生物質重油再生瀝青流變性能研究

王雅馨

（甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅 蘭州 730030）

目前，我國公路新建項目已進入飽和狀態，對于老舊公路的養護及廢舊瀝青混合料的回收再利用成為以后研究的重要方向。因此，尋求如何解決老化瀝青再生利用的難題，是當前研究的重點，攻克瀝青再生利用的難題對于國家節約資金成本及降低施工環境污染等方面都有重大意義及影響[1-3]。

生物質重油是將生物質熱解油進行加工處理得到其中的重質油成分，然后在經過提煉加工獲得工業生物質重油[4-6]。其組成成分在一定程度上和瀝青的構造成分相近，并且在物理性質方面兩種物質具有一定的互補性。根據以往專家學者的研究發現，根據生物質重油與瀝青的摻配量，可以分為摻配量為100%的新型瀝青、摻配量在25%～75%之間的作為瀝青的稀釋劑及摻配量不大于10%時作為瀝青的改性劑。總結前人的研究發現，以往研究主要側重瀝青與生物質重油生產的可行性研究、合成加工工藝及生成產品的性能等領域的研究。但是，對于在瀝青再生利用方面關于生物質重油的利用研究相對較少，生物質重油瀝青再生前后相關試驗指標、性能及再生機理都需進一步深入研究[7]。

基于上述考慮，主要針對改性后的生物質重油瀝青的流變性能進行深入的試驗研究測試，分析其改性原理。試驗首先先將90#克煉瀝青實施長期老化，然后將生物質重油加入老化后的瀝青中得到再生的改性瀝青，分別對其進行粘度試驗（RV）、高溫流變試驗（DSR）、低溫流變試驗（BBR），對其由溫變引起的試樣的流動形態變化進行實驗分析，從宏觀方面對生物質重油再生瀝青的再生進行解讀。

1 實驗原材

1.1 原材料

1）瀝青。試驗中使用的瀝青是克煉90# 瀝青，其各項參數指標見表1。

表1 克煉90# 瀝青技術指標要求

2）生物質重油。文章使用的生物質重油是通過對甘蔗渣進行高溫提煉得到的黏稠狀液體，其主要元素成分見表2。

表2 生物質重油元素組成比例

1.2 生物質重油再生瀝青的制備

首先制備得到PAV瀝青，然后將PAV瀝青在135℃的烘箱中加熱0.5h后，將制備好的改性劑按照5%、10%和15%的摻配量摻配到PAV瀝青中，立即將摻配后的PAV瀝青加熱到163℃，并采用磁力攪拌器使兩者充分混合反應，磁力攪拌器的攪拌時間應控制在0.5h，攪拌完成后將混合后的改性瀝青冷卻至室溫后密封保存，即制作得到試驗使用的改性再生瀝青。試樣制得后，分別對其進行布氏粘度試驗（RV）、高溫流變試驗（DSR）、低溫流變試驗（BBR），研究其再生瀝青在高溫條件和低溫條件下的流動變化性能，然后通過與未添加生物質重油前的老化瀝青進行試驗數據分析比對，證明在瀝青路面再生領域生物質重油的可行性和適用性。

2 試驗方法與數據分析

2.1 RV試驗

由于粘度是表征瀝青流動變形能力的重要試驗參數，試驗結果顯示，隨著溫度的升高瀝青的粘度減小，宏觀方面表現為攤鋪的混合料容易拌和及壓實效果越好。本文選用布式粘度表征其粘度特性，選用27#轉子，轉速為20r/min，然后分別讓其在試驗環境120℃、135℃、150℃、165℃和180℃的條件下檢測不同摻配量的改性再生瀝青的粘度值，各溫度下的測試結果如圖1所示。

圖1 生物質重油再生瀝青不同溫度下粘度變化

觀察圖1可以得出以下結論：首先，生物質重油再生瀝青的粘度隨溫度的上升出現下降趨勢，并且粘度與溫度兩者之間滿足數值推導；其次，生物質重油再生瀝青的粘度隨改性劑含量的變大出現減小的現象，同時當溫度為一定值時，當生物質重油摻配比例的不斷變大，與未摻配生物質重油的再生瀝青試驗數據相比較，摻配了生物質重油的再生瀝青的粘度試驗數值減少幅度變得越來越大。故為了保證攤鋪時混合料容易拌和及壓實效果越好，應科學合理的掌握生物質重油的摻配量。

2.2 DSR試驗

本文選用動態剪切流變儀（DSR）對其高溫狀態下的流動情況和變形程度做分析研究，試驗分為試樣溫度掃描和頻率掃描。試樣溫度掃描采用Φ25mm的轉子，轉速為10r/s，樣品高度為1mm，試驗開始溫度為30℃，嚴格控制試驗的溫度變化速率，使其保持在2℃/min，掃描的終止76℃，且不能超過該溫度值；試樣溫度掃描采用Φ8mm的轉子，試驗溫度控制在20℃，兩塊平板間的間距為2mm，試驗時轉子的轉速范圍應控制在0.1～400r/s，試樣的應力變形控制到0.5%。

