基于DSR和RV的生物沥青结合料流变特性研究*

汪海年，高俊锋，赵 欣，尤占平,3，田原宇

(1.长安大学 道路结构与材料交通行业重点实验室，陕西 西安 710064；2. 中交通力建设股份有限公司，陕西 西安 710075；3.密歇根理工大学，土木工程与环境学院，霍顿 美国 49931; 4. 中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580)

基于DSR和RV的生物沥青结合料流变特性研究*

汪海年1,2†，高俊锋1，赵 欣1，尤占平1,3，田原宇4

(1.长安大学 道路结构与材料交通行业重点实验室，陕西 西安 710064；2. 中交通力建设股份有限公司，陕西 西安 710075；3.密歇根理工大学，土木工程与环境学院，霍顿 美国 49931; 4. 中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室，山东 青岛 266580)

探究了生物沥青的复数剪切模量、相位角、车辙因子和粘度随着不同温度、不同生物质重油掺量的变化而变化的情况.分析了根据粘温曲线确定生物沥青的拌合与压实温度存在的问题.研究表明，生物沥青的高温性能随着温度的增加及生物质重油掺量的增加而降低；在温度不大于135 ℃的范围内，随着生物质重油掺量的增加，生物沥青的粘度逐渐降低；生物沥青存在一定的老化现象；根据粘温曲线确定生物沥青拌合与压实温度的方法的适用性有待进一步研究.

道路工程；生物沥青；结合料；流变特性

随着我国高等级公路沥青路面的建设与养护的不断增加，沥青材料的需求量也持续增加.同时，作为不可再生资源的石油沥青因国际战乱、原油储备等因素的影响，其价格居高不下.这些影响制约了沥青路面的建设与发展.因此，寻求可替代沥青的再生材料成为国际道路领域的迫切需要.

而生物质能源可再生、储量大、分布广，经过快速热裂解技术可以提取出生物质重油.将生物质重油与石油沥青进行混溶，并适当添加外掺剂，制备成生物沥青，以此来改性或者替代石油沥青，成为了目前国内外研究的新方向.Julian和You采用猪粪便制得的生物质重油以5%掺量与PG64-22石油沥青制备得到生物沥青，并采用旋转粘度计(RV)、动态剪切流变仪(DSR)、弯曲梁流变仪(BBR)对短期老化前后的生物沥青进行研究[1].Tang等将由玉米秸秆、橡木树屑、碎草屑3种生物质提炼出的生物质重油，分别以3%,6%与9%的掺量，加入两种基质沥青与一种SBS沥青，制备成生物沥青，并采用DSR对短期老化前后生物沥青的高温等级进行测试，从而分析生物沥青的高温与抗老化性能[2].Raouf等对橡木木屑进行裂解得到生物油，将生物油预处理2 h，然后分别掺入2%与4%的聚乙烯对其改性，从而测定40～160 ℃温度区间内生物沥青的粘度，分析温度对粘度的影响[3-4].Fini等将猪粪高温热处理所获得的生物油作为改性剂，以2%，5%与10%的掺量对石油沥青进行改性，并采用旋转粘度计(RV),DSR与BBR对改性制得的生物沥青的高温粘度、高温流变与低温流变特性进行了室内实验[5-8].Yang等采用柳杉木屑热裂解的生物油对台湾石油公司的AC-20石油沥青进行改性，掺量分别为2%，8%，25%和50%，对改性制得的生物沥青的密度、高温粘度与流变特性进行了测试[9].然而，国内对生物沥青的研究较少，且生物质重油的生产也鲜有公开报道.

本文基于DSR和RV，针对生物质重油加入到石油沥青中混溶之后制备而得的生物沥青的高温流变特性进行探究.较为深入地分析了不同生物质重油掺量、不同温度条件下的试验结果，为进一步的研究与工程应用奠定了基础.

1 原材料与生物沥青的制备

1.1 原材料

1．1．1 基质沥青

基质沥青采用新加坡产壳牌70#沥青，其技术指标见表1.

1．1．2 生物质重油

生物质重油是由将农作物秸秆、稻壳、木屑、废弃食物油脂及各类生畜粪便等高温加压蒸馏先制成生物油，再将生物油再逐渐分段冷凝而制得.本研究采用的生物质重油由国内某生物质能源企业生产，其原料为木屑，通过快速热裂解技术，将生物质分解并最终得到.该生物质重油在常温下为黑褐色膏状物，有一定的可塑性，与石油沥青基本一致，在颜色上稍微偏淡，偶尔呈现棕黄色，其元素组成和理化特性见表2所示.需要指出的是，目前国内生产生物质产品多用于提炼生物汽油、烧烤炭等，直接生产生物质重油的厂家相对较少，且因生产原料与工艺的不同，生物质重油呈现的形态特征也有所差异.

