改性生物沥青耐老化性能研究

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(东北林业大学 土木工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150040)

如今我国公路事业正在飞速发展，公路里程总数达到446.39万km，高速公路里程也已超过11万km[1]。高等级公路的建设和翻修以及低等级公路的改扩建工程是现在公路建设的主要任务。环顾世界各国，大部分国家都在积极建设本国公路，虽然发达国家公路基本完善，但随着公路使用年限的增加，也避免不了进行翻修工程。在高等级公路修筑翻修工程中，我国和其他国家均普遍采用沥青混凝土这种路面形式。而铺筑路面的沥青大多为石油沥青，石油沥青作为石油加工后的副产品，同受石油资源这一不可再生资源产量的影响。为了减少石油沥青用量，各国公路学者都在积极寻找和研究石油沥青的替代品。

生物油是一种可再生且对环境无害的生物资源，它来源广泛，可用植物秸秆、动物粪便通过快速裂解技术制得生物油，生产成本便宜，可再生，可降解[2-4]，并与石油沥青性质较为相似，因此，可以将生物油按一定比例掺入到基质沥青中，通过混合制备成生物沥青[5-7]。这样的方式生物油可以替代一部分石油沥青，从而达到减少沥青使用量的目的。

沥青的老化可分为两种： 一种是在沥青混合料拌合、运输及摊铺碾压过程中发生的短期老化；另一种是公路使用过程中沥青路面经受野外环境的热、氧、光、水而发生的长期老化[8]。沥青的耐老化性能可直接影响沥青路面的使用寿命，因此有必要对沥青的耐老化性能进行深入研究。生物油的掺入也会影响到石油沥青的耐老化性能，所以本文选取实际工程中最常应用的SBS、SBR以及胶粉三种改性剂来对生物沥青进行改性，通过变换生物油掺量，运用RTFOT试验来研究这3种改性生物沥青的耐老化性能。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

a.基质沥青。

本文选用的基质沥青为北方公路建设常用的90#A级道路石油沥青，其技术指标见表1。

表1 基质沥青主要技术指标Table 1 Main technical specifications of base asphalt指标试验结果规范要求针入度(25 ℃,5 s,100 g)/(0.1 mm)83.7 80～100针入度指数PI-0.63-1.5～1.0软化点(环球法)/℃47.1 ≮45延度(15 ℃)/cm>100≮100

b.生物油。

本文所采用的生物油来源于国内某生物科技有限公司，该生物油以木屑为原料加工制成，常温下为固体，颜色呈黑色，与石油沥青相比，颜色略淡。

c.改性剂。

本文选用的三种改性剂分别为SBS、SBR和废旧橡胶粉，其中SBS和SBR来自国内某橡胶制品公司，废旧橡胶粉是通过报废轮胎加工磨细制成的，本文所选用的橡胶粉为道路工程中常用的40目橡胶粉。

1.2 改性生物沥青的制备

a.改性剂掺量的选择。

为研究不同生物沥青掺量对改性生物沥青老化性能的影响，需选择合适掺量的改性剂，以保证改性生物沥青的各方面性能。

本研究在对SBS改性生物沥青进行制备时，所选用的SBS掺量为5%。在大多数研究及实际工程当中，SBS掺量为3%～5%，因有生物油的存在，为了保证改性生物沥青的性能，所以将SBS的掺量定为5%。

本研究在制备胶粉改性生物沥青时，胶粉的掺量为18%。根据文献[9]，制备橡胶沥青时，当胶粉掺量超过18%后，橡胶沥青的软化点等指标已经基本趋于稳定而不再发生较大变化，因此本研究在制备胶粉改性生物沥青时将胶粉掺量定为18%。

本研究在制备SBR改性生物沥青时，所选用的SBR掺量为4%。根据文献[10]，制备SBR改性沥青时，当SBR掺量在3%～4%时，改性效果最好，因此本研究在制备SBR改性生物沥青时，选用的改性剂掺量为4%。

b.改性沥青的制备工艺。

① SBS改性生物沥青的制备。

为降低生物油在制备改性生物沥青过程中的老化程度，决定采用先加入SBS再加入生物油的制备工艺。具体制备工艺为:先将SBS加入到基质沥青中，通过普通搅拌设备在160 ℃的条件下搅拌20 min，使SBS在沥青中充分溶胀，然后再使用高速剪切设备在170 ℃的条件下剪切40 min[11]，最后将生物油加入其中用普通搅拌设备在130 ℃的条件下搅拌10 min[12-13]。试验中发现改性沥青在130 ℃时仍处于熔融状态,因此可以保证生物油能很好地掺入到改性沥青当中；而当试验温度超过130 ℃后,发现搅拌过程中有少许烟雾产生,这可能是生物油发生老化导致；为了保证生物油的溶合效果且减少生物油老化,决定将生物油掺入改性沥青的试验温度确定为130 ℃。

