高性能生物改性瀝青的制備與路用性能研究

趙曉翠，臧廣遠，弓家勝，任皎龍

(1.山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博 255049；2.山東理工大學 體育學院，山東 淄博 255049)

瀝青混凝土是最重要的道路建筑材料之一，隨著大量的路面施工和養護，瀝青的消耗也在不斷增加。瀝青作為石油的一種副產品，隨著石油資源的枯竭，其儲量逐漸減少。因此，在不犧牲瀝青混凝土鋪裝性能的前提下，尋找瀝青的替代品，研究節約瀝青用量的新技術是十分必要的。

近年來，生物改性瀝青的物理化學特性、路用性能和最佳配方等得到了廣泛的研究[1-4]。結果表明，生物改性瀝青具有較好的低溫抗裂性能和較差的高溫穩定性。研究者應用生物質油對不同類型的基質瀝青進行改性[1,5]，發現生物瀝青的抗老化和低溫性能改善，而黏度和高溫穩定性下降[6-9]。另外，Yang 等[7]發現生物改性瀝青混合料的抗車轍性能不如基質瀝青混合料。顯然，生物改性瀝青不能滿足高溫地區道路施工的技術標準。有研究者采用復合改性技術提高生物瀝青和生物瀝青混合料的高溫性能，分別在生物改性瀝青中加入聚乙烯、橡膠粉和SBS并取得了良好的效果[10-11]。然而，與目前常用的改性瀝青(如SBS改性瀝青)相比，生物改性瀝青由于改性劑(SBS等)用量大，其性能與經濟性難以達到平衡。因此，生物改性瀝青仍難以滿足高等級路面施工的需要。為了解決這一問題，本文致力于尋找一種新的方法來改善生物瀝青的路用性能。

1 篩選和制備

1.1 改性劑的篩選

近年來，納米材料被廣泛用于改善瀝青的路用性能。研究表明，納米材料單獨使用時改性效果有限，而納米材料和聚合物復合改性瀝青的改性效果令人滿意。

如前所述，生物瀝青具有較好的低溫性能和較差的高溫性能。因此，所選用的納米材料和聚合物必須對瀝青的高溫性能有積極的改性作用。

根據文獻[6]，選擇納米二氧化硅作為納米材料。采用4種聚合物(SBR、SBS、PE、EVA)對基質瀝青進行改性，根據不同改性瀝青的路用性能選擇最合適的聚合物，根據軟化點和60 ℃粘度試驗評價其對高溫性能的改性效果。這些試驗均按照《公路工程瀝青及瀝青混合料標準試驗方法(JTJ E20-2011)》的規定進行，試驗結果見表1。

如表1所示，SBS改性瀝青的軟化點和60 ℃粘度最高，這表明SBS對高溫性能的改性效果最好。因此，最終選擇納米二氧化硅和SBS進行后續研究。

1.2 制備過程

根據相似相融原理，生物質油易于與基質瀝青充分混合。然而，由于納米材料具有較大的比表面積，納米材料和聚合物易形成二級材料結構聚合物，這會對改性效果帶來不利影響。所以，需要將納米材料和聚合物均勻分散以克服聚合問題。在本文中，根據文獻[6]，采用高溫高速剪切的方法來解決這個問題。

表1 不同聚合物改性瀝青的試驗結果Tab. 1 Test results of modified asphalt binders using different polymers

添加的聚合物(170℃,5000 r/min,30 min)軟化點/℃粘度(布氏粘度,60℃)/(Pa·s)051.13161%SBR51.93553%SBR54.46555%SBR57.51 1001%SBS62.61 6113%SBS68.6—5%SBS72.2—1%PE61.11 5013%PE65.52 6095%PE67.1—1%EVA55.57993%EVA58.11 2385%EVA61.21 533

采用納米二氧化硅、聚合物和生物質油制備改性瀝青。首先將生物質油與基質瀝青混合，即生物瀝青。值得注意的是，生物質油和基質瀝青的總質量保持在500 g不變。在120 ℃下混合5 min后，將納米二氧化硅添加到生物瀝青中。在120 ℃下，高速剪切(5 000 r / min)10 min后，添加聚合物。在170 ℃下，高速剪切不少于45 min，試樣制備完成。