表1 70#沥青技术指标与技术要求

表2 木屑生产的生物质重油元素组成和理化特性

1.2 生物沥青的制备

已有研究表明，生物质重油与石油沥青的组成成分相似，二者具有良好的相容性[10].因此本研究采用中速剪切方法制取生物沥青.其具体制备方法为：首先将石油沥青加热熔融，加入不同掺量的生物质重油.通过恒温设备使之维持在120 ℃左右，同时采用高速剪切机以1 000 r/min的转速剪切搅拌20 min，制得生物沥青.本文中，基于DSR研究部分采用4种不同掺量(20%，30%，40%，50%)的生物沥青，基于RV研究部分，为了更好地对比，增加了15%，25% 2个掺量，以此对其流变特性进行较系统的研究.本文所研究的生物沥青PG分级的高温分级均为58 ℃，其3大指标见表3.

表3 生物沥青技术指标

2 基于动态流变剪切仪(DSR)的生物沥青流变特性研究

2.1 动态剪切流变仪

沥青作为粘弹性材料，美国SHARP计划采用动态剪切流变仪(DSR)测量夹在震荡板和固定板之间的沥青试样在规定的角速度(ω为10 rad/s)和温度下的复数剪切模量G*和相位角δ，来评价沥青结合料的粘弹性性质.Superpave规范采用车辙因子G*/sinδ来表征沥青结合料的高温抗永久变形能力，衡量沥青的高温抗车辙特性.G*/sinδ越小，表明其高温性能越低.G*是全剪应力和全剪应变的比值，反映材料的抗变形的劲度模量，它由两部分组成：弹性模量G′(可恢复部分)和粘性模量G″(不可恢复部分).相位角δ是试验状态下沥青作用应力和应变之间的时间滞后，是弹性和粘性成分的比例，对于完全弹性材料，相位角约等于零，而对于粘性材料，相位角接近于90°.

2.2 流变特性研究

对不同生物质重油掺量(0%，20%，30%，40%和50%)的生物沥青在不同的温度(46 ℃，52 ℃，58 ℃，64 ℃，72 ℃和76 ℃)下进行DSR试验，分别测得其复数剪切模量G*、相位角δ和车辙因子G*/sinδ，并进行分析.

1)复数剪切模量G*

不同试验温度、不同生物质重油掺量下生物沥青复数剪切模量的变化如图1所示.图中在相同的试验温度下，生物沥青的复数剪切模量均小于70#石油沥青的复数剪切模量，且随着重油掺量的增加，生物沥青的复数剪切模量不断减小，表明生物沥青的抗变形性能随着重油的增加而降低.与70#石油沥青相比，不同温度下，重油掺量为20%和30%时，生物沥青的复数剪切模量减小约50%；重油掺量为40%和50%时，生物沥青的复数剪切模量减小约60%.

图1 不同试验温度下原样生物沥青复数剪切模量的变化

2)相位角δ

图2是不同试验温度、不同重油掺量下生物沥青相位角的变化.在相同的复数剪切模量G*下，高温状态时，相位角δ越大，即tanδ越大，表示在荷载作用下模量的粘性成分越大，即变形的不可恢复的部分越大，越容易产生永久性变形.在不同温度条件下，掺入生物质重油后的生物沥青相位角均小于基质沥青.同时，生物沥青的相位角随着重油掺量的增加而增加，说明生物沥青的粘性成分增加，其抵抗车辙能力下降.

图2 不同重油掺量下生物沥青相位角的变化

图3是不同试验温度、不同重油掺量下RTFO老化后石油沥青与生物沥青复数剪切模量的变化.在相同的试验温度下，老化后生物沥青的复数剪切模量均大于70#石油沥青的复数剪切模量，且生物沥青的复数剪切模量随着重油掺量的增加而减小.与70#石油沥青相比，温度小于64 ℃时，生物沥青的复数剪切模量增加约100%；温度大于70 ℃时，生物沥青的复数剪切模量增加约60%.

生物沥青老化前后复数剪切模量对比表明，老化后生物沥青的复数剪切模量大幅增加，增长率在80%以上，主要原因在于生物质重油内含有相对较多轻质组分，老化后轻质组分挥发，导致其老化后硬度大于基质沥青.

