基于DSR 试验的生物重油再生沥青流变性能评价

范世平， 朱洪洲，2，*， 钟伟明

（1.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学交通土建工程材料国家地方联合实验室，重庆 400074；3.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015）

对废旧沥青混合料的合理处置既节约成本又保护环境，符合绿色交通发展理念，国内外学者对此展开了大量研究，并取得显著成效［1-6］.研究发现，将废旧沥青混合料循环再生后，可用于道路基础设施建设与养护，另外废旧沥青混合料还可以进行多次再生［7］.沥青的路用性能因老化而显著降低，可使用再生剂对老化沥青路用性能加以恢复［8］.

生物重油是柴油生产过程中的主要工业废弃物，除少量被用于黏结剂、防水卷材及重质燃料外，大多被堆放在户外，给土壤和空气带来严重污染［9］.生物重油主要含碳氢化合物及其衍生物，含有大量的不饱和脂肪酸，类似于沥青中的轻质油分，可用于补 充 沥 青 因 老 化 失 去 的 轻 质 油 分［10］.Asli 等［11］和Zargar 等［12］研究表明生物重油可作为抗氧化剂用于再生老化沥青.虽然生物重油可以改善老化沥青的路用性能，但生物重油掺量不宜过多，否则将降低混合料的抗热解能力［13-14］.生物重油用于再生老化沥青具有重要的经济和环境效益.

通过动态剪切流变（DSR）试验可以在特定应力或应变荷载重复作用下得到沥青黏弹性参数（如复数剪切模量和相位角）随加载次数的变化规律，能有效表征沥青流变性能［15-18］.基于DSR 试验，本研究分析了生物重油对旋转薄膜烘箱（RTFOT）老化后的70#沥青和SBS改性沥青的再生效果，以及再生沥青的流变性能，以期为生物重油再生沥青的应用提供必要的理论依据.

1 原材料与方法

1.1 沥青

原样沥青采用常用的AH-70#沥青和壳牌SBS 改性沥青（分别记为70#-O 和SBS-O），根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，测试原样沥青的基本性能，结果如表1 所示.表1 表明2 种原样沥青的基本性能均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求.

表1 沥青基本性能Table 1 Basic properties of asphalts

1.2 生物重油

生物重油为生产柴油时的副产物，其物理性能和化学组成（质量分数，文中涉及的组成、掺量等除特别注明外均为质量分数和质量比）如表2所示.生物重油中的C、H、O含量占总元素含量的98%以上，m（C）/m（H）为0.6，主要含芳香族碳氢化合物及其O、S、N衍生物.

表2 生物重油的理化性能Table 2 Physical and chemical property of heavy bio-oil［10］

1.3 沥青老化

美国SHRP 计划规定采用旋转薄膜烘箱（RTFOT）试验和压力老化（PAV）试验模拟沥青的短期老化和长期老化.将RTFOT 老化时间延长到255 min，可近似等效为PAV 老化［19］.本研究选用延时RTFOT 方法制备老化沥青，RTFOT 方法参照JTG E20—2011 进行，老化时间取为255 min，老化后的沥青分别记为70#-A 和SBS-A.

1.4 生物重油再生沥青的制备

参照文献［10-12］，将生物重油掺量（w%）取为2%、4%、6%和8%，剪切温度设为135 ℃，采用高速剪切乳化机制备生物重油再生沥青.生物重油掺量不同的再生沥青分别记为70#-A+w%和SBS-A+w%，其制备工艺如图1 所示.

图1 生物重油再生沥青制备工艺Fig.1 Preparation process of heavy bio-oil recycled asphalt

1.5 基本性能试验

根据JTG E20—2011 对老化沥青和再生沥青进行三大指标试验，采用式（1）计算各指标的变化率，分析生物重油对老化沥青三大指标的改善效果.

式中：IR 为再生沥青的指标变化率；I0为老化沥青的指标值；I为再生沥青与I0相对应的指标值.

1.6 DSR 试验

本研究对原样沥青、老化沥青和再生沥青分别进行DSR 温度、时间和频率扫描试验，分析沥青的高温稳定性、疲劳性能和黏弹性能.DSR 试验参数如表3所示.

