生物结合料共混沥青改性技术研究

何俊辉 赵艳纳 应河洋 李平

摘要：为研究生物结合料共混沥青改性性能，以研制出一种低价、高质的生物共混沥青，文章采用三大指标常规试验，对生物油、生物共混沥青和SBS改性生物共混沥青进行性能评价。结果表明：四种生物油单掺结果中生物油A综合性能最优;15%生物油A掺量下生物共混沥青性能最优，满足90号道路石油沥青技术要求;优选SBS改性生物共混沥青最优掺量为15%生物油A、3%SBS。

关键词：生物油;共混;沥青;SBS;改性研究

中图分类号：U414文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.001

文章编号：1673-4874（2019）09-0001-05

O引言

截至2018年，我国高速公路总里程已达到14.26万km，居世界首位。近年来由于沥青路面行车舒适、降尘等优点，投资建设沥青路面公路成为大势所趋，以至于沥青的需求量日益增加。同时我国沥青资源随着基础设施建设进程加快而逐渐匮乏，导致沥青价格逐年递增，大大增加公路投资建设费用。故为解决石油沥青此类不可再生资源的匮乏问题，降低公路建设投资费用，越来越多的学者在急迫寻找一种可以代替石油沥青的资源。

生物油（生物结合料）是一种从动植物中高温蒸馏得来的产物，表观特征与石油量极为相近。目前生物油生产成本约为2000-3000元/t，相比于重交石油沥青每吨可节约1000～2000元，并且热裂解后的生物油可采用简单设备与石油沥青溶合，制备成本低廉。近年来，诸多学者采用热裂解工艺从生物质中提取生物结合料，Ningrum等从椰子壳中高温热解产出焦油作为生物结合料;Mills-Beale等采用热裂解工艺，在380℃温度和40MPa压力下，提取猪粪中的生物油制备生物共混沥青;Yang等采用热裂解设备从密歇根木材中提炼生物结合料。本文中选用四种不同生物结合料，优选不同掺配比例（5%、10%、15%和20%）制备成生物共混沥青，并在此基础上进行SBS改性，以制备得到经济、性能优良的改性生物共混沥青。

1原材料及制备工艺

1.1生物油

本试验研究选用生物油如下页表1所示，其外观见下页图1。

1.1.1玉米植物油

选用的生物油A产自长春大成集团，原料为玉米，属于提取乙二醇和丙二醇的副产品，常温下为固态，其质量检验报告如表2所示。

1.1.2 松木片植物油

选用的生物油B产自山东泰然集团，原料为松木片，该植物油常温下呈粘稠状，红褐色，加热后呈黑色，其检验指标报告如表3所示。

1.1.3地沟油

选用的生物油C产自河北隆海生物能源股份有限公司，原料为地沟油，经过酯化、脂交换反应，制得植物沥青，其质量检验报告如表4所示.

1.1.4 植物油

选用的生物油D产自江西天沅环保股份有限公司，为制备植物脂肪酸产物，呈黑色粘稠状液体，其酸值<45。

1.2 基质沥青

本试验选用壳牌70#基质沥青，其具体性能指标如表5所示.

1.3 改性剂

本试验SBS为线型1401，产自燕山石化有限公司，产品成乳白色，其具体性能如表6所示.

1.4 制备工艺

本试验使用高速剪切机。其改性工艺在交通运输部公路科学研究院何敏的研究基础上进行调整。搅拌速率控制在4000r/min，将70#石油沥青慢慢加入到生物油中顺序搅拌，将生物油与基质沥青完全混合，搅拌时的温度控制在95℃-110℃范围内，搅拌时间控制在30min左右，当基质沥青与生物油搅拌均匀即可停止。将沥青浇注试模，制备得到生物共混沥青。

将生物共混沥青在高温下熔化，注意加热温度应在闪点以下。将改性剂放入已熔化的生物共混沥青中，使用高速剪切机，搅拌速度控制在5000r/min，在160℃-170℃下搅拌20min，以保证改性剂溶胀发育完全;之后使用高速剪切机设备对改性沥青进行剪切，剪切速度控制在4000r/min，剪切时间≥20h，温度控制在160℃-170℃，改性剂剪切完全后再搅拌10min，保证改性剂均匀分散在沥青中;搅拌完成后放入120℃烘箱中备用，制得改性生物共混沥青。

2 生物结合料掺量对沥青性能影响

本试验将生物油A、B、C和D按上述制备工艺将一定掺量（5%、10%、15%、20%）掺入到70#基质沥青中，进行三大指标性能研究，确定最佳生物共混沥青掺量。

2.1生物油性能測试

本试验将四种生物油进行三大指标试验.试验结果如表7所示。

由表7可知：

（1）生物油A与另三种生物油针入度差异较大，而生物油B、C和D针入度较为接近.生物油B针入度值远大于生物油A，差距可达到40倍;生物油C与D针入度相比于生物油B差值在10（0.1mm）范围内。这与四种生物油常温下状态相符合，即生物油A呈固态，而生物油B、C和D呈流动粘稠状态。

（2）生物油A、C和D的软化点无法测取，高温性能较差，生物油B的高温性能较之另三种生物油较好。无法测取生物油A、C和D的软化点，这是因为这三种生物油在5℃水中冷却时，其密度均小于水，生物结合料无法粘结。

（3）四种生物油的低温性能均较差，15℃下测试延度值时均脆断，这主要是由于生物油在低温环境下低温劲度大，容易产生脆断。

2.2 生物共混沥青性能测试

本试验将生物油A、B、C和D按上述制备工艺将一定掺量（5%、10%、15%、20%）掺入到基质沥青中，进行三大指标性能研究，确定最佳生物油掺量.试验结果如表8所示。

