PPA/CSO复合改性沥青流变性能及微观特性研究

2024-01-08廖秋菊

西部交通科技 2023年10期

廖秋菊

(广西桂通工程管理集团有限公司,广西南宁 530029)

0 引言

石油沥青具有不可再生性,随着我国公路工程的快速建设,对石油沥青的需求量急剧增加。研究表明,通过植物或者动物所提取的生物油可用于沥青改性,这些植物油包括秸秆所提取秸秆油、大豆油以及各类复合油等、动物油包括动物所提取的油脂等,将这些生物油用于沥青改性既能解决农业废弃物处理问题,又能缓解石油沥青的不足[1-3]。但是生物油用于沥青改性有诸多需要解决的问题,包括生物油改性沥青后所带来的高温性能不足、易老化等。张二毛等[4]将蓖麻重油掺入50#沥青,研究不同掺量蓖麻重油改性沥青高低温性能,得出结论:适当掺量(15%～20%)的蓖麻重油可改善50#沥青的高低温性能,但过高的掺量将会降低改性沥青高温性能。国外文献研究表明,生物油对改善沥青的低温性能和抗疲劳性能有一定的帮助[5-7]。张世晓等[8]利用秸秆原料制造生物油,用于改善沥青性能,同时加入了增溶剂,并得到了性能满足道路工程用沥青要求的生物改性沥青,表明秸秆油可用于沥青改性。邢泽夫[9]对生物油沥青的低温性能及其评价指标做了全面研究,发现生物油沥青具有良好的低温抗裂性和抗疲劳性。上述研究表明,生物油沥青用于改善沥青低温性能和抗疲劳性能在目前的沥青研究领域得到不同学者的一致认可,但对于其高温性能和抗老化性能有不同的研究结果,总体上生物油对于沥青的高温性能和抗老化性能具有劣化作用。为改善生物油沥青的高温性能和抗老化性能,不同学者采用不同的方式对生物油进行复合改性。例如,Onochie等[10]尝试在生物沥青中加入纳米颗粒,有效改善了生物油改性沥青的高温性能和抗老化性能。Yang等[11]通过研究发现,SBS、SBR等改性剂与生物油沥青复合改性,提升了复合改性沥青的各项性能。多聚磷酸(Polyphosph-oric Acid,PPA)作为一种优秀的改性剂,在沥青改性领域有广泛应用,为探讨PPA对生物油沥青的改性效果,本文尝试选用玉米秸秆油(CSO)改性基质沥青,加入PPA进行复合改性,研究复合改性生物油沥青的流变性能以及微观特性。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

试验所用原材料主要为生物油PPA以及基质沥青。基质沥青为中海70#A级沥青,基质沥青基本检测指标见表1。生物油选用CSO,购自某生物油公司,基本检测指标见表2。PPA购自广西越洋化工集团,基本检测指标见表3。

表2 生物油基本技术指标表

表3 PPA基本技术指标表

1.2 试验方案

CSO改性沥青的制备方法为:将70#沥青加热到150 ℃后添加CSO,添加质量分别为基质沥青质量的5%、10%、15%、20%,采用高速剪切仪以2 000 r/min的剪切速度剪切30 min,充分混匀后置于130 ℃烘箱,采用锡纸封闭静置10 min。

PPA/CSO复合改性沥青的制备方法为:将CSO改性沥青加热到150 ℃后添加PPA,添加质量分别为基质沥青质量的0.5%、1%、1.5%、2%,然后采用高速剪切仪以4 000 r/min的剪切速度剪切30 min,充分混匀后置于150 ℃烘箱,采用锡纸封闭静置10 min。

制得CSO改性沥青、PPA/CSO复合改性沥青后,开展常规试验、温度扫描试验、多重应力蠕变恢复试验、沥青低温小梁弯曲试验、电镜扫描试验以及红外光谱试验。如图1所示。

图1 试验方案示意图

2 结果与讨论

2.1 常规性能

采用三大指标研究不同掺量下CSO改性沥青性能,三大指标试验结果见表4。

表4 CSO改性沥青三大指标试验结果表

由表4可知,随着CSO掺量增加,CSO改性沥青的针入度下降、软化点下降、延度提高,呈现较为明显的规律性,为量化CSO掺量与三大指标的关系,采用线性模型对CSO掺量与检测指标的数据进行拟合(CSO掺量为自变量,检测指标为因变量),得出结果见表5。

表5 CSO掺量与三大指标拟合结果表

由表5可知,CSO掺量与三大检测指标均呈现良好的线性关系,R2均>0.970。总体而言,CSO掺量越高,高温性能越差,低温性能越好。具体分析三大指标的检测结果,发现CSO掺量在10%时,CSO改性沥青软化点<46 ℃,不满足1-3、1-4气候分区对A级沥青的要求,因此CSO的掺量在10%以下为宜。

