基于DSR 試驗的生物重油再生瀝青流變性能評價

范世平， 朱洪洲，2，*， 鐘偉明

（1.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074；2.重慶交通大學交通土建工程材料國家地方聯合實驗室，重慶 400074；3.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015）

對廢舊瀝青混合料的合理處置既節約成本又保護環境，符合綠色交通發展理念，國內外學者對此展開了大量研究，并取得顯著成效［1-6］.研究發現，將廢舊瀝青混合料循環再生后，可用于道路基礎設施建設與養護，另外廢舊瀝青混合料還可以進行多次再生［7］.瀝青的路用性能因老化而顯著降低，可使用再生劑對老化瀝青路用性能加以恢復［8］.

生物重油是柴油生產過程中的主要工業廢棄物，除少量被用于黏結劑、防水卷材及重質燃料外，大多被堆放在戶外，給土壤和空氣帶來嚴重污染［9］.生物重油主要含碳氫化合物及其衍生物，含有大量的不飽和脂肪酸，類似于瀝青中的輕質油分，可用于補 充 瀝 青 因 老 化 失 去 的 輕 質 油 分［10］.Asli 等［11］和Zargar 等［12］研究表明生物重油可作為抗氧化劑用于再生老化瀝青.雖然生物重油可以改善老化瀝青的路用性能，但生物重油摻量不宜過多，否則將降低混合料的抗熱解能力［13-14］.生物重油用于再生老化瀝青具有重要的經濟和環境效益.

通過動態剪切流變（DSR）試驗可以在特定應力或應變荷載重復作用下得到瀝青黏彈性參數（如復數剪切模量和相位角）隨加載次數的變化規律，能有效表征瀝青流變性能［15-18］.基于DSR 試驗，本研究分析了生物重油對旋轉薄膜烘箱（RTFOT）老化后的70#瀝青和SBS改性瀝青的再生效果，以及再生瀝青的流變性能，以期為生物重油再生瀝青的應用提供必要的理論依據.

1 原材料與方法

1.1 瀝青

原樣瀝青采用常用的AH-70#瀝青和殼牌SBS 改性瀝青（分別記為70#-O 和SBS-O），根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，測試原樣瀝青的基本性能，結果如表1 所示.表1 表明2 種原樣瀝青的基本性能均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》要求.

表1 瀝青基本性能Table 1 Basic properties of asphalts

1.2 生物重油

生物重油為生產柴油時的副產物，其物理性能和化學組成（質量分數，文中涉及的組成、摻量等除特別注明外均為質量分數和質量比）如表2所示.生物重油中的C、H、O含量占總元素含量的98%以上，m（C）/m（H）為0.6，主要含芳香族碳氫化合物及其O、S、N衍生物.

表2 生物重油的理化性能Table 2 Physical and chemical property of heavy bio-oil［10］

1.3 瀝青老化

美國SHRP 計劃規定采用旋轉薄膜烘箱（RTFOT）試驗和壓力老化（PAV）試驗模擬瀝青的短期老化和長期老化.將RTFOT 老化時間延長到255 min，可近似等效為PAV 老化［19］.本研究選用延時RTFOT 方法制備老化瀝青，RTFOT 方法參照JTG E20—2011 進行，老化時間取為255 min，老化后的瀝青分別記為70#-A 和SBS-A.

1.4 生物重油再生瀝青的制備

參照文獻［10-12］，將生物重油摻量（w%）取為2%、4%、6%和8%，剪切溫度設為135 ℃，采用高速剪切乳化機制備生物重油再生瀝青.生物重油摻量不同的再生瀝青分別記為70#-A+w%和SBS-A+w%，其制備工藝如圖1 所示.

圖1 生物重油再生瀝青制備工藝Fig.1 Preparation process of heavy bio-oil recycled asphalt

1.5 基本性能試驗

根據JTG E20—2011 對老化瀝青和再生瀝青進行三大指標試驗，采用式（1）計算各指標的變化率，分析生物重油對老化瀝青三大指標的改善效果.

式中：IR 為再生瀝青的指標變化率；I0為老化瀝青的指標值；I為再生瀝青與I0相對應的指標值.

