羽毛改性瀝青流變性能與PG分級(jí)研究*

陳通， 王偉

(1.江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 江西 南昌 330052；2.湖南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410132)

固體廢物再利用是近期全球研究熱點(diǎn)，如何將固體廢物摻入瀝青中制備性能優(yōu)良的改性瀝青是其中研究重點(diǎn)。聚合物改性瀝青性能的主要影響因素是其化學(xué)組成，因?yàn)樗鼪Q定瀝青的耐久性、抗剪切能力和黏彈性。瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要取決于形成膠束的樹脂與瀝青質(zhì)含量，膠束被分散在油相中的一層碳?xì)浠衔锇鼑痪酆衔锊煌膬?nèi)部結(jié)構(gòu)(線性、嵌段或接枝)為改性瀝青賦予不同的特性；聚合物顆粒尺寸對(duì)其在瀝青中的均勻分布與改性瀝青良好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性起主要作用，而剪切條件是另一關(guān)鍵因素，溫度、時(shí)間、剪切速率與剪切設(shè)備也影響改性瀝青的性能。苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、苯乙烯-丁二烯(SB)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)、苯乙烯-丁二烯橡膠(SBR)及天然乳膠是常見聚合物瀝青改性劑，其他改性劑如鋼、玻璃、石棉纖維、湖瀝青、廢棄輪胎產(chǎn)物、木質(zhì)素、礦物黏土、蒙脫土與高嶺石等也常用于瀝青改性。近年來，出于減少?gòu)U物與環(huán)境保護(hù)的需求，對(duì)生物瀝青改性劑的研究逐漸增加，如文獻(xiàn)[14-15]探索將天然或動(dòng)物廢棄物用于瀝青改性，但結(jié)果表明瀝青的高溫性能和抗老化性能有所下降。本文將鴨毛通過一定方法處理后得到鴨羽毛生物顆粒(DFBP)，將DFBP添加到基質(zhì)瀝青中制備生物顆粒改性瀝青(ADFBP)，并將ADFBP與SBS改性瀝青(SBSMA)通過動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)和低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)進(jìn)行對(duì)比，研究DFBP摻量對(duì)ADFBP流變性能及PG分級(jí)的影響，并對(duì)ADFBP性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，為生物改性瀝青研究提供參考。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

(1) 基質(zhì)瀝青。采用國(guó)產(chǎn)A級(jí)70#瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)性能

(2) SBS改性瀝青。采用自制3%摻量的SBS改性瀝青I-D，其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 SBS改性瀝青I-D的技術(shù)性能

(3) 鴨羽毛生物顆粒(DFBP)。鴨毛來自湖南長(zhǎng)沙某屠宰場(chǎng)。將鴨毛用水與乙醇洗凈，在恒溫干燥箱中干燥24 h后進(jìn)行消毒與除臭處理。剔除鴨毛表面的倒刺與小型羽片后，用刀片式粉碎機(jī)將其剪碎，并采用球形研磨機(jī)研磨，之后過0.075 mm篩。經(jīng)測(cè)試，其密度為1.458 g/cm3。

(4) 鴨毛改性瀝青(ADFBP)。在600 mL合金杯中倒入500 mL瀝青，在155 ℃烘箱下加熱至流淌態(tài)。將其放于剪切儀下，在180 ℃下剪切45 min直至DFBP完全分散在瀝青中，分別制備DFBP摻量為2%、4%、6% 的ADFBP。

(5) 老化瀝青的制備。在盛樣瓶中分批次加入35 g±0.5 g SBSMA與3種DFBP摻量的ADFBP，將其放入163 ℃±0.5 ℃烘箱中85 min，取出后倒入盛樣皿中，得到短期老化瀝青；將短期老化瀝青50 g±0.5 g倒入標(biāo)準(zhǔn)薄膜烘箱試驗(yàn)盛樣皿中，將盛樣皿放入壓力老化容器(PAV)中，以2.1 MPa±0.1 MPa的壓力穩(wěn)壓20 h±10 min，取出后倒入盛樣皿中，得到長(zhǎng)期老化瀝青。

