀝青摻量可降低老化敏感性。5%生物油+20%巖瀝青復(fù)合改性瀝青的高溫性能最優(yōu)，長期老化20 h后的車轍因子超過基質(zhì)瀝青，恢復(fù)率和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃颗c基質(zhì)瀝青相當(dāng)。

（2）從低溫抗裂指標(biāo)分析，巖瀝青/生物油復(fù)合改性瀝青對(duì)老化的敏感程度要明顯小于基質(zhì)瀝青，巖瀝青摻量的提高雖在一定程度上降低了復(fù)合改性瀝青的抗低溫及老化性能，但生物油的加入使其低溫性能仍顯著優(yōu)于基質(zhì)瀝青，兩種溫度得出的結(jié)論一致。

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作者簡介：申屠成（2002—），碩士，主要從事道路工程研究工作。