生物結(jié)合料共混瀝青改性技術(shù)研究

何俊輝 趙艷納 應(yīng)河洋 李平

摘要：為研究生物結(jié)合料共混瀝青改性性能，以研制出一種低價、高質(zhì)的生物共混瀝青，文章采用三大指標(biāo)常規(guī)試驗，對生物油、生物共混瀝青和SBS改性生物共混瀝青進(jìn)行性能評價。結(jié)果表明：四種生物油單摻結(jié)果中生物油A綜合性能最優(yōu);15%生物油A摻量下生物共混瀝青性能最優(yōu)，滿足90號道路石油瀝青技術(shù)要求;優(yōu)選SBS改性生物共混瀝青最優(yōu)摻量為15%生物油A、3%SBS。

關(guān)鍵詞：生物油;共混;瀝青;SBS;改性研究

中圖分類號：U414文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.001

文章編號：1673-4874（2019）09-0001-05

O引言

截至2018年，我國高速公路總里程已達(dá)到14.26萬km，居世界首位。近年來由于瀝青路面行車舒適、降塵等優(yōu)點(diǎn)，投資建設(shè)瀝青路面公路成為大勢所趨，以至于瀝青的需求量日益增加。同時我國瀝青資源隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程加快而逐漸匱乏，導(dǎo)致瀝青價格逐年遞增，大大增加公路投資建設(shè)費(fèi)用。故為解決石油瀝青此類不可再生資源的匱乏問題，降低公路建設(shè)投資費(fèi)用，越來越多的學(xué)者在急迫尋找一種可以代替石油瀝青的資源。

生物油（生物結(jié)合料）是一種從動植物中高溫蒸餾得來的產(chǎn)物，表觀特征與石油量極為相近。目前生物油生產(chǎn)成本約為2000-3000元/t，相比于重交石油瀝青每噸可節(jié)約1000～2000元，并且熱裂解后的生物油可采用簡單設(shè)備與石油瀝青溶合，制備成本低廉。近年來，諸多學(xué)者采用熱裂解工藝從生物質(zhì)中提取生物結(jié)合料，Ningrum等從椰子殼中高溫?zé)峤猱a(chǎn)出焦油作為生物結(jié)合料;Mills-Beale等采用熱裂解工藝，在380℃溫度和40MPa壓力下，提取豬糞中的生物油制備生物共混瀝青;Yang等采用熱裂解設(shè)備從密歇根木材中提煉生物結(jié)合料。本文中選用四種不同生物結(jié)合料，優(yōu)選不同摻配比例（5%、10%、15%和20%）制備成生物共混瀝青，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行SBS改性，以制備得到經(jīng)濟(jì)、性能優(yōu)良的改性生物共混瀝青。

1原材料及制備工藝

1.1生物油

本試驗研究選用生物油如下頁表1所示，其外觀見下頁圖1。

1.1.1玉米植物油

選用的生物油A產(chǎn)自長春大成集團(tuán)，原料為玉米，屬于提取乙二醇和丙二醇的副產(chǎn)品，常溫下為固態(tài)，其質(zhì)量檢驗報告如表2所示。

1.1.2 松木片植物油

選用的生物油B產(chǎn)自山東泰然集團(tuán)，原料為松木片，該植物油常溫下呈粘稠狀，紅褐色，加熱后呈黑色，其檢驗指標(biāo)報告如表3所示。

1.1.3地溝油

選用的生物油C產(chǎn)自河北隆海生物能源股份有限公司，原料為地溝油，經(jīng)過酯化、脂交換反應(yīng)，制得植物瀝青，其質(zhì)量檢驗報告如表4所示.

1.1.4 植物油

選用的生物油D產(chǎn)自江西天沅環(huán)保股份有限公司，為制備植物脂肪酸產(chǎn)物，呈黑色粘稠狀液體，其酸值<45。

1.2 基質(zhì)瀝青

本試驗選用殼牌70#基質(zhì)瀝青，其具體性能指標(biāo)如表5所示.

1.3 改性劑

本試驗SBS為線型1401，產(chǎn)自燕山石化有限公司，產(chǎn)品成乳白色，其具體性能如表6所示.