② 胶粉改性生物沥青的制备。

制备胶粉改性生物沥青时仍采用先加入胶粉再加入生物油的改性顺序，搅拌胶粉时采用普通搅拌设备进行搅拌。本研究制备胶粉改性生物沥青的具体工艺为，先将胶粉加入到基质沥青中，采用普通搅拌设备在180 ℃条件下搅拌45 min，然后加入生物油在130 ℃条件下搅拌10 min，胶粉改性生物沥青制备完成。

③ SBR改性生物沥青的制备。

本研究制备SBR改性生物沥青的具体工艺为：先将SBR加入到基质沥青中搅拌均匀，然后用高速剪切设备在150 ℃条件下剪切50 min[14]，最后加入生物油在130 ℃条件下搅拌10 min，完成SBR改性生物沥青的制备。

1.3 试验方法

本研究按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[15]中的相关要求进行试验。通过旋转薄膜加热试验(RTFOT)来模拟不同改性生物沥青的老化，该试验方法较薄膜加热试验(TFOT)，具有试验时间短且试验结果精度高的优点[16]，因此本研究选用旋转薄膜加热试验来模拟改性生物沥青的老化。3种改性生物沥青在老化前需进行针入度、软化和延度等性能测试，通过老化前对3种改性生物沥青的3大指标的测试发现：生物油掺量在10%～30%范围内时，胶粉改性生物沥青在15 ℃的延度测试中，其延度值均小于10 cm，而SBR改性生物沥青的15 ℃延度值均大于150 cm，5 ℃的延度测试发生脆断，因此在老化试验后，对于胶粉改性生物沥青和SBR改性生物沥青仅测试针入度和软化点两项性能指标。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

具体试验结果见表2、表3、表4、图1。

表2 生物油掺量对SBS改性生物沥青老化前后性能指标的影响Table 2 Effect of bio-oil content on the performance of SBS modified bio-asphalt before and after aging生物油掺量/%25 ℃针入度/0.1 mm软化点/℃15 ℃延度/cm老化前老化后残留针入度比/%老化前老化后软化点增值/℃老化前老化后残留延度比/%1058.335.160.270.274.13.9102.730.429.62059.732.354.164.469.95.596.227.128.2306228.546.062751388.423.226.2

表3 生物油掺量对胶粉改性生物沥青老化前后性能指标的影响Table 3 Effect of bio-oil content on the performance of rubber powder modified bio-asphalt before and after aging生物油掺量/%25 ℃针入度/0.1 mm软化点/℃老化前老化后残留针入度比/%老化前老化后软化点增值/℃1051.337.272.560.763.52.82052.53668.660.164.74.63056.430.453.959.665.35.7

表4 生物油掺量对SBR改性生物沥青老化前后性能指标的影响Table 4 Effect of bio-oil content on the performance of SBR modified bio-asphalt before and after aging生物油掺量/%25 ℃针入度/0.1 mm软化点/℃老化前老化后残留针入度比/%老化前老化后软化点增值/℃1081.744.754.750.156.36.22096.257.159.448.9545.130102.249.248.145.656.410.8

图1 不同改性生物沥青的残留针入度比对比Figure 1 Comparison of residual penetration ratio of different modified bio-asphalt

2.2 试验结果分析

为了评价老化对3种改性生物沥青性能产生的影响，本文选用残留针入度比、软化点增值及残留延度比作为评价指标。由于没有测试SBR改性生物沥青及胶粉改性生物沥青老化后的延度值，因此本文以残留针入度比及软化点增值作为主要评价指标，以残留延度比作为辅助评价指标。

2.2.1残留针入度比

残留针入度比定义为老化后沥青针入度与原状沥青针入度的比值[17]，残留针入度比反应的是沥青老化对针入度的影响，其值越大，影响越小，越有利，反之则不利[18]。

由表2、表3可以看出：SBS改性生物沥青和胶粉改性生物沥青的残留针入度比都比较有规律性，两者的残留针入度比均随着生物油掺量的增加而减小。当生物油掺量从10%增加到20%时，SBS改性生物沥青残留针入度比减小了10.1%，胶粉改性生物沥青减小了5.4%；当生物油掺量从20%增加到30%时，SBS改性生物沥青的残留针入度比减小了15%，胶粉改性生物沥青减小了21.4%。从数据分析可以看出，随着生物油掺量的增加，SBS改性生物沥青及胶粉改性生物沥青的残留针入度比减小幅度是逐渐增大的。说明生物油的掺入对SBS改性生物沥青及胶粉改性生物沥青的耐老化性能是有影响的，且随着生物油掺量的增加；对其影响程度也增大。