1.2 物理性能試驗(yàn)

按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》分別對(duì)SBSMA及不同DFBP摻量ADFBP進(jìn)行針入度、延度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)。

1.3 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

采用Bohlin DSR設(shè)備，在剪切應(yīng)力控制模式下分析瀝青的流變特性。樣品直徑為25 mm，剪切板間隙設(shè)置為1 mm。溫度掃描試驗(yàn)溫度為40～94 ℃，溫度間隔設(shè)為6 ℃。在應(yīng)變控制模式下，設(shè)置荷載作用頻率為10 rad/s，應(yīng)變?yōu)?2%；頻率掃描的頻率為0.1～100 rad/s，溫度為28 ℃。

1.4 低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)

試驗(yàn)儀器為ATS RHE-102型彎曲流變儀。采用長(zhǎng)期老化瀝青制備長(zhǎng)×寬×高為101.6 mm×12.7 mm×6.4 mm的試件，將其置于設(shè)定溫度的無水乙醇中恒溫(-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃)放置30 min，完成儀器校準(zhǔn)后對(duì)小梁進(jìn)行加載，加載240 s后卸載，通過儀器程序得出60 s時(shí)的勁度模量S和蠕變速率m。

1.5 儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)

將不同DFBP摻量的ADFBP過0.3 mm篩后加熱至流淌態(tài)，每份50 g注入鋁管中，將鋁管放入163 ℃±5 ℃烘箱中靜置48 h±1 h，加熱結(jié)束后將鋁管放入-12 ℃冷柜中4 h，取出后將鋁管等分剪成3節(jié)。分別將上節(jié)和下節(jié)放入163 ℃±5 ℃烘箱中，取出后進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 物理性能試驗(yàn)

不同DFBP摻量ADFBP的物理性能指標(biāo)見表3。對(duì)比表1、表3可知：相比原樣基質(zhì)瀝青，隨著DFBP摻量的增加，ADFBP的針入度下降，軟化點(diǎn)上升，延度下降，表明DFBP的摻入提高了瀝青的剛度，使其具有更好的高溫性能；DFBP摻量從零增加到4%時(shí)提升效果顯著，摻量從4%增加至6%時(shí)提升較小。對(duì)比表2、表3可知：2%DFBP摻量的ADFBP與SBSMA具有相似的物理性能，表明在實(shí)際使用過程中低摻量的ADFBP可能可以替代低摻量的SBSMA。

表3 DFBP改性瀝青的物理性能

2.2 流變性能分析

2.2.1 溫度掃描

在瀝青路面中，復(fù)數(shù)模量G*與路面的高溫抗車轍性能有關(guān)，相位角δ則反映路面的彈性響應(yīng)。圖1為改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*與相位角δ隨溫度的變化。

圖1 改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*與相位角δ隨溫度的變化

由圖1可知：隨著溫度的上升，改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*下降，相位角δ上升，表明隨溫度上升瀝青由彈性轉(zhuǎn)變?yōu)轲椥栽俎D(zhuǎn)變?yōu)轲ば?，在瀝青轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば院笃涞挚棺冃文芰ο陆?。從圖1(a)來看，在DFBP摻量為2%時(shí)ADFBP的流變性能與3%摻量的SBSMA相似，表明ADFBP有替代SBSMA的可能性。SBSMA在40 ℃下的復(fù)數(shù)模量G*小于ADFBP，94 ℃下的復(fù)數(shù)模量G*卻大于ADFBP，表明ADFBP相比SBSMA其模量下降速率更快。DFBP摻量為4%時(shí)ADFBP的復(fù)數(shù)模量G*顯著增加，相比2%DFBP摻量的ADFBP，4%DFBP摻量ADFBP的高溫性能提升顯著。但6%DFBP摻量ADFBP的復(fù)數(shù)模量G*相比4%DFBP摻量ADFBP增加較少，這可能是由于摻量過大，DFBP顆粒存在結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，難以完全分散在瀝青中。從圖1(b)來看，相比SBSMA，DFBP摻量為4%時(shí)ADFBP的相位角δ顯著降低，彈性響應(yīng)得到顯著改善，這是由于DFBP在瀝青中形成類似于聚合物改性瀝青的彈性網(wǎng)絡(luò)，增加了改性瀝青在高溫下的彈性響應(yīng)，進(jìn)而提升了其流變性能。

