葵花籽油改性瀝青耐老化性能研究

謝小迪

摘 要：隨著不可再生資源的日益枯竭，人們逐漸關注利用可再生資源進行瀝青改性的研究。本研究將葵花籽油分別與不同標號的基質瀝青共混改性，并通過旋轉薄膜老化后的殘留針入度比、殘留軟化點增值與黏度比評價其耐老化性能，再通過壓力老化前后的動態剪切流變儀試驗與彎曲梁流變儀試驗確定其PG分級，最后通過儲存穩定性試驗評價其抗離析性能。試驗結果表明：葵花籽油改性瀝青隨著瀝青標號增加抗老化性能增加，葵花籽油的摻入對瀝青高溫性能影響比低溫性能更為顯著。

關鍵詞：改性瀝青;葵花籽油;耐老化性能

中圖分類號：U414 文獻標識碼：A

0 引言

現有研究表明，在瀝青中摻入油類可使瀝青軟化。Some等[1-2]通過熱重分析表明葵花籽油與菜籽油都不發生揮發作用。Shirzad等[3]研究表明在老化瀝青中摻入葵花籽油起到再生劑的作用。Garcia等[4]研究表明葵花籽油降低了瀝青混合料的抗拉強度。

本文通過研究旋轉薄膜試驗與壓力老化試驗分別模擬瀝青的短期長期老化，通過對瀝青老化前后的技術指標變化評價其葵花籽油改性瀝青的耐老化性能。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料及其制備工藝

1.1.1 葵花籽油（SO）

將市面上買回的葵花籽放入壓榨機中以100 rpm轉速在室溫25℃的條件下提取葵花籽油。

1.1.2 葵花籽油改性瀝青

分別在50號、70號、90號三種基質瀝青中摻入5%摻量葵花籽油，使用高速剪切儀以3 000 rpm轉速在180℃下剪切45 min。

1.1.3 老化瀝青的制備

在盛樣瓶中分批次加入35±0.5 g的三種標號葵花籽油改性瀝青，將其放入163±0.5℃的烘箱中加熱至規定時間;隨后將旋轉薄膜試驗老化后的瀝青倒入標準薄膜盛樣皿中，再將盛樣皿放入長期老化儀中，以2.1±0.1 MPa壓力加壓20 h±10 min，取出后倒入杯中得到長期老化瀝青。

1.2 抗老化性能試驗

將短期老化前后不同標號的改性瀝青從盛樣皿中取出，分別進行軟化點、黏度與針入度試驗。

1.3 動態流變試驗（DSR）

采用MER101-A型動態剪切流變儀，選擇剪應力控制模式，溫度掃描試驗溫度設置為40℃、46℃、52℃、58℃、64℃、70℃、76℃、82℃，加熱速率為2℃/min[5]。

1.4 彎曲梁流變試驗（BBR）

將長期老化瀝青試樣制備標準長方體試件，試件脫模后放置于無水乙醇中恒溫30 min（﹣6～﹣24℃），加載240 s后卸載，記錄加載60 s時的S與m值[6]。

1.5 儲存穩定性試驗

葵花籽油改性瀝青過0.3 mm篩后，放入試驗用鋁管中，烘箱恒溫48±1 h，取出后放入冷柜中冰凍4 h。最后用剪刀將鋁管等分為三節，分別將上節和下節放入烘箱中烘至瀝青軟化，取出后進行軟化點差值試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 抗老化指標分析

葵花籽油改性瀝青老化前后針入度、軟化點與60℃動力黏度數據如表1所示。由表1可知葵花籽油改性瀝青老化前后，三種標號瀝青都表現為軟化點增大，動力黏度上升，針入度減小。這是由于瀝青在老化過程中，四組分中的輕質組分揮發，瀝青質占比逐漸增加導致瀝青的剛度上升。表現在路用性能則是抗高溫車轍能力上升，而低溫抗裂性能下降。

依據殘留針入度比公式（1）、殘留軟化點增值（2）與黏度比（3）公式計算三種標號改性瀝青的抗老化指標。殘留針入度比越大、軟化點差值越小、粘度比越接近1則表明老化后的瀝青與基質瀝青性能越接近。由表2可知，隨著標號的增加，葵花籽油對基質瀝青的抗老化效果越好。