由表4可以看出，随着生物油掺量的增加SBR改性生物沥青的残留针入度比呈现先增大后减小的趋势，而总体呈现减小的趋势。通过总体趋势，可以说明老化对于SBR改性生物沥青针入度的影响是逐渐增大的。为避免再出现这种波动趋势，今后如进行SBR改性生物沥青的其他性能研究应适当增加试验量。

由图1可以看出：3种改性生物沥青在同种生物油掺量下对比残留针入度比，发现胶粉改性生物沥青残留针入度比最大，说明胶粉改性生物沥青老化后对针入度的影响最小。当生物油掺量超过10%后，发现SBR改性生物沥青的残留针入度比要大于SBS改性生物沥青，说明当生物油掺量大于10%后，SBR改性生物沥青老化后对于针入度的影响要小于SBS改性生物沥青。但不能说明SBR改性生物沥青耐老化性能好于SBS改性生物沥青。

2.2.2软化点增值

软化点增值定义为老化后的沥青软化点与原状沥青软化点的差值，软化点增值是为了评价沥青老化对其软化点的影响，软化点增值绝对值越大，影响也就越大，反之则越小。正值有利，反之不利[18]。

由表2和表3可以看出：SBS改性生物沥青和胶粉改性生物沥青的软化点增值变化均随着生物油掺量的增加而增加，其中SBS改性生物沥青软化点增值的增长幅度也随着生物油掺量的增加而增加；但是胶粉改性生物沥青软化点增值的增长幅度却是随着生物油掺量的增加而减小了，这也可以看出由于胶粉的掺入减小了老化对于软化点的影响。

由表4可以看出：SBR改性生物沥青的软化点增值是随着生物油掺量的增加而呈现先减小后增大的趋势，但总体趋势仍是增大的。说明随着生物油掺量的增加，老化对于SBR改性生物沥青软化点的影响是逐渐增加的。

通过图2可以看出：生物油掺量在10%～30%时，胶粉改性生物沥青的软化点增值始终是最小的，说明了胶粉改性生物沥青的耐老化性能好于其他两种改性生物沥青。当生物油掺量超过10%时，可以看出SBR改性生物沥青的软化点增值要小于SBS改性生物沥青，表明当生物油掺量超过10%时，老化对SBR改性生物沥青软化点产生的影响要小于SBS改性生物沥青。

图2 不同改性生物沥青的软化点增值对比Figure 2 Comparison of softening point increment of different modified bio-asphalt

2.2.3残留延度比

残留延度比定义为老化后沥青延度与原状沥青延度之比，它也是衡量沥青老化程度的指标，残留延度比越大，老化对沥青延度的影响越小，则有利，反之则不利[18]。

由表2可以看出:SBS改性生物沥青的残留延度比是随着生物油掺量的增大而减小的。当生物油掺量从10%增加到20%时，其残留针入度比减小了4.7%；而生物油掺量由20%增加到30%时，其残留延度比减小了7.1%，减小幅度增大，说明影响程度逐渐加重。

3 结语

a.通过对SBS改性生物沥青的残留针入度比、软化点增值及残留延度比这3项指标的分析可以得出结论：老化对其针入度和延度均产生了不利的影响，对其软化点产生了有利的影响。当生物油掺量超过20%时，SBS改性生物沥青的3项指标均出现了大幅度的变化，就耐老化性能而言，建议制备SBS改性生物沥青时，生物油掺量要小于20%。

b.通过对胶粉改性生物沥青的残留针入度比及软化点增值这两项指标的分析可以得出结论：老化对胶粉改性生物沥青的针入度产生了不利影响，而对其软化点产生了有利影响。当生物油掺量超过20%时，胶粉改性生物沥青残留针入度比产生了大幅度的下降，而软化点增值变化幅度减小，结合这两项指标，建议制备胶粉改性生物沥青时，生物油掺量不要超过20%。

c.通过对SBR改性生物沥青的残留针入度比及软化点增值这两项指标的分析可得出结论：虽然两项指标随生物油掺量的增加出现了波动，但是总体的变化趋势与其他两种改性生物沥青相同，可以说明，老化对SBR改性生物沥青的针入度产生了不利影响，而对其软化点产生了有利影响。

d.通过对相同生物油掺量下的不同改性生物沥青的残留针入度比及软化点增值进行对比分析，可以得出结论：当生物油掺量在10%～30%时，老化对胶粉改性生物沥青产生的影响最小，因此胶粉改性生物沥青的耐老化性能要好于其他两种改性生物沥青。当生物油掺量超过10%时，老化对SBR改性生物沥青产生的影响要小于SBS改性生物沥青。由于试验数量有限，并不能判断生物油掺量超过10%时，SBR改性生物沥青的耐老化性能是否好于SBS改性生物沥青。