1.4 制備工藝

本試驗使用高速剪切機(jī)。其改性工藝在交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院何敏的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。攪拌速率控制在4000r/min，將70#石油瀝青慢慢加入到生物油中順序攪拌，將生物油與基質(zhì)瀝青完全混合，攪拌時的溫度控制在95℃-110℃范圍內(nèi)，攪拌時間控制在30min左右，當(dāng)基質(zhì)瀝青與生物油攪拌均勻即可停止。將瀝青澆注試模，制備得到生物共混瀝青。

將生物共混瀝青在高溫下熔化，注意加熱溫度應(yīng)在閃點(diǎn)以下。將改性劑放入已熔化的生物共混瀝青中，使用高速剪切機(jī)，攪拌速度控制在5000r/min，在160℃-170℃下攪拌20min，以保證改性劑溶脹發(fā)育完全;之后使用高速剪切機(jī)設(shè)備對改性瀝青進(jìn)行剪切，剪切速度控制在4000r/min，剪切時間≥20h，溫度控制在160℃-170℃，改性劑剪切完全后再攪拌10min，保證改性劑均勻分散在瀝青中;攪拌完成后放入120℃烘箱中備用，制得改性生物共混瀝青。

2 生物結(jié)合料摻量對瀝青性能影響

本試驗將生物油A、B、C和D按上述制備工藝將一定摻量（5%、10%、15%、20%）摻入到70#基質(zhì)瀝青中，進(jìn)行三大指標(biāo)性能研究，確定最佳生物共混瀝青摻量。

2.1生物油性能測試

本試驗將四種生物油進(jìn)行三大指標(biāo)試驗.試驗結(jié)果如表7所示。

由表7可知：

（1）生物油A與另三種生物油針入度差異較大，而生物油B、C和D針入度較為接近.生物油B針入度值遠(yuǎn)大于生物油A，差距可達(dá)到40倍;生物油C與D針入度相比于生物油B差值在10（0.1mm）范圍內(nèi)。這與四種生物油常溫下狀態(tài)相符合，即生物油A呈固態(tài)，而生物油B、C和D呈流動粘稠狀態(tài)。

（2）生物油A、C和D的軟化點(diǎn)無法測取，高溫性能較差，生物油B的高溫性能較之另三種生物油較好。無法測取生物油A、C和D的軟化點(diǎn)，這是因為這三種生物油在5℃水中冷卻時，其密度均小于水，生物結(jié)合料無法粘結(jié)。

（3）四種生物油的低溫性能均較差，15℃下測試延度值時均脆斷，這主要是由于生物油在低溫環(huán)境下低溫勁度大，容易產(chǎn)生脆斷。

2.2 生物共混瀝青性能測試

本試驗將生物油A、B、C和D按上述制備工藝將一定摻量（5%、10%、15%、20%）摻入到基質(zhì)瀝青中，進(jìn)行三大指標(biāo)性能研究，確定最佳生物油摻量.試驗結(jié)果如表8所示。

由表8可知：

（1）隨著生物油摻量的增加，四種生物共混瀝青針入度值變化規(guī)律存在差異性，其中生物共混瀝青A與B針入度變化不明顯，而生物油C與D具有顯著增加的趨勢，如圖2所示。針入度值過大或過小均不能滿足路用要求，相比較于70#基質(zhì)瀝青，較好的針入度范圍應(yīng)在60-80（0.1mm）。四種生物油中，針入度優(yōu)選排序為：B>A>C>D。

（2）隨著生物油摻量的增加，四種生物共混瀝青呈現(xiàn)了三種不同變化規(guī)律，其中生物共混瀝青A軟化點(diǎn)呈現(xiàn)上升趨勢，生物共混瀝青B變化不明顯，而生物共混瀝青C.D顯著下降，如圖3所示。這表明生物油A能提高瀝青的高溫性能，而生物油B、C、D由0%-20%，軟化點(diǎn)分別下降了7.6%、27.4%、31.8%。四種生物油中，高溫性能由優(yōu)到劣排序為：A>B>C>D。

（3）隨著生物油摻量的增加，三種生物共混瀝青延度變化幅度并不統(tǒng)一，部分生物共混瀝青呈現(xiàn)緩慢下降趨勢（如A、C），而生物共混瀝青B下降趨勢較為明顯，從0%-5%摻量發(fā)生突變，如圖4所示。這表明生物油摻入，降低了瀝青的低溫性能.生物油由0%-20%，延度別下降了32.9%、72.5%、34.9%。由于生物共混瀝青D在各個摻量的15℃延度值均>150cm，其低溫性能在四種生物量中表現(xiàn)最為優(yōu)良。四種生物油中，低溫性能由優(yōu)到劣排序為：D>C>A>B。

3改性劑摻量對瀝青性能影響

上述研究表明，本文生物共混瀝青A與B的15℃延度值隨著生物油摻量的增加呈下降趨勢，其低溫性能較差。生物共混瀝青A的軟化點(diǎn)隨生物共混瀝青的摻加得以提高，生物油A能夠在某一程度上提高其高溫性能，且生物油A摻量在15%時，生物共混瀝青結(jié)合料針入度、軟化點(diǎn)與延度分別為：80.5（0.1mm）、54.5℃和83cm，滿足90#道路石油瀝青技術(shù)要求，故建議本文選擇15%生物油A作為生物共混瀝青物質(zhì)。