（1）溫度掃描特性

觀察圖2可以得出以下結論：首先，瀝青經過老化后，車轍因子G*/sinδ 增加了3.73倍左右，故可以間接說明鋪筑后使用過程中瀝青發生的老化對于加強瀝青路面高溫情況下抵抗車轍有顯著效果，當再生瀝青中摻入的生物質重油的含量增多后，其車轍因子會隨著減小，當生物質重油的摻入含量為5%時，與未摻配生物質重油的老化瀝青相比，再生瀝青的G*/sinδ 減少26.5%、當生物質重油的摻入含量為10%時，與未摻配生物質重油的老化瀝青相比，再生瀝青的G*/sinδ 減少69.7%、當生物質重油的摻入含量為15%時，與未摻配生物質重油的老化瀝青相比，再生瀝青的G*/sinδ 減少86.8%。通過試驗數據擬合發現，再生瀝青的G*/sinδ 與生物質重油摻入含量兩者可以通過數值換算相互推導。通過線性表達式發現，當生物質重油的摻入含量超過21.5%時，再生瀝青的車轍因子不滿足規范要求的高溫分級標準。

圖2 車轍因子(G＊/sinδ)隨溫度的變化情況

（2）頻率掃描特性

觀察圖3可以得出以下結論：首先，隨著掃描頻率的增大，不同生物質摻配量下再生老化瀝青、基質瀝青及未摻配生物質重油的老化瀝青的復數模量均呈現出上升的趨勢；其次，與老化前的基質瀝青相比，老化后基質瀝青的復數模量明顯升高變大，但隨著老化后基質瀝青中加入不同摻入含量的生物質重油物質，其復數模量的變化與生物質重油摻入含量呈相反變化，當摻入的含量變大時，再生瀝青的復數模量的減小程度會變得越大；最后，當摻入含量為15%時，基質瀝青的試驗頻率掃描線性和再生瀝青的試驗頻率掃描線性大體相似。由此可見，在提高老化瀝青的抗流變方面適量的生物質重油能起到很好的加強作用，若生物質重油摻配量較少或者超過最佳摻配量時，再生瀝青抵抗流動變形的方面反而不能得到有效的提升和加強。

圖3 復數模量隨頻率掃描的變化情況

2.3 BBR試驗

采用低溫彎曲梁試驗（BBR）來試驗評價生物質重油再生瀝青的低溫流動變形能力，試驗依據滿足AASHTO T131相關要求，試驗要求在-12℃的環境下檢測再生瀝青試樣的蠕變勁度S和蠕變速率m，且再生瀝青的相關參數應滿足S<300MPa,m>0.3的要求。其中，當S減小時、m變大，表明再生瀝青在低溫環境下在抵抗開裂變形的方面突出。

圖4 生物質摻入含量與蠕變勁度變化關系

圖5 生物質摻入含量與蠕變速率變化關系

觀察圖3、圖4可以得出以下結論：首先，與老化前的基質瀝青相比，老化后基質瀝青的蠕變勁度明顯升高變大，但隨著老化后基質瀝青中加入不同摻配量的生物質重油物質，再生瀝青的蠕變勁度會出現減小變化，當增大生物質重油的摻入含量時，再生瀝青的復數模量的減小程度會不斷變大；其次，與老化前的基質瀝青相比，老化后基質瀝青的蠕變速率明顯降低減小，但隨著老化后基質瀝青中加入不同摻配量的生物質重油物質，再生瀝青的蠕變勁度會出現增大變化，當增大生物質重油的摻入含量時，再生瀝青的復數模量的增大程度會不斷變大；由圖3可知，當改性劑的摻入含量為5%、10%、15%時，其相應的再生瀝青的S都滿符合S<300MPa的要求，與老化再生瀝青的試驗數據對比，相應摻入含量的再生瀝青的S降低了21.2%、35.6%和52.3%；由圖4可知，當改性劑的摻入含量為5%、10%、15%時，其相應的再生瀝青的m都符合m>0.3的要求，但摻配量為5%時，再生瀝青的蠕變速率接近下限要求，與老化再生瀝青的試驗數據對比，相應摻入含量的再生瀝青的m增加了10.1%、24.4%和49.5%。

由此可見，不同摻配量下的再生瀝青的蠕變勁度S的變化規律與前文相關參數的變化規律相似，但再生瀝青的蠕變速率m隨摻配量的變化趨勢與之呈相反趨勢，說明老化后的瀝青的抵抗低溫條件開裂的能力降低，但隨著生物質重油的摻入，再生瀝青的低溫抗開裂能力能得到顯著的改善，當摻配量為5%時，再生瀝青的蠕變速率接近下限要求，故在進行摻配時，應控制生物質重油的摻配量不得小于5%。

3 結論

文章分別驗證RV試驗、DSR試驗及BBR試驗對改性后的生物質重油瀝青的流變性能進行深入的試驗研究測試，通過整合處理試驗數據，總結得到以下結論：

1）生物質重油再生瀝青的粘度隨其摻配量的增加而降低，且當溫度為一定值時，隨著生物質重油摻配量的增大，與未摻配生物質重油的再生瀝青相比，再生瀝青的粘度值減少幅度變得越來越大。

2）隨著生物質重油摻配量的增加，老化瀝青的車轍因子呈下降趨勢，且當生物質重油的摻配量為15%時，基質瀝青的試驗頻率掃描線性和再生瀝青的試驗頻率掃描線性大體相似，故建議生物質重油在老化瀝青的摻配中摻配量不應超過15%。

3）隨著生物質重油的摻入，再生瀝青的低溫抗開裂能力能得到顯著的改善，當摻配量為5%時，再生瀝青的蠕變速率接近下限要求，故在進行摻配時，應控制生物質重油的摻配量不得小于5%。