图3 不同试验温度下RTFO老化后生物沥青复数剪切模量的变化

3)车辙因子(G*/sinδ)

车辙因子G*/sinδ是衡量沥青高温抗车辙特性的综合指标之一.试验温度及生物质重油掺量的变化，对车辙因子产生不同的影响.图4为不同温度不同掺量对生物沥青车辙因子G*/sinδ的影响.

(a)为原样生物沥青.在不同的试验温度下，生物沥青的车辙因子均小于70#石油沥青的车辙因子.随着温度的增加，生物沥青车辙因子降低，即生物沥青对车辙的抵抗变形能力降低，易产生车辙.在相同的试验温度下，G*/sinδ大小依次为(G*/sinδ)(G*/sinδ)70#>(G*sinδ)20%>(G*sinδ)30%>(G*sinδ)40%>(G*sinδ)50%,即随着生物质重油掺量的增加，生物沥青高温性能降低.

(b)为RTFO老化后的生物沥青.在不同的试验温度下，生物沥青的车辙因子均高于70#石油沥青.在相同的试验温度下，G*/sinδ的大小依次为(G*/sinδ)20%>(G*/sinδ)30%>(G*/sinδ)40%>(G*/sinδ)50%>(G*/sinδ)70#.研究表明，与70#石油沥青相比，老化后，生物沥青相对变硬，生物沥青的老化性能较差.

表4为生物质重油的掺量对生物沥青高温车辙因子的单因素方差分析．单因素方差分析可发现：RTFO老化前后生物质重油的F值均小于0.05，说明试验温度对生物沥青的高温车辙因子有显著影响.温度越高，生物沥青车辙因子越小.

表5为生物质重油掺量对生物沥青车辙因子G*/sinδ的单因素方差分析．单因素方差分析后可知：RTFO老化前后生物沥青的F值均大于0.05，表明生物质重油的掺量对生物沥青原样的车辙因子没有显著性影响.老化前F值大于老化后，因此，生物质重油对老化前生物沥青的车辙因子的影响较对老化后的大.

图4 不同温度不同掺量下生物沥青的车辙因子

表4 试验温度对生物沥青车辙因子的单因素方差分析

表5 生物质重油掺量对生物沥青车辙因子的单因素方差分析

3 基于布氏粘度仪(RV)的生物沥青流变特性研究

3.1 布氏粘度仪

高温下沥青的粘度越小表明沥青混合料的可拌合性与可压实性越好.本研究中使用Brookfield旋转粘度仪来确定生物沥青的旋转粘度.其中，试验转子为27号，转速为20 r/min.沥青试样的质量为10.5 g，实验室状态下生物沥青的粘度试验温度分别为90 ℃，105 ℃，120 ℃，135 ℃，150 ℃和175 ℃.

3.2 试验温度和生物质重油掺量对粘度的影响

粘度作为流变特性的研究内容之一，试验温度和生物质重油掺量对生物沥青的旋转粘度有一定的影响.

图5是不同试验温度不同掺量下生物沥青布氏旋转粘度的变化情况.由图可知：

试验温度/℃

1)生物沥青的布氏旋转粘度随着温度的增加而减小.重油掺量为50%的生物沥青在温度为90～105 ℃时，旋转粘度下降较快，在温度大于105 ℃时，旋转粘度变化趋势平缓，温度对其影响较小.重油掺量小于50%的生物沥青在温度为90～120 ℃时，旋转粘度下降较快，在温度大于120 ℃时，旋转粘度变化趋势平缓，温度对其影响较小.温度大于135 ℃时，6组不同重油掺量的生物沥青的布氏旋转粘度趋势线基本重叠，即其旋转粘度的试验数据相差很小，同时，因温度升高，粘度的差异性本身减小，导致重油掺量对其影响非常小的现象.因此，为了区分生物质重油不同掺量对生物沥青粘度的影响，其试验温度建议不大于135 ℃.

2)与70#石油沥青对比，当温度低于120 ℃时，70#石油沥青的粘度大于生物沥青；当温度高于120 ℃时，生物沥青的粘度逐渐接近于70#石油沥青.说明试验过程中，过高的温度使生物沥青发生一定程度的老化.

3.3 根据粘度确定拌合与压实温度范围

用Brookfield旋转粘度仪测定不同温度下，生物沥青的粘度，绘制粘温曲线，以进一步确定拌合与压实温度范围.本研究采用温度为135 ℃和175 ℃.