由表8可知：

（1）随着生物油掺量的增加，四种生物共混沥青针入度值变化规律存在差异性，其中生物共混沥青A与B针入度变化不明显，而生物油C与D具有显著增加的趋势，如图2所示。针入度值过大或过小均不能满足路用要求，相比较于70#基质沥青，较好的针入度范围应在60-80（0.1mm）。四种生物油中，针入度优选排序为：B>A>C>D。

（2）随着生物油掺量的增加，四种生物共混沥青呈现了三种不同变化规律，其中生物共混沥青A软化点呈现上升趋势，生物共混沥青B变化不明显，而生物共混沥青C.D显著下降，如图3所示。这表明生物油A能提高沥青的高温性能，而生物油B、C、D由0%-20%，软化点分别下降了7.6%、27.4%、31.8%。四种生物油中，高温性能由优到劣排序为：A>B>C>D。

（3）随着生物油掺量的增加，三种生物共混沥青延度变化幅度并不统一，部分生物共混沥青呈现缓慢下降趋势（如A、C），而生物共混沥青B下降趋势较为明显，从0%-5%掺量发生突变，如图4所示。这表明生物油掺入，降低了沥青的低温性能.生物油由0%-20%，延度别下降了32.9%、72.5%、34.9%。由于生物共混沥青D在各个掺量的15℃延度值均>150cm，其低温性能在四种生物量中表现最为优良。四种生物油中，低温性能由优到劣排序为：D>C>A>B。

3改性剂掺量对沥青性能影响

上述研究表明，本文生物共混沥青A与B的15℃延度值随着生物油掺量的增加呈下降趋势，其低温性能较差。生物共混沥青A的软化点随生物共混沥青的掺加得以提高，生物油A能够在某一程度上提高其高温性能，且生物油A掺量在15%时，生物共混沥青结合料针入度、软化点与延度分别为：80.5（0.1mm）、54.5℃和83cm，满足90#道路石油沥青技术要求，故建议本文选择15%生物油A作为生物共混沥青物质。

由于低温性能较差，需要选择能改善低温性能的改性剂。SBS对沥青的各项性能均有改善，且为全世界范围内应用最广泛的高聚物改性剂，故本文中选择SBS改性剂，以三大指标评价改性效果，以制备性能优良的改性生物共混沥青。

3.1针入度分析

针入度是表征沥青材料稠度大小的重要指标，材料稠度越大，针入度值越小。本试验选用SBS（2%、3%、4%）分别对70#基质沥青与生物共混沥青（15%）进行单一改性试验，针入度试验结果如表9所示。

由表9可知：

随着SBS掺量的增加，基质沥青与生物共混沥青的针入度值均呈下降趋势，生物共混沥青变化先基本不变，过3%掺量后随之减小，如图5所示。表明了SBS的掺入使沥青弹性变大，也有可能是由于标准针扎至SBS固体颗粒，导致针入度减小。

3.2软化点分析

本试验选用SBS掺量（2%、3%、4%）分别对70#基质沥青与生物共混沥青（15%）进行单一改性试验，软化点试验结果如表10所示。

由表10可知：

随着SBS掺量的增加，生物共混沥青与基质沥青软化点均呈上升趋势，但增加幅度差异明显。当SBS掺量增加到3%时，基质沥青软化点增加了9.2℃，随后基本不变;而随着SBS掺量增加2%-4%，生物共混沥青的软化点呈线性增长，但只增幅了3.7%，如图6所示。这说明了SBS改性剂能够提高沥青的高温性能，但随着掺量的增加，提高效果不明显。生物共混沥青软化点增幅比基质沥青要小，这主要是因为生物共混沥青本身软化点就很高，当掺入SBS后，软化点值必会增大，且一般都超过生物共混沥青的软化点。

3.3延度分析

延度反映了沥青在外力作用下发生拉伸变形而不被破坏的能力，其大小直接反映材料的低温变形能力，延度越大，低温变形能力越强。本试验选用SBS掺量（2%、3%、4%）分别对70#基质沥青与生物共混沥青（15%）进行单一改性试验，15℃延度试验结果如表11所示。

由表11可知：

随着SBS掺量的增加，生物共混沥青与基质沥青延度值都得到了提升.基质沥青延度值先减后增，而生物共混沥青延度值呈持续增加趋势，如图7所示。生物共混沥青中掺加SBS后，有利于提高生物共混沥青的低温柔性，改善了生物沥青低温下硬脆的特性，这表明SBS改性剂可有效提高生物共混沥青低温性能。

4 结语

（1）四种生物油单掺入基质沥青中时改性程度均存在差异，其中针入度优选排序为：B>A>C>D;高温性能由优到劣排序为：A>B>C>D;低温性能由优到劣排序为：D>C>A>B。且生物油A可改善基质沥青高温性能，故综合表现最优为生物油A。

（2）随着生物油A掺量的增加，生物共混沥青的针入度增加，软化点增加，延度降低，生物共混沥青的高温性能受到一定程度的影响，且高温性能得到提高。且生物油A摻量在15%时，生物共混沥青结合料三大指标为：80.5（0.1mm）、54.5℃和83cm，满足90#道路石油沥青技术要求，故建议生物油A掺量为15%。

（3）当SBS改性剂掺量为3%时，改性生物共混沥青三大指标结果为：70.3（0.1mm）、54.8℃和43.4cm，其各项性能满足70#道路石油沥青技术要求，故优选SBS改性生物共混沥青最优掺量为：15%生物油A，3%SBS。