2 最佳改性配方

2.1 正交實驗

為了能夠科學的分析不同試驗因素之間的影響關系，減少試驗工作量，采用正交試驗確定改性瀝青的最佳配方。影響因素及相應的試驗水平見表2，正交試驗的試驗順序見表3。

表2 試驗因素和試驗水平Table 2 Test factors and test level

試驗水平試驗因素生物質油(A)SBS(B)SiO2(C)水平I5%1%0.2%水平II7%3%0.5%水平III9%5%0.8%

表3 正交試驗順序Tab.3 Testing sequence of orthogonal experiment

試驗編號ABC正交組合15%1%0.2%A1B1C125%3%0.5%A1B2C235%5%0.8%A1B3C347%1%0.5%A2B1C257%3%0.8%A2B2C367%5%0.2%A2B3C179%1%0.8%A3B1C389%3%0.2%A3B2C199%5%0.5%A3B3C2

2.2 測試結果及分析

對軟化點、5 ℃延度和135 ℃粘度進行測試，分析生物改性瀝青高溫性能、低溫性能和工作性能。采用各因素每個試驗水平的極差和相應平均值來分析正交試驗的結果，如圖1所示。

2.3 最佳配方

高溫性能和低溫性能是改性瀝青的重要性能。9個組的5 ℃延度試驗結果滿足規范要求(大于30 cm)。因此，5 ℃延度不再需要考慮。此外，軟化點被認為是重要影響因素，135 ℃黏度被認為是次要因素。試驗結果的平均值可以描述關鍵因素和次要因素的影響趨勢，如圖2所示。

如圖1(a)所示，SBS對軟化點的極差最大，說明SBS對高溫性能影響最大，其影響趨勢隨含量的增加而增加。因此，綜合考慮影響趨勢(圖2(c))，將SBS的用量定為5%。其次是生物質油(圖1(a))，其影響趨勢隨摻量的增加而減小(圖2(a))，必須控制生物質油的用量。根據其影響趨勢(圖2(a))，當摻量超過7%時，軟化點迅速降低，因此將生物質油的用量定為7%。此外，納米二氧化硅的用量應選擇較低的摻量(0.2%)，因為其極值最小。綜上所述，生物質油、SBS和納米二氧化硅復合改性瀝青的最佳配方為：7% 生物質油+5% SBS+0.2% 納米二氧化硅。

(a)軟化點極差 (b)5 ℃延度極差 (c)135 ℃黏度極差

(a)生物質油對軟化點的影響趨勢 (b)生物質油對135 ℃黏度的影響趨勢 (c)SBS對軟化點的影響趨勢

(d)SBS對135 ℃黏度的影響趨勢 (e)納米二氧化硅對軟化點的影響趨勢 (f)納米二氧化硅對135 ℃黏度的影響趨勢

此外，如圖2(b)、(d)、(f)所示，盡管在使用5% SBS時135 ℃黏度超過3.0 Pa·s，但是當納米二氧化硅的摻量為0.2%且生物質油的含量為7%時其值會下降。可以合理的推測，所提出的配方擁有足夠的工作性能。因此，生物質油、SBS和納米二氧化硅復合改性瀝青的最佳配方可確定為：7% 生物質油+5% SBS+ 0.2% 納米二氧化硅。

3 改性瀝青(HBA)的性能

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)，對AH-70基質瀝青、5% SBS改性瀝青和HBA(7%生物質油+ 5% SBS+0.2% 納米二氧化硅)的高溫、低溫性能和抗老化性能進行了測試，進一步驗證了所選配方對提高改性瀝青性能的有效性。

3.1 低溫性能

在 -12 ℃和-18 ℃下的彎曲梁流變儀(BBR)試驗用來評價低溫性能。采用蠕變勁度(S)和蠕變速率(m)表示瀝青的抗裂性。試驗結果見表4。從表4可以看出，在所有測試溫度下的平均值，生物改性瀝青的蠕變勁度(S)相比于5% SBS改性瀝青和基質瀝青分別降低了15.87%和24.73%，而蠕變速率(m)分別增加了9.06%和20.50%，上述結果表明，HBA比典型的瀝青具有更好的低溫性能。

表4 BBR試驗結果Tab.4 BBR test results

瀝青類型S(-12 ℃)S(-18 ℃)m(-12 ℃)m(-18 ℃)AH-70103.1288.50.3840.3095%SBS96.8246.80.4210.344HBA76.4220.50.4520.381

3.2 高溫性能

采用動態剪切流變儀(DSR)試驗進行高溫性能分析，并用車轍因子來表示瀝青的高溫勁度或抗車轍能力(表5)。由表5可以看出，在不同測試溫度下HBA的車轍因子高于5% SBS改性瀝青和AH-70基質瀝青。結果表明，HBA對高溫性能有明顯的改性作用。