将在不同温度条件下测定的粘度，绘制于图6所示的粘温曲线中，确定生物沥青混合料的施工温度.当使用石油沥青时，宜以粘度为0.17±0.02 Pa·s 时的温度作为拌合温度范围，即粘度范围为0.15～0.19 Pa·s；以粘度为0.28±0.03 Pa·s时对应的温度作为压实的温度范围，即粘度范围为0.25～0.31 Pa·s，见图6标注区域.

生物沥青是生物质重油与石油沥青的快速混溶形成的结合物，作为一种新型材料，它属于改性或替代沥青的材料.此处结合规范，借鉴石油沥青的粘度范围，给出生物沥青的拌合与压实的参考温度，具体还应该结合工程中的实践经验，确定合理的拌合温度和压实温度.

图6为由生物沥青结合料的粘温曲线确定拌合与压实温度.拌合温度范围与压实温度范围具体数值如表6所示.

图6 由生物沥青的粘温曲线确定压实与拌合温度

表6 生物沥青拌合温度范围与压实温度范围

由表6可以看出，对生物沥青，随着生物质重油掺量的增加，其拌合温度和压实温度呈降低趋势.然而，生物沥青的拌合温度均较70#沥青高，且其压实温度在掺量为30%以下时也较70#沥青高.这是由于此时温度过高，导致生物沥青产生一定程度的老化，使之粘度比基质沥青增加，而产生了伪现象.由此表明，石油沥青的根据粘温曲线确定沥青拌合温度范围与压实温度范围的方式对生物沥青的适用性有待进一步探究，同时，生物沥青的老化特性有待进一步研究.

4 结 论

采用以木屑为原料提炼出的生物质重油，与石油沥青混溶，制备而成生物沥青.基于该生物沥青，首次较为深入地研究了复数剪切模量、相位角、车辙因子和粘度随着生物质重油掺量的变化而变化的情况，并首次分析了根据粘温曲线确定生物沥青的拌合与压实温度存在的问题.结论如下：

1)随着生物质重油掺量的增加，原样生物沥青复数剪切模量G*逐渐减小，相位角δ逐渐增大，车辙因子G*/sinδ逐渐降低，RTFO老化后也呈现类似规律.表明，向石油沥青加入生物质重油后，其高温性能有所降低.

2)在温度不大于135 ℃的范围内，随着生物质重油掺量的增加，生物沥青的粘度逐渐降低，当温度超过135 ℃时，其粘度随着掺量的改变不发生明显变化.为了区分生物质重油不同掺量对生物沥青粘度的影响，试验温度建议不大于135 ℃.

3)根据粘温曲线确定出的生物沥青拌合与压实温度与基质沥青相比，产生了一定的伪现象.因此该方法对生物沥青的适用性有待进一步研究,生物沥青的老化特性也有待进一步研究.

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WANG Hai-nian, GAO Jun-feng, YOU Zhan-ping,etal. Advances in bio-binder application on road pavement[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2014,36(7):57-60.(In Chinese)

Rheological Properties on Bio-binder Based on DSR and RV

WANG Hai-nian1,2†, GAO Jun-feng1, ZHAO Xin1, YOU Zhan-ping1,3,TIAN Yuan-yu4

( 1. Road Structure and Materials Key Laboratory for Transportation, Chang’an Univ, Xi’an,Shaanxi 710064, China;2. Zhongjiao Tongli Construction Co, Ltd, Xi’an， Shaanxi 710075, China;3. Civil and Environmental Engineering Dept, Michigan Technological Univ, Houghton, MI 49931; 4.State Key Laboratory of Heavy Oil, China Univ of Petroleum (East China), Qingdao，Shandong 266580, China)

The variations of complex shear modulus, phase angle , rutting factor and viscosity under different temperatures and different contents of bio-oil were investigated. Some problems on the ascertaining of mixing and compaction temperature on bio-binder based on the viscosity-temperature curve were discussed. This research showed that the high temperature performances of bio-binder decreased with the increase of temperature and content of bio-oil if the testing temperature was below 135 ℃. There is some aging on the bio-binder if heated too high， and the method of determining the mixing and compaction temperature on bio-binder has to be studied in the future.

road engineering; bio-binder; binder; rheological properties

1674-2974(2015)06-0026-08

2014-10-13

国家自然科学基金资助项目(51378074)，National Natural Science Foundation of China(51378074) ；交通运输部应用基础研究项目 (2014319812180)

汪海年(1977-)，男,江苏涟水人，长安大学教授，博士

†通讯联系人，E-mail:wanghainian@aliyun.com

U414

A