生物油基聚氨酯對瀝青及其混合料性能的影響

為實現(xiàn)生物油和聚氨酯的綜合利用，文章通過制備生物油基聚氨酯改性瀝青（BPA）及其混合料（BPAM），研究生物油和聚氨酯對瀝青及其混合料性能的影響；通過動態(tài)剪切流變儀（DSR）試驗和彎曲梁流變儀（BBR）試驗，對BPA的宏觀流變特性進(jìn)行評價，并采用瀝青混合料驗證評價BPAM的路用性能。結(jié)果表明：生物油或聚氨酯均能提高BPA的高低溫流變性能，生物油的活性氫氧基與聚氨酯中的異氰酸酯發(fā)生反應(yīng)，使得二者的復(fù)合改性對瀝青的改善效果更好；與單一改性相比，生物油基聚氨酯能顯著改善BPAM的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性。

道路工程；改性瀝青；生物油；聚氨酯；路用性能

U416.03A100313

作者簡介：

韋佩安（1990—），助理工程師，主要從事公路工程試驗檢測工作。

0" 引言

隨著瀝青路面建設(shè)的飛速發(fā)展和不可再生資源石油的不斷消耗，基于“雙碳”背景下，尋找石油瀝青的部分替代品已成為道路行業(yè)研究的熱點［1］。生物瀝青是由生物質(zhì)重油或生物質(zhì)快速熱解而成的膠結(jié)料，具有儲量大、環(huán)保、來源廣泛、價格低廉等特點，在道路工程中具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?-3］。由于生物油的高溫性能較差，利用率較低，為擴(kuò)大生物油在道路工程中的利用范圍，有必要采用復(fù)合改性的方法來提高生物油利用率［4］。

目前，聚氨酯是一種新型道路材料，屬于塑料和橡膠之間“可設(shè)計的”高分子彈性體材料，能通過改變自身的化學(xué)結(jié)構(gòu)、規(guī)格、品種、配合比等，獲得適用于不同場景的路面材料［5-6］。有研究表明聚氨酯能顯著改善瀝青的高低溫性能，且聚氨酯的異氰酸酯能與活性氫氧基反應(yīng)，顯著改善瀝青的高溫性能，而生物油中的活性氫氧基較多［7-9］。

綜上所述，本研究擬以生物油和聚氨酯部分替代石油瀝青，采用動態(tài)剪切流變儀（DSR）試驗和彎曲梁流變儀（BBR）試驗，對生物油基聚氨酯改性瀝青（BPA）的流變性能進(jìn)行研究，并采用車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，驗證生物油基聚氨酯改性瀝青混合料（BPAM）的路用性能。

1" 試驗材料和方法

1.1" 原材料

采用70#道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，其主要性能指標(biāo)如表1所示。選用的生物油和聚氨酯均由南京某化工有限公司生產(chǎn)，生物油是植物油蒸餾后的殘留物，聚氨酯的分子結(jié)構(gòu)為OCN-R-NCO，其主要性能指標(biāo)如表2和表3所示。

1.2" 改性瀝青的制備

生物油和聚氨酯的摻入方式為內(nèi)摻，BPA的制備過程為：將生物油在真空干燥箱中以100 ℃和0.1 MPa的條件下儲存2 h，同時將基質(zhì)瀝青在烘箱中加熱到流動態(tài)；將脫水后的生物油添加到熱瀝青中，采用高速剪切儀并將轉(zhuǎn)速設(shè)為3 500 r/min，剪切溫度控制在130 ℃～140 ℃，并剪切30 min以得到生物瀝青；將聚氨酯加入到生物瀝青中，并用玻璃棒手動攪拌混合物，使聚氨酯能均勻分布在生物瀝青當(dāng)中，然后繼續(xù)啟動高速剪切儀，剪切速率和剪切溫度保持不變，剪切時間為50 min。本次試驗所制備的瀝青試樣如下頁表4所示。