由于低溫性能較差，需要選擇能改善低溫性能的改性劑。SBS對瀝青的各項性能均有改善，且為全世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣泛的高聚物改性劑，故本文中選擇SBS改性劑，以三大指標(biāo)評價改性效果，以制備性能優(yōu)良的改性生物共混瀝青。

3.1針入度分析

針入度是表征瀝青材料稠度大小的重要指標(biāo)，材料稠度越大，針入度值越小。本試驗選用SBS（2%、3%、4%）分別對70#基質(zhì)瀝青與生物共混瀝青（15%）進(jìn)行單一改性試驗，針入度試驗結(jié)果如表9所示。

由表9可知：

隨著SBS摻量的增加，基質(zhì)瀝青與生物共混瀝青的針入度值均呈下降趨勢，生物共混瀝青變化先基本不變，過3%摻量后隨之減小，如圖5所示。表明了SBS的摻入使瀝青彈性變大，也有可能是由于標(biāo)準(zhǔn)針扎至SBS固體顆粒，導(dǎo)致針入度減小。

3.2軟化點(diǎn)分析

本試驗選用SBS摻量（2%、3%、4%）分別對70#基質(zhì)瀝青與生物共混瀝青（15%）進(jìn)行單一改性試驗，軟化點(diǎn)試驗結(jié)果如表10所示。

由表10可知：

隨著SBS摻量的增加，生物共混瀝青與基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)均呈上升趨勢，但增加幅度差異明顯。當(dāng)SBS摻量增加到3%時，基質(zhì)瀝青軟化點(diǎn)增加了9.2℃，隨后基本不變;而隨著SBS摻量增加2%-4%，生物共混瀝青的軟化點(diǎn)呈線性增長，但只增幅了3.7%，如圖6所示。這說明了SBS改性劑能夠提高瀝青的高溫性能，但隨著摻量的增加，提高效果不明顯。生物共混瀝青軟化點(diǎn)增幅比基質(zhì)瀝青要小，這主要是因為生物共混瀝青本身軟化點(diǎn)就很高，當(dāng)摻入SBS后，軟化點(diǎn)值必會增大，且一般都超過生物共混瀝青的軟化點(diǎn)。

3.3延度分析

延度反映了瀝青在外力作用下發(fā)生拉伸變形而不被破壞的能力，其大小直接反映材料的低溫變形能力，延度越大，低溫變形能力越強(qiáng)。本試驗選用SBS摻量（2%、3%、4%）分別對70#基質(zhì)瀝青與生物共混瀝青（15%）進(jìn)行單一改性試驗，15℃延度試驗結(jié)果如表11所示。

由表11可知：

隨著SBS摻量的增加，生物共混瀝青與基質(zhì)瀝青延度值都得到了提升.基質(zhì)瀝青延度值先減后增，而生物共混瀝青延度值呈持續(xù)增加趨勢，如圖7所示。生物共混瀝青中摻加SBS后，有利于提高生物共混瀝青的低溫柔性，改善了生物瀝青低溫下硬脆的特性，這表明SBS改性劑可有效提高生物共混瀝青低溫性能。

4 結(jié)語

（1）四種生物油單摻入基質(zhì)瀝青中時改性程度均存在差異，其中針入度優(yōu)選排序為：B>A>C>D;高溫性能由優(yōu)到劣排序為：A>B>C>D;低溫性能由優(yōu)到劣排序為：D>C>A>B。且生物油A可改善基質(zhì)瀝青高溫性能，故綜合表現(xiàn)最優(yōu)為生物油A。

（2）隨著生物油A摻量的增加，生物共混瀝青的針入度增加，軟化點(diǎn)增加，延度降低，生物共混瀝青的高溫性能受到一定程度的影響，且高溫性能得到提高。且生物油A摻量在15%時，生物共混瀝青結(jié)合料三大指標(biāo)為：80.5（0.1mm）、54.5℃和83cm，滿足90#道路石油瀝青技術(shù)要求，故建議生物油A摻量為15%。

（3）當(dāng)SBS改性劑摻量為3%時，改性生物共混瀝青三大指標(biāo)結(jié)果為：70.3（0.1mm）、54.8℃和43.4cm，其各項性能滿足70#道路石油瀝青技術(shù)要求，故優(yōu)選SBS改性生物共混瀝青最優(yōu)摻量為：15%生物油A，3%SBS。