生物質再生瀝青高溫流變特性研究

徐浩，張文武，何兆益，蔣斌，姚啟文

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.山東高速集團有限公司，山東 濟南 250101)

瀝青再生技術在道路工程領域已經得到廣泛的運用[1-3]。目前生物質材料相比傳統石油基再生劑具有較高的改性優勢[4-6]。已有研究者利用生物質油作為再生劑基礎油分，希望突破石油基類再生劑穩定性差、老化瀝青再生率低、RAP摻量低等難題[7-8]。相關研究證明利用生物質油代替傳統石油類再生劑對老化瀝青進行性能恢復是一項具有廣闊前景的技術[9]。

本文用某植物重油、礦物油等基礎油分開發高性能環保型瀝青再生劑與其他三種石油基再生劑(ZS-1、ZS-2、ZS-3)在對老化瀝青的常規性能恢復及瀝青高溫流變特性等方面進行對比研究，證明生物質瀝青再生劑的研究價值。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

1.1.1 再生劑 SW-1生物質再生劑，本課題組自制，其主要成分及配比見表1；ZS-1、ZS-2、ZS-3再生劑均為本課題組研發；4種再生劑常規性能指標見表2。

表1 生物質瀝青再生劑配方比例Table 1 Biomass asphalt regenerator formulation ratio

表2 四款再生劑常規性能指標Table 2 Conventional performance indicators of four regenerators

1.1.2 瀝青 本研究選用的新瀝青為中石化東海70#基質瀝青，通過RTFOT試驗將70#基質瀝青在163 ℃的溫度條件下分別老化85 min(短期)、340 min(長期)，模擬瀝青的輕度老化、重度老化，各項瀝青常規指標檢測結果見表3。

表3 瀝青常規指標Table 3 Conventional asphalt indexes

1.1.3 儀器 GS-1型高速剪切機；SYD-2806E瀝青軟化點測定儀；LYY-7瀝青低溫延伸度測定儀；SZR-5針入度測定儀；SYD-0625布洛克菲爾德粘度計；AR2000型動態剪切流變儀。

1.2 實驗方案

首先制備再生瀝青，按預算質量將預熱至 150 ℃ 老化瀝青倒入試驗杯中，然后將再生劑按試驗摻量均勻加入并放置在150 ℃恒溫油浴鍋中，最后采用高速剪切機以1 000 r/min的剪切速率持續剪切30 min得到再生瀝青。

通過三大指標及布什粘度試驗，研究不同SW-1(2%，4%，6%，8%)摻量下，再生劑對老化瀝青性能的恢復，為準確反映再生劑對老化瀝青各性能指標的恢復程度，引入針入度恢復指數(PIp)、軟化點恢復指數(RHp)、延度恢復指數(YDp)、粘度恢復指數(NDp)。恢復指數值為0時，表示再生瀝青該指標值與老化瀝青相同，即再生劑對該指標無影響；當恢復指數值等于1時，表示再生瀝青該指標與基質瀝青相同，即該再生劑能恢復老化瀝青性能到基質瀝青水平。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，PIi表示摻加i%質量分數再生劑時瀝青的針入度，PI0是老化瀝青的針入度，PI1是基質瀝青的針入度。同理RH代表軟化點，YD代表延度，ND表示瀝青的布氏粘度。

通過DSR溫度掃描試驗得到復數模量、相位角、車轍因子指標，研究基質瀝青和不同老化再生瀝青的高溫流變性能。DSR實驗參數：平行板尺寸為25 mm，平行板間距1 mm，實驗采用應力控制模式，應力值為0.12 Pa，實驗頻率為10 rad/s，從46 ℃開始掃描，溫度梯度為6 ℃。

2 結果與討論

2.1 基于瀝青常規性能的再生效果研究

表4為SW-1再生劑在不同摻量下再生瀝青的三大指標及粘度，性能恢復指數見圖1。

表4 再生瀝青常規指標Table 4 Conventional indicators of recycled asphalt

圖1 再生瀝青性能恢復指數Fig.1 Performance index of recycled asphalt

由表3、表4可知，隨著老化程度的增加，瀝青的針入度和延度呈降低趨勢，軟化點和粘度增加，粘度指標對瀝青老化程度最為敏感，重度老化后粘度變化率為339.7%，其次為延度與針入度指標，變化率分別為97.3%，72.0%，軟化點變化相對較小，變化率為32.4%。隨著再生劑摻量增加，針入度和延度呈上升趨勢，軟化點減小，以摻量6%為例，對于輕度老化瀝青各項指標均可恢復至基質瀝青水平，對于重度老化瀝青，瀝青再針入度、軟化點、粘度基本恢復，添加8%再生劑延度僅為基質瀝青的52.3%。