表3 DSR 试验参数Table 3 Parameters of DSR test［15-18］

采用复数剪切模量（G*）和相位角（δ）表征沥青抗变形能力和黏弹性，如图2 所示.G*包括储存模量（G′）和损耗模量（G″）两部分，G*越大，抗剪切变形能力越强.δ为评价沥青结合料黏性（不可恢复部分）和弹性（可恢复部分）成分的比例指标，δ越大，沥青的黏性成分越大，越易发生不可恢复的永久变形；δ越小，沥青弹性可恢复成分越多.G*/sinδ表示车辙因子，G*/sinδ越大，沥青高温性能越好.在SHRP 沥青路用性能中，用疲劳因子（G*·sinδ）来评价沥青的抗疲劳性能，G*·sinδ越小，沥青抗疲劳性能越好.

图2 复数模量与相位角关系Fig.2 Relationship between complex modulus and phase angle

2 试验结果与讨论

2.1 基本性能试验

原样沥青、老化沥青和再生沥青三大指标试验结果及其变化率如图3 所示.由图3 可见，未掺生物重油的老化沥青70#-A 和SBS-A 的针入度为33、27（0.1 mm），软 化 点 为57.6、81.8 ℃，延 度 为9.5、18.6 cm.针入度和延度均不满足原样沥青限值要求（表1），这是由于老化使沥青轻组分挥发，沥青质含量增多，沥青变硬，从而导致其针入度和延度降低，而软化点升高.

由图3 还可见：（1）掺入4%生物重油后，再生沥青70#-A+4%和SBS-A+4%的三大指标值已接近原样沥青，这是因为生物重油可以补充沥青因老化而挥发的轻质组分并使沥青软化，从而提高沥青的针入度和延度，降低软化点；当生物重油掺量为6%时，再生沥青针入度较大，已超过原样沥青上限值要求，可能导致沥青极软，严重影响沥青高温性能，因此建议生物重油掺量不宜超过4%.（2）生物重油掺量相同时，70#再生沥青的基本性能变化率大于再生SBS 改性沥青，说明生物重油对70#-A 沥青性能的再生效果优于SBS-A 沥青，且生物重油掺量越大，2 种再生沥青性能变化率差异越显著，如70#-A+6%和SBS-A+6%再生沥青针入度变化率分别为191%和93%，70#-A+8%和SBS-A+8%再生沥青针入度变化率273%和141%.这可能是由于SBS 改性沥青的老化除了沥青成分的老化外，还有SBS 改性剂的老化，生物重油可补充沥青因老化挥发的轻质油分，但并不能改善因老化失效的SBS 改性剂，因此对SBS-A 的改善效果低于70#-A.

图3 沥青基本性能试验结果Fig.3 Basic properties test results of asphalts

2.2 DSR 温度扫描

根据DSR温度扫描试验结果，得到原样沥青、老化沥青和再生沥青的G*和G*/sinδ与温度（T）的关系曲线，如图4、5所示.由图4、5可知：各沥青的G*和G*/sinδ均随温度的升高而下降，即升高温度对沥青抗剪切变形能力和抗车辙能力不利；与原样沥青相比，沥青老化后，G*和G*/sinδ有所增加，在一定程度上提升了沥青抗剪切变形能力和抗车辙能力；再生沥青的G*和G*/sinδ随着生物重油掺量的增加而降低，当生物重油掺量为4%时，再生沥青的G*和G*/sinδ接近原样沥青；当生物重油掺量为6%和8%时，再生沥青的G*和G*/sinδ已显著低于原样沥青，对沥青高温稳定性不利.

图4 不同沥青的G*与T 的关系曲线Fig.4 Relationship curves between G* and T of different asphalts