1.3" 級配設(shè)計

BPAM的粗集料選擇為輝綠巖碎石，細(xì)集料和礦粉均為石灰?guī)r，合成級配參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F4-2004）的AC-13C級配類型，級配曲線如圖1所示。基于瀝青混合料馬歇爾試驗，以0.5%的間隔得到五組油石比，即4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%，基于馬歇爾試驗計算瀝青混合料的體積指標(biāo)，最后確定BPAM的最佳油石比為5.0%。

生物油基聚氨酯對瀝青及其混合料性能的影響/韋佩安

1.4" 試驗方法

1.4.1" 瀝青膠結(jié)料試驗

采用DSR試驗的溫度掃描試驗來揭示瀝青的流變特性，評價BPA的高溫性能。瀝青試樣在兩塊直徑為25 mm的平板之間，兩塊平板之間的瀝青厚度為1 mm。采用應(yīng)變控制方法，應(yīng)變控制水平為12%，溫度測試范圍為40 ℃～90 ℃，升溫速率為2 ℃/min。

由于生物油存在雜質(zhì)，瀝青在拉伸過程中容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，影響延度試驗結(jié)果。因此，采用BBR試驗對BPA的低溫性能進(jìn)行評價，BBR試驗溫度為-18 ℃。試樣的長度為127 mm±2.0 mm，厚度為6.35 mm±0.05 mm，寬度為12.70 mm±0.05 mm。

1.4.2" 瀝青混合料試驗

高溫性能是影響生物油應(yīng)用于瀝青路面的關(guān)鍵因素之一，因此，采用瀝青混合料車轍試驗評價BPAM的高溫抗車轍性能，測試溫度為60 ℃，車轍試樣的尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。采用瀝青混合料彎曲試驗評價BPAM的低溫拉伸性能。在-10 ℃條件下，加載速率設(shè)置為50 mm/min。試件尺寸的長、寬、高分別為250 mm、30 mm、35 mm。

為評價BPAM的水穩(wěn)定性，采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。浸水馬歇爾試驗是測定BPAM在干濕條件下的馬歇爾穩(wěn)定度，即浸水48 h后的穩(wěn)定度與浸水30 min后的穩(wěn)定度比值，得到BPAM的浸水殘留穩(wěn)定度。瀝青混合料凍融劈裂試驗的測試溫度為25 ℃，每次制備≥6個試件，一半用于干燥條件，一半用于凍融條件，根據(jù)凍融后的劈裂強(qiáng)度與未凍融的劈裂強(qiáng)度比值，得到BPAM的凍融劈裂強(qiáng)度比。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 膠結(jié)料高溫性能

如圖2和圖3所示分別為未老化和短期老化下BPA的64 ℃車轍因子試驗結(jié)果，車轍因子能反映瀝青的抗高溫變形能力，車轍因子越高，瀝青的高溫穩(wěn)定性能越好。

由圖2和圖3可知，與未老化相比，老化后BPA的車轍因子增大。當(dāng)未摻聚氨酯時，隨著生物油摻量的增加，BPA的車轍因子減少，說明生物油不利于瀝青的高溫性能，這與之前的研究結(jié)果一致。當(dāng)生物油的摻量為0時，隨著聚氨酯摻量的增加，BPA的車轍因子增大，這表明聚氨酯能改善瀝青的高溫性能。隨著生物油摻量的增加，聚氨酯的摻量一定時，BPA的車轍因子提升幅度更高。這是因為生物油與聚氨酯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)產(chǎn)物導(dǎo)致BPA的車轍因子增大。

2.2" 膠結(jié)料低溫性能

采用BBR試驗測試BPA的蠕變勁度和蠕變速率，前者可反映瀝青的低溫抗變形能力，后者可反映瀝青在應(yīng)力作用下的松弛能力。考慮到采用兩個低溫評價指標(biāo)無法兼顧低溫開裂特性，因此采用K值（蠕變勁度與蠕變速率的比值）評價BPA的低溫流變性能［10］。一般來說，蠕變勁度越大、蠕變速率和K值越低，說明瀝青的低溫性能較差。如圖4～6為長期老化后BPA在-12 ℃的蠕變勁度、蠕變速率和K值。