2.2 高溫性能評價

通過PG分級來評價瀝青的高低溫性能，三種標號瀝青老化前后的PG等級與70℃下相位角由圖1可知，50號與70號瀝青的高溫等級雖然有所差異但都在64這一級別，而90號瀝青的高溫等級則降至58。隨著老化反應的進行，瀝青的剛度增加，其高溫等級小幅度上升，但仍處于同級。由于葵花籽油的加入可視作增加了瀝青中的輕質組分，起到軟化瀝青的作用，因此加入葵花籽油后的瀝青降低了兩個高溫級別，50號與70號瀝青分別降低至52級別，而90號則降低至46級別。在摻入葵花籽油后，老化瀝青高溫等級上升與相位角下降，且幅度與原樣瀝青相似，這表明葵花籽油的摻入對原樣瀝青的抗老化性能改變不顯著，原樣瀝青依然在抗老化作用下起主導作用。

2.3 低溫性能評價

在PG分級中，BBR試驗的蠕變勁度模量S與蠕變速率m這兩個指標通常被用來評價瀝青的低溫性能。其中S值越小而m值越大則其抗裂性能越佳，通過同時滿足S小于等于300 MPa與m大于等于0.3兩個條件確定瀝青的低溫等級。

由圖2可知，標號越大的瀝青其低溫抗開裂能力越好，這是由于標號越大針入度值越大，其四組分中輕質組分越多，瀝青越軟。隨著葵花籽油的摻入，瀝青中輕質組分增加，導致其剛度進一步下降。在﹣6℃下三種標號的瀝青S值接近，隨著溫度下降，50號瀝青的S值在﹣12℃與

﹣18℃間的增速遠大于70號與90號瀝青。而隨著溫度到達﹣24℃，3種標號瀝青的蠕變勁度模量則呈現相近的趨勢，即70號與90號瀝青在﹣12℃與﹣18℃區間具有更優良的抗低溫開裂性能。摻葵花籽油使得瀝青的低溫性能進一步提升，但由于BBR試驗是采用PAV老化后試樣進行，葵花籽油中富含的不飽和脂肪酸往往極易在長期老化中性能衰減，因此其低溫性能雖有所提升，但并未顯著改變原樣瀝青的低溫等級，原樣50號、70號、90號瀝青的低溫等級分別為﹣22、﹣22、﹣28，摻葵花籽油的分別為﹣22、﹣28、﹣28，僅70號瀝青的低溫等級下降了6℃。

2.4 儲存穩定性評價

如表3所示，儲存穩定性以鋁管試件頂部與底部的軟化點差進行評價，其中50號葵花籽油改性瀝青的軟化點差值顯著大于70號與90號瀝青，這是由于50號瀝青自身瀝青質含量較多，而瀝青質屬于重組分較易發生沉淀。三種葵花籽油改性瀝青的軟化點差值均小于規范中改性瀝青要求值2.5℃，因此葵花籽油在5%摻量下具有良好的儲存穩定性。

3 結論

通過將葵花籽油以5%摻量分別與50號、70號、90號瀝青進行改性，制備葵花籽油改性瀝青，并通過短期與長期老化作用下殘留針入度比、殘留軟化點增值與黏度比評價其耐老化性能，通過DSR與BBR試驗評價其高低溫等級，通過儲存穩定性試驗評價其抗離析能力，分析得出如下結論：

（1）由抗老化指標殘留針入度比、殘留軟化點增值與黏度比可知，葵花籽油改性瀝青隨著瀝青標號增大其抗老化能力越好;

（2）由DSR與BBR試驗可知，摻入葵花籽油后50號、70號、90號瀝青高低溫等級由64-22、64-22、58-28變為52-22、52-28、46-28;

（3）由儲存穩定性試驗可知，三種標號瀝青在葵花籽油摻量5%時都具有優良的抗離析性能。

參考文獻：

[1]SOMé C，PAVOINE A，CHAILLEUX E，el.Rheological behavior of vegetable oil-modified asphaltite binders and mixes[C].Proceedings of the 6th Eurasphalt & Eurobitume Congress，Prague，Czech Republic.

[2]SOMé S C，PAVOINE A，CHAILLEUX E.Evaluation of the potential use of waste sunflower and rapeseed oils-modified natural bitumen as binders for asphalt pavement design[J].International Journal of Pavement Research and Technology，2016（5）：368.

[3]SHIRZAD S，HASSAN M M，AGUIRRE M A，el.Evaluation of sunflower oil as a rejuvenator and its microencapsulation as a healing agent[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2016（11）：04016116.

[4]GARCIA A，AUSTIN C J，JELFS J.Mechanical properties of asphalt mixture containing sunflower oil capsules[J].Journal of Cleaner Production，2016，118：124-132.

[5]孟勇軍，郭賀源，徐銳光，等.石墨烯橡膠復合改性瀝青流變性能及微觀性能[J].建筑材料學報，2020（5）：1246-1251.

[6]李智文.溫拌膠粉改性瀝青高低溫性能影響因素研究[J].公路，2020（10）：297-303.