1.6 DSR 試驗

本研究對原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青分別進行DSR 溫度、時間和頻率掃描試驗，分析瀝青的高溫穩定性、疲勞性能和黏彈性能.DSR 試驗參數如表3所示.

表3 DSR 試驗參數Table 3 Parameters of DSR test［15-18］

采用復數剪切模量（G*）和相位角（δ）表征瀝青抗變形能力和黏彈性，如圖2 所示.G*包括儲存模量（G′）和損耗模量（G″）兩部分，G*越大，抗剪切變形能力越強.δ為評價瀝青結合料黏性（不可恢復部分）和彈性（可恢復部分）成分的比例指標，δ越大，瀝青的黏性成分越大，越易發生不可恢復的永久變形；δ越小，瀝青彈性可恢復成分越多.G*/sinδ表示車轍因子，G*/sinδ越大，瀝青高溫性能越好.在SHRP 瀝青路用性能中，用疲勞因子（G*·sinδ）來評價瀝青的抗疲勞性能，G*·sinδ越小，瀝青抗疲勞性能越好.

圖2 復數模量與相位角關系Fig.2 Relationship between complex modulus and phase angle

2 試驗結果與討論

2.1 基本性能試驗

原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青三大指標試驗結果及其變化率如圖3 所示.由圖3 可見，未摻生物重油的老化瀝青70#-A 和SBS-A 的針入度為33、27（0.1 mm），軟 化 點 為57.6、81.8 ℃，延 度 為9.5、18.6 cm.針入度和延度均不滿足原樣瀝青限值要求（表1），這是由于老化使瀝青輕組分揮發，瀝青質含量增多，瀝青變硬，從而導致其針入度和延度降低，而軟化點升高.

由圖3 還可見：（1）摻入4%生物重油后，再生瀝青70#-A+4%和SBS-A+4%的三大指標值已接近原樣瀝青，這是因為生物重油可以補充瀝青因老化而揮發的輕質組分并使瀝青軟化，從而提高瀝青的針入度和延度，降低軟化點；當生物重油摻量為6%時，再生瀝青針入度較大，已超過原樣瀝青上限值要求，可能導致瀝青極軟，嚴重影響瀝青高溫性能，因此建議生物重油摻量不宜超過4%.（2）生物重油摻量相同時，70#再生瀝青的基本性能變化率大于再生SBS 改性瀝青，說明生物重油對70#-A 瀝青性能的再生效果優于SBS-A 瀝青，且生物重油摻量越大，2 種再生瀝青性能變化率差異越顯著，如70#-A+6%和SBS-A+6%再生瀝青針入度變化率分別為191%和93%，70#-A+8%和SBS-A+8%再生瀝青針入度變化率273%和141%.這可能是由于SBS 改性瀝青的老化除了瀝青成分的老化外，還有SBS 改性劑的老化，生物重油可補充瀝青因老化揮發的輕質油分，但并不能改善因老化失效的SBS 改性劑，因此對SBS-A 的改善效果低于70#-A.

圖3 瀝青基本性能試驗結果Fig.3 Basic properties test results of asphalts

2.2 DSR 溫度掃描

根據DSR溫度掃描試驗結果，得到原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青的G*和G*/sinδ與溫度（T）的關系曲線，如圖4、5所示.由圖4、5可知：各瀝青的G*和G*/sinδ均隨溫度的升高而下降，即升高溫度對瀝青抗剪切變形能力和抗車轍能力不利；與原樣瀝青相比，瀝青老化后，G*和G*/sinδ有所增加，在一定程度上提升了瀝青抗剪切變形能力和抗車轍能力；再生瀝青的G*和G*/sinδ隨著生物重油摻量的增加而降低，當生物重油摻量為4%時，再生瀝青的G*和G*/sinδ接近原樣瀝青；當生物重油摻量為6%和8%時，再生瀝青的G*和G*/sinδ已顯著低于原樣瀝青，對瀝青高溫穩定性不利.