由圖4～6可知，隨著聚氨酯或生物油摻量的增加，BPA的蠕變勁度和K值減少而蠕變速率增加。這說明聚氨酯和生物油都能改善BPA的低溫性能，其原因可能是生物油中含有較多的輕質(zhì)成分，生物油的加入降低了BPA的剛度，增強(qiáng)了應(yīng)力松弛能力，從而減少了降溫過程中BPA的應(yīng)力積累。同時還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物油摻量一定時，隨著聚氨酯摻量的增加（從10%～15%），BPA的低溫指標(biāo)變化不大。這說明聚氨酯摻量過大會使BPA出現(xiàn)硬化效果，降低其對瀝青的低溫改善效果。

2.3" 混合料高溫性能

圖7顯示了不同摻量下BPAM的車轍試驗結(jié)果。由圖7可知，當(dāng)未摻聚氨酯時，隨著生物油摻量的增加，BPAM的動穩(wěn)定度不斷減少，說明生物油不利于BPAM的高溫性能，這與膠結(jié)料高溫性能結(jié)果一致。由圖7還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聚氨酯摻量相同的情況下，隨著生物油摻量的增加，BPAM的動穩(wěn)定度提升程度增加，這可能是因為生物油摻量的增加使其與聚氨酯的化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，從而對混合料的高溫性能提升程度更大。

2.4" 混合料低溫性能

低溫條件下瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變能反映其拉伸性能，數(shù)值越高，表示混合料抗低溫變形能力越大。圖8所示為不同摻量下BPAM的低溫彎曲試驗結(jié)果。由圖8可知，生物油或聚氨酯均能增大BPAM的最大彎拉應(yīng)變，且生物油的提升效果更大。生物油基聚氨酯之所以能增強(qiáng)BPAM的低溫抗裂性能，是因為生物油中的輕質(zhì)組分不僅能恢復(fù)瀝青的低溫性能，還能補(bǔ)充恢復(fù)的瀝青油分，在瀝青中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了BPAM的低溫性能。

2.5" 混合料水穩(wěn)定性

后頁圖9所示顯示了不同摻量下BPAM的浸水馬歇爾試驗結(jié)果。由圖9可知，生物油基聚氨酯的添加使BPAM的浸水殘留穩(wěn)定度增加，即生物油和聚氨酯有利于BPAM的水穩(wěn)定性，這是因為生物油和聚氨酯能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，增強(qiáng)了生物油、聚氨酯與瀝青的靜電作用，促進(jìn)了生物油基聚氨酯在瀝青基體中的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)果。同時還應(yīng)注意控制生物油和聚氨酯的摻量，二者摻量過大可能會出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，會影響B(tài)PAM的水穩(wěn)定性。

后頁圖10所示為不同摻量下BPAM的凍融劈裂試驗結(jié)果。由圖10可知，BPAM的凍融劈裂強(qiáng)度比與浸水殘留穩(wěn)定度的結(jié)果相似，生物油和聚氨酯均使BPAM的凍融劈裂強(qiáng)度比增加，說明二者的結(jié)合確能改善BPAM的水穩(wěn)定性。這可能是因為在凍融過程中，瀝青混合料中瀝青與骨料之間的界面粘結(jié)逐漸減弱，而生物油基聚氨酯能延緩界面粘結(jié)的衰減。

3" 結(jié)語

（1）聚氨酯能彌補(bǔ)生物油對BPA高溫性能的不利影響，且生物油的存在能促進(jìn)聚氨酯對BPA高溫性能的提升；生物油和聚氨酯均能改善BPA的低溫性能。

（2）生物油不利于BPAM的高溫性能，而有利于其低溫性能和水穩(wěn)定性，聚氨酯則對BPAM的路用性能有所改善，二者的復(fù)合改性對BPAM提升效果更加顯著。

（3）本文的研究主要集中在生物油基聚氨酯對瀝青及其混合料的宏觀性能影響，因此，后續(xù)應(yīng)對生物油基聚氨酯改性瀝青的微觀性能進(jìn)行研究，揭示生物油、聚氨酯對瀝青的改性機(jī)理。

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20240322