2.2.2 頻率掃描

圖2為改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*與相位角δ隨掃描頻率的變化。

圖2 改性瀝青的復(fù)數(shù)模量G*與相位角δ隨頻率的變化

由圖2可知：頻率增加時(shí)，改性瀝青的復(fù)數(shù)模量增加，相位角下降，復(fù)數(shù)模量G*在低頻時(shí)增速較快，相位角δ在高頻時(shí)降速較快。在角頻率接近10 rad/s處，復(fù)數(shù)模量G*的增速逐漸減少，表明在近10 rad/s頻率以內(nèi)其剛度增加較快，高溫抗車轍性能較好，伴隨著頻率增加其剛度增長(zhǎng)率降低。頻率通常用以模擬車輛荷載對(duì)路面作用時(shí)間的長(zhǎng)短，頻率越小代表瞬時(shí)車輛荷載作用時(shí)間長(zhǎng)，此時(shí)路面受到的剪切作用力大，相反則受到的剪切作用力小。所有ADFBP都有著比SBSMA更高的復(fù)數(shù)模量G*、更低的相位角δ，表明ADFBP具有更好的高溫抗車轍能力，且隨著DFBP摻量的增加其高溫性能增強(qiáng)，增大摻量有利于提高ADFBP的高溫性能。

2.3 低溫性能分析

勁度模量S和蠕變速率m通常用來評(píng)價(jià)瀝青在低溫下抵抗開裂的能力，S值越小、m值越大其低溫性能越好。PG分級(jí)評(píng)價(jià)中要求使用長(zhǎng)期老化瀝青制備的小梁試件的S值不大于300 MPa、m值不小于0.3，這種瀝青才可用于比該溫度環(huán)境低10 ℃的地區(qū)。改性瀝青的勁度模量S和蠕變速率m隨溫度的變化見圖3。

圖3 改性瀝青的勁度模量S和蠕變速率m隨溫度的變化

由圖3可知：隨著溫度的降低，ADFBP的勁度模量S增加，蠕變速率m降低。從圖3(a)來看，-6 ℃時(shí)，4種瀝青的勁度模量S相近；隨著溫度下降，SBSMA在-6～-18 ℃時(shí)的勁度模量S的增速大于ADFBP，相比SBSMA，ADFBP的勁度模量S在-18～-24 ℃時(shí)增速更大，表明在溫度未低于-18 ℃時(shí)ADFBP比SBSMA具有更好的低溫抗裂性能。4%DFBP摻量的ADFBP的勁度模量S在-12 ℃、-18 ℃下大于2%DFBP摻量的ADFBP，表明隨著DFBP摻量的增加其低溫性能下降。從圖3(b)來看，-18 ℃下SBSMA與2%DFBP摻量的ADFBP滿足蠕變速率m值不小于0.3的要求，而-18 ℃下兩者的勁度模量S都大于300 MPa。綜上，2%DFBP摻量ADFBP與SBSMA有著近似的低溫性能，隨著DFBP摻量的增加，ADFBP的低溫性能下降。按照PG分級(jí)要求，ADFBP的低溫性能處于-22 ℃這一級(jí)別。

2.4 PG等級(jí)

瀝青的PG高溫等級(jí)劃分時(shí)，要求原樣瀝青車轍因子G*/sinδ不小于1.0 kPa且短期老化瀝青車轍因子G*/sinδ不小于2.2 kPa，這種瀝青方可用于對(duì)應(yīng)的高溫等級(jí)中。改性瀝青的車轍因子G*/sinδ隨溫度的變化見圖4。