表5 車轍因子Tab.5 Rutting factor

瀝青類型52 ℃58 ℃64 ℃70 ℃76 ℃82 ℃88 ℃AH-7017.496.913.271.450.76——5%SBS42.7921.2011.205.753.041.851.05HBA54.8425.5512.786.393.362.041.20

3.3 抗老化性能

采用RTFOT試驗對瀝青的抗老化性能進行評價，結果見表6。由表6可以看出，HBA老化后的質量損失和殘余穩定度均優于AH-70基質瀝青，與5% SBS改性瀝青相似。尤其是老化后的5℃延度，HBA顯著高于5%的SBS改性瀝青和AH-70基質瀝青，相應的損失比率較低。因此，HBA對抗老化性能有明顯的改性作用。

表6 RTFOT試驗結果Tab.6 RTFOT test results

瀝青類型質量損失/%殘留穩定度/%老化后5℃延度/cm5℃延度損失/%AH-700.2662.901005%SBS0.1271.210.8138.9HBA0.1272.922.8831.3

4 改性瀝青(HBA)的路用性能

分別對AH-70基質瀝青、5% SBS改性瀝青、HBA制備的瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性進行了測試[12]，考察了不同瀝青對瀝青混合料性能的改善效果。上述3種瀝青混合料的級配如圖3所示。

圖3 集料級配

馬歇爾試驗法測定的石油比分別為4.5%(AH-70基質瀝青混合料)、5.0%(5% SBS改性瀝青混合料)和4.8%(HBA混合料)，相應的孔隙率分別為4.0%(AH-70基質瀝青混合料)、3.8%(5% SBS瀝青混合料)和3.9%(HBA混合料)，密度分別為2.406 g/cm3(AH-70基瀝青混合料)、2.409 g/cm3(5% SBS瀝青混合料)和2.391 g/cm3(HBA混合料)。

4.1 高溫穩定性

車轍試驗結果見表7。由表7可知，HBA混合料的動穩定度相比于比5% SBS改性瀝青混合料提高了2.34%。與AH-70基質瀝青混合料相比，HBA混合料的動穩定度是AH-70基質瀝青混合料的2.74倍。結果表明，HBA混合料具有最佳的高溫性能。

表7 車轍實驗結果Tab.7 Rutting test results

指標AH-70瀝青混合料SBS瀝青混合料HBA混合料45 min后變形/mm3.692.432.0360 min后變形/mm4.212.602.19動穩定度/(次數·mm-1)1 355.4623 718.223 807.248

4.2 低溫抗裂性

低溫性能通過-10 ℃彎曲試驗測定，見表8。如前所述，HBA具有最佳的低溫性能。瀝青混合料的低溫性能也遵循這一趨勢。由表8可知，HBA混合料的破壞應變分別是5% SBS改性瀝青混合料和AH-70基質瀝青混合料的1.26倍和2.01倍，其模量分別降低了30.1%和41.7%，表明其具有更好的低溫抗裂性能。

表8 -10 ℃彎曲試驗Tab.8 -10 ℃ bending test results

指標AH-70瀝青混合料SBS瀝青混合料HBA混合料彎曲抗拉強度/MPa7.6339.86712.214斷裂應變/με1 681.802 703.213 393.04勁度模量/MPa4 493.983 748.432 622.18

4.3 水穩定性

通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，對其水穩定性進行了測試。試驗結果見表9。由表9可知，HBA混合料的殘余穩定度和抗拉強度比與5% SBS瀝青混合料相差不大，但與AH-70基質瀝青混合料相比有明顯的提高。結果表明，HBA混合料有較好的水穩定性。

表9 水穩定性試驗結果Tab.9 Water stability test results

指標AH-70瀝青混合料SBS瀝青混合料HBA混合料殘余穩定度/%86.292.289.5抗拉強度比/%86.393.590.8

5 結論

本文提出了一種利用納米二氧化硅和聚合物(SBS)對生物瀝青進行改性的方法，提高了生物瀝青的路用性能，并控制了材料成本。通過正交試驗，對極差和影響趨勢進行分析，提出了生物改性瀝青(HBA)的最佳配方：7% 生物質油+5% SBS+0.2% 納米二氧化硅。HBA及其混合料與5% SBS改性瀝青和AH-70基質瀝青相比，在高溫、低溫和抗老化性能方面均有明顯改善。因此，HBA具有良好的實用和推廣價值。