图6 为原样沥青、老化沥青和再生沥青的δ与T的关系曲线.由图6可见：各沥青的δ随着温度的升高而增加，这是由于沥青在高温下逐渐软化，弹性成分降低，黏性成分增大；当沥青老化后，沥青变硬，弹性恢复能力增强，δ降低；生物重油会显著改善老化沥青黏弹性比例，随着生物重油掺量的增加，再生沥青的δ增加；当温度小于60 ℃时，生物重油掺量为2%～8%的70#再生沥青的δ均小于70#-O 沥青；当温度超过60 ℃时，掺量为4%～8% 的70#再生沥青的δ超过70#-O 沥青，说明该掺量和试验温度下再生沥青黏性成分较高，而在实际情况中，中国某些地区在夏季高温时沥青路面温度可能达到65 ℃，因此高掺量的生物重油再生沥青在荷载作用下易产生车辙病害.当生物重油掺量为4%时，再生沥青SBS-A+4%的δ基本恢复至SBS-O 沥青，这与G*和G*/sinδ试验结果相同，且当生物重油掺量为6%和8%时，再生沥青的δ超过原样沥青，因此建议生物重油掺量不宜超过4%.

图6 不同沥青的δ 与T 的关系曲线Fig.6 Relationship curves between δ and T of different asphalts

2.3 DSR 时间扫描

原样沥青、老化沥青和再生沥青的G*·sinδ与加载次数（N）的关系曲线如图7 所示.由图7 可知：随着N的增加，各沥青的G*·sinδ呈现先缓慢下降随后快速下降的趋势，即剪切过程中能量损失逐渐增大；70#-A 沥青和SBS-A 沥青的G*·sinδ有显著提升，这是由于沥青老化后，沥青变硬变脆，在重复加载过程中，加载周期内能量损失增大，沥青疲劳性能降低；再生沥青的G*·sinδ随着生物重油掺量的增加而降低，说明生物重油可以提高老化沥青的疲劳性能，原样沥青的G*·sinδ介于生物重油掺量为2%～4%的再生沥青之间，且再生沥青的G*·sinδ开始加速下降时的荷载作用次数明显高于原样沥青.

图5 不同沥青的G*/sin δ 与T 的关系曲线Fig.5 Relationship curves between G*/sin δ and T of different asphalts

图7 不同沥青的G*·sin δ 与N 的关系曲线Fig.7 Relationship curves between G*·sin δ and N of different asphalts

2.4 DSR 频率扫描

考虑到目前中国道路规定车辆正常行驶的速度范围，本研究在60 ℃和0.1～100 rad/s 条件下，分析了不同沥青的黏弹特性.原样沥青、老化沥青和再生沥青在不同频率扫描后的tanδ与频率（ω）的变化关系如图8 所示.由图8 可知：除原样沥青SBS-O 和再生沥青SBS-A+6%、SBS-A+8%外，其他各沥青在整个频率扫描范围内的tanδ值随着ω的增加而降低；在相同条件下，70#沥青的tanδ均大于SBS 改性沥青，说明SBS 改性沥青在荷载作用后的弹性恢复能力优于70#沥青；70#-A 沥青和SBS-A 沥青的tanδ值均小于原样沥青，这是因为老化使沥青变硬，弹性成分增加；再生沥青的tanδ随着生物重油掺量的增加而增大，是因为生物重油使沥青软化，提高了沥青的黏性，且当ω较小时，沥青均表现出较高的黏性性能，反映了在重载低速交通荷载下沥青的黏性特征增加，易产生不可恢复变形并最终形成路面车辙病害.尤其当ω小于1 rad/s 时，再生沥青SBS-A+6%、SBS-A+8%的tanδ随着ω增加而增大，沥青的黏性增强，因此建议生物重油掺量不宜超过4%.

图8 不同沥青的tan δ 与ω 的关系曲线Fig.8 Relationship curves between tan δ and ω of different asphalts

3 结论

（1）生物重油可显著提高老化沥青的针入度、延度和抗疲劳性能，降低软化点和抗车辙能力.再生沥青的G*、G*/sinδ和G*·sinδ随着生物重油掺量的增加而降低.当生物重油掺量为4%时，再生沥青的三大指标恢复至原样沥青；当生物重油掺量超过4%时，沥青的抗剪切变形能力和高温稳定性有所削弱.建议生物重油掺量不宜超过4%.

（2）随着生物重油掺量的增加，老化沥青中的黏性成分逐渐增大，接近原样沥青.生物重油对70#-A 沥青的再生效果优于SBS-A 沥青，但再生SBS 改性沥青在荷载作用后的弹性恢复能力优于再生70#沥青.在重载低速交通荷载下再生沥青路面易产生不可恢复变形并最终形成路面车辙病害.