圖4 改性瀝青原樣瀝青與短期老化瀝青的車轍因子G*/sinδ隨溫度的變化

由圖4可知：隨著溫度的上升，改性瀝青原樣瀝青和短期老化瀝青的車轍因子逐漸下降。從圖4(a)來看，SBSMA與2%DFBP摻量的ADFBP的高溫等級(jí)為82 ℃，4%、6%DFBP摻量ADFBP的高溫等級(jí)分別為88 ℃、94 ℃。從圖4(b) 來看，SBSMA與2%DFBP摻量的ADFBP的高溫等級(jí)為82 ℃，但SBSMA相比ADFBP其車轍因子隨溫度升高下降速率更慢，表明SBSMA具有更好的抗老化能力，4%、6%DFBP摻量ADFBP的高溫等級(jí)分別為88 ℃、94 ℃。綜合前述低溫等級(jí)劃分結(jié)果，得出不同改性劑摻量改性瀝青的PG等級(jí)(見表4)。

表4 改性瀝青的PG等級(jí)

由表4可知：在低溫等級(jí)不變的情況下，隨著DFBP摻量的增加，ADFBP的高溫等級(jí)增加明顯，可以采用6%作為DFBP最佳摻量。

2.5 儲(chǔ)存穩(wěn)定性分析

改性瀝青實(shí)際應(yīng)用中往往需要長(zhǎng)途運(yùn)輸，而不良的儲(chǔ)存穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致改性劑與改性瀝青分離，使其無法發(fā)揮應(yīng)有的性能。儲(chǔ)存穩(wěn)定性通常采用試件頂部和底部瀝青軟化點(diǎn)差值進(jìn)行評(píng)價(jià)。如表5所示，2%DFBP摻量的ADFBP的軟化點(diǎn)差值顯著小于SBSMA，表明在DFBP摻量2%下ADFBP的儲(chǔ)存穩(wěn)定性優(yōu)于SBSMA，這可能是由于DFBP與芳香分具有更好的相容性。4%、6%DFBP摻量的ADFBP的軟化點(diǎn)差值分別為3.0 ℃、4.5 ℃，大于規(guī)范要求的2.5 ℃。雖然隨著DFBP摻量的增加，ADFBP的高溫性能提升顯著，但綜合考慮儲(chǔ)存穩(wěn)定性，建議ADFBP中DFBP改性劑最佳摻量取2%。

表5 改性瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性

3 結(jié)論

分別以2%、4%、6%的摻量將生物顆粒DFBP摻入基質(zhì)瀝青中制備ADFBP改性瀝青，并與3%摻量的SBS改性瀝青進(jìn)行對(duì)比，通過物理性能、流變性能、PG分級(jí)與儲(chǔ)存穩(wěn)定性分析，得出如下結(jié)論：

(1) DFBP的摻入改變了基質(zhì)瀝青的物理性質(zhì)，其高溫性能增強(qiáng)，且2%DFBP摻量的ADFBP具有與3%摻量SBSMA相似的物理特性。

(2) DFBP摻量為2%時(shí)，ADFBP具有與SBSMA相似的流變學(xué)特征，且伴隨著DFBP摻量的增加其高溫性能改善顯著。

(3) 隨著DFBP摻量的增加，ADFBP的低溫抗裂性能略微下降，但依然保持在PG-22 ℃等級(jí)。隨著DFBP摻量的增加，ADFBP的高溫等級(jí)的增加幅度遠(yuǎn)超過低溫等級(jí)的下降幅度。

(4) 由于DFBP在基質(zhì)瀝青中分布更均勻，DFBP摻量2%的ADFBP相比3% 摻量的SBSMA具有更好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性；DFBP摻量增加至4%時(shí)，ADFBP的儲(chǔ)存穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求。建議ADFBP的改性劑摻量取2%。