由圖1可知，隨著再生劑摻量增加，性能恢復指數逐漸增大，重度老化瀝青性能恢復指數普遍低于輕度老化瀝青，以摻量6%為例，重度老化瀝青再生的針入度、軟化點、延度、粘度指數分別為輕度老化的35.7%，49.4%，37%，72.4%。瀝青老化程度較輕時，4種性能恢復指數均能達到1，再生劑對瀝青性能都能有效恢復。老化程度較重時，在高摻量下除YDp外其他指標均能達到1，且YDp明顯小于其他三個指標，再生劑對重度老化瀝青延度恢復有限。

2.2 再生瀝青高溫流變特性

2.2.1 復數模量分析 圖2為不同程度老化瀝青、基質瀝青、再生瀝青復數模量隨溫度變化曲線。

圖2 瀝青G*-T曲線Fig.2 G*-T curves of asphalt a.輕度老化瀝青再生后G*-T曲線；b.重度老化瀝青再生后G*-T曲線

由圖2可知，各樣品G*與溫度呈反比關系。同一試驗溫度下，隨著瀝青老化程度的增加，模量增大，以初始試驗溫度為例，重度老化瀝青模量比輕度老化瀝青提高了53.9%，表明老化會使瀝青由軟變硬，原因在于瀝青老化的過程中存在輕質組分的揮發并生成了強極性的物質，老化程度越高，瀝青中的化學結構組成變化越大。隨著溫度的升高，瀝青模量普遍下降，不同老化程度瀝青的復數模量差異性減小。

再生劑的加入降低了老化瀝青的模量，且SW-1和ZS-2再生瀝青低于基質瀝青水平，說明再生劑對老化瀝青膠體結構的恢復起到了促進作用。以圖2b中的初始試驗溫度為例，SW-1、ZS-1、ZS-2、ZS-3相對老化瀝青G*分別降低了74.5%，62.4%，72.3%，68.1%，SW-1改善老化瀝青膠體結構更明顯。

2.2.2 相位角分析 相位角δ可表征材料粘彈性質。圖3為不同程度老化瀝青、基質瀝青、再生瀝青相位角隨溫度變化曲線。

圖3 瀝青δ-T曲線Fig.3 δ-T curves of asphalt a.輕度老化瀝青再生后δ-T曲線；b.重度老化瀝青再生后δ-T曲線

由圖3可知，相位角與溫度成正比關系，老化瀝青相位角遠低于基質瀝青和再生瀝青，說明老化會使瀝青中彈性比例增大，粘性成分降低；再生劑的加入提高了瀝青粘性成分，使其粘彈特性向基質瀝青靠攏。圖3a中，同一溫度范圍內相位角排序，SW-1>ZS-2>基質瀝青>ZS-3>ZS-1>老化瀝青，且差異性隨著溫度降低，而在圖3b中再生瀝青相位角普遍低于基質瀝青，說明再生劑在對輕度老化瀝青的粘性成分恢復較為容易，對重度老化瀝青恢復較為困難，SW-1再生劑改善老化瀝青粘彈特性效果優于其他三款再生劑。

2.2.3 車轍因子分析 車轍因子為G*與sinδ的比值，其值越大，瀝青抗永久變形能力越強，圖4為瀝青的車轍因子。

由圖4可知，瀝青車轍因子與試驗溫度呈反比關系，隨著老化程度增加，車轍因子增大，說明瀝青老化越嚴重，流動變形越小，瀝青抗車轍能力增強。再生劑的加入降低了瀝青車轍因子，降低幅度從大到小依次為：SW-1>ZS-2>ZS-3>ZS-1，說明再生劑的加入提高了老化瀝青的流變特性，同時降低了瀝青抗車轍能力。SW-1再生瀝青的車轍因子曲線普遍低于其他再生瀝青，說明SW-1中生物質油分在軟化老化瀝青的瀝青質方面優于礦物油，同時增塑劑和表面活性劑中的極性基團提高了瀝青質組分在瀝青膠體結構中溶解，促使老化瀝青向凝膠型膠體結構轉變，對老化瀝青流動性能改善更大。

圖4 瀝青車轍因子曲線Fig.4 Asphalt rutting factor curve a.輕度老化瀝青再生后車轍因子曲線；b.重度老化瀝青再生后車轍因子曲線

3 結論

(1)瀝青老化后，針入度、延度減小，軟化點、粘度增加，再生劑能夠有效恢復老化瀝青的常規性能，改善瀝青膠體結構，使之接近基質瀝青，生物質瀝青再生劑SW-1相比石油基類再生劑有較強恢復能力。

(2)瀝青隨著老化程度增加模量不斷增大，相位角減小，抗車轍能力增強，再生劑的加入后瀝青模量降低，相位角增大，車轍因子減小，改善了瀝青粘彈特性。

(3)生物質瀝青再生劑性能恢復指數高于其他類再生劑，相比其他再生劑更具優勢，同時也說明了生物質再生劑具有更廣闊的前景。