2.2 温度扫描(TS)试验

温度扫描(TS)试验是通过不同温度下的车辙因子评价沥青结合料的高温性能,车辙因子越高沥青结合料的高温性能越好。有文献[12]表明车辙因子与试验温度呈现式(1)的规律:

lg(G*/sinδ)=algT+b

(1)

式中:G*/sinδ——车辙因子(kPa);

T——试验温度(℃);

a、b——拟合参数,其中a可表征沥青的温度敏感性。

前文通过三大指标,确定CSO掺量在10%以下为宜,因此采用PPA/CSO复合改性时,设置CSO掺量为10%,后文相同。PPA/CSO复合改性沥青的TS试验结果见图2和表6。

图2 复合改性沥青车辙因子曲线对比曲线图

表6 复合改性沥青车辙因子与温度拟合结果表

由图2可知,随着PPA掺量增加,不同温度下PPA/CSO复合改性沥青车辙因子均逐渐增大,表明PPA掺入CSO改性沥青中后有效提升了其高温性能。由表6可知,各掺量复合改性沥青拟合方程的R2均>0.990 0,因此拟合结果较好。对比不同PPA掺量的复合改性沥青参数a,发现随着PPA掺量增加,a的绝对值在减小,表明PPA在提升CSO改性沥青高温性能的同时能够降低其高温区间温度敏感性。

2.3 多重应力蠕变恢复(MSCR)试验

多重应力蠕变恢复试验表征沥青结合料的高温性能,有两个应力水平,分别为0.1 kPa和3.2 kPa,以Jnr指标表示沥青高温性能,其值越低,沥青高温性能越好;以R指标表示沥青在高温下力学恢复性能,其值越高表明沥青的高温荷载作用后的恢复能力越好。本文的MSCR试验温度选定64 ℃,试验结果见图3。由图3可知,不同应力水平下PPA/CSO复合改性沥青的Jnr值和R值有一定差距,但Jnr值相差较小,在PPA掺量为1.5%时甚至重合;R值差别较大。上述现象表明,PPA/CSO复合改性沥青高温抗荷载能力的应力敏感性较小,而蠕变后的恢复能力有较强的应力敏感性。恢复能力的应力敏感性可能与CSO掺量有关,本文的复合改性沥青CSO掺量在10%,极大削弱了沥青的高温性能,这一点与前文的研究成果一致。同时,随着PPA掺量增加,复合改性沥青的高温性能以及蠕变后的恢复能力均有所提升。

(a)Jnr

2.4 低温弯曲梁流变(BBR)试验

BBR试验温度选定-18 ℃和-24 ℃,试验结果见图4。由图4可知,随着PPA掺量增加,不管是-18 ℃还是-24 ℃,复合改性沥青的S值增加、m值减小。S值与沥青低温下抗裂性能有关,其值越高表明沥青低温开裂的可能性越大;m值与沥青在低温下的应力累计有关,其值越高表明沥青越不容易低温破坏。而PPA掺量增加,同时导致复合改性沥青的S值增加和m值减小,表明PPA不利于CSO改性沥青的低温性能。

(a)S值

2.5 红外光谱(FTIR)试验

70#基质沥青、CSO改性沥青、PPA/CSO复合改性沥青的红外光谱图见图5和图6。由图5可知,CSO改性沥青和70#基质沥青化学成分相似,C=O双键和C-O单键的伸缩振动分别出现在1 742.0 cm-1和1 162.0 cm-1,此外,没有其他新的峰值。因此,可以得出结论:CSO和沥青之间没有化学反应,而是物理共混。由图6可知,PPA主要通过化学改性来改变沥青的性能,图中P-O-C键的反对称拉伸峰可能是由沥青中的-OH键磷酸化形成膦酸酯引起的,PPA的加入使沥青出现许多吸收峰(见表7)。分析C-H、C-C、-CH3、-CH2和CHx键的特征峰,峰指数变化明显,说明PPA具有化学改性作用。

图5 基质沥青与CSO改性沥青红外光谱图

图6 基质沥青与复合改性沥青红外光谱图

表7 复合改性沥青官能团分析表

2.6 电镜扫描(SEM)试验

70#基质沥青、PPA改性沥青、CSO改性沥青、PPA/CSO复合改性沥青的SEM试验结果见图7～10。由图7～10可知,基质沥青表面有一些褶皱,而掺入CSO后的CSO改性沥青表面褶皱难以发现,CSO改性沥青的表面相较基质沥青明显变光滑。PPA加入基质沥青后,PPA改性沥青形成了丰富的表面纹理,这也是PPA改性沥青能够改善沥青的高温性能的原因。而PPA/CSO复合改性沥青的表面形态介于CSO改性沥青和PPA改性沥青之间。生物油使得沥青表面更加光滑,有利于沥青的低温性能,这一点与其他研究文献的研究结果一致[13]。PPA使得沥青表面褶皱增多,原因在于PPA掺入基质沥青后与基质沥青发生化学反应,改变了沥青的分子结构与微观形态。