圖4 不同瀝青的G*與T 的關系曲線Fig.4 Relationship curves between G* and T of different asphalts

圖6 為原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青的δ與T的關系曲線.由圖6可見：各瀝青的δ隨著溫度的升高而增加，這是由于瀝青在高溫下逐漸軟化，彈性成分降低，黏性成分增大；當瀝青老化后，瀝青變硬，彈性恢復能力增強，δ降低；生物重油會顯著改善老化瀝青黏彈性比例，隨著生物重油摻量的增加，再生瀝青的δ增加；當溫度小于60 ℃時，生物重油摻量為2%～8%的70#再生瀝青的δ均小于70#-O 瀝青；當溫度超過60 ℃時，摻量為4%～8% 的70#再生瀝青的δ超過70#-O 瀝青，說明該摻量和試驗溫度下再生瀝青黏性成分較高，而在實際情況中，中國某些地區在夏季高溫時瀝青路面溫度可能達到65 ℃，因此高摻量的生物重油再生瀝青在荷載作用下易產生車轍病害.當生物重油摻量為4%時，再生瀝青SBS-A+4%的δ基本恢復至SBS-O 瀝青，這與G*和G*/sinδ試驗結果相同，且當生物重油摻量為6%和8%時，再生瀝青的δ超過原樣瀝青，因此建議生物重油摻量不宜超過4%.

圖6 不同瀝青的δ 與T 的關系曲線Fig.6 Relationship curves between δ and T of different asphalts

2.3 DSR 時間掃描

原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青的G*·sinδ與加載次數（N）的關系曲線如圖7 所示.由圖7 可知：隨著N的增加，各瀝青的G*·sinδ呈現先緩慢下降隨后快速下降的趨勢，即剪切過程中能量損失逐漸增大；70#-A 瀝青和SBS-A 瀝青的G*·sinδ有顯著提升，這是由于瀝青老化后，瀝青變硬變脆，在重復加載過程中，加載周期內能量損失增大，瀝青疲勞性能降低；再生瀝青的G*·sinδ隨著生物重油摻量的增加而降低，說明生物重油可以提高老化瀝青的疲勞性能，原樣瀝青的G*·sinδ介于生物重油摻量為2%～4%的再生瀝青之間，且再生瀝青的G*·sinδ開始加速下降時的荷載作用次數明顯高于原樣瀝青.

圖5 不同瀝青的G*/sin δ 與T 的關系曲線Fig.5 Relationship curves between G*/sin δ and T of different asphalts

圖7 不同瀝青的G*·sin δ 與N 的關系曲線Fig.7 Relationship curves between G*·sin δ and N of different asphalts

2.4 DSR 頻率掃描

考慮到目前中國道路規定車輛正常行駛的速度范圍，本研究在60 ℃和0.1～100 rad/s 條件下，分析了不同瀝青的黏彈特性.原樣瀝青、老化瀝青和再生瀝青在不同頻率掃描后的tanδ與頻率（ω）的變化關系如圖8 所示.由圖8 可知：除原樣瀝青SBS-O 和再生瀝青SBS-A+6%、SBS-A+8%外，其他各瀝青在整個頻率掃描范圍內的tanδ值隨著ω的增加而降低；在相同條件下，70#瀝青的tanδ均大于SBS 改性瀝青，說明SBS 改性瀝青在荷載作用后的彈性恢復能力優于70#瀝青；70#-A 瀝青和SBS-A 瀝青的tanδ值均小于原樣瀝青，這是因為老化使瀝青變硬，彈性成分增加；再生瀝青的tanδ隨著生物重油摻量的增加而增大，是因為生物重油使瀝青軟化，提高了瀝青的黏性，且當ω較小時，瀝青均表現出較高的黏性性能，反映了在重載低速交通荷載下瀝青的黏性特征增加，易產生不可恢復變形并最終形成路面車轍病害.尤其當ω小于1 rad/s 時，再生瀝青SBS-A+6%、SBS-A+8%的tanδ隨著ω增加而增大，瀝青的黏性增強，因此建議生物重油摻量不宜超過4%.

圖8 不同瀝青的tan δ 與ω 的關系曲線Fig.8 Relationship curves between tan δ and ω of different asphalts

3 結論

（1）生物重油可顯著提高老化瀝青的針入度、延度和抗疲勞性能，降低軟化點和抗車轍能力.再生瀝青的G*、G*/sinδ和G*·sinδ隨著生物重油摻量的增加而降低.當生物重油摻量為4%時，再生瀝青的三大指標恢復至原樣瀝青；當生物重油摻量超過4%時，瀝青的抗剪切變形能力和高溫穩定性有所削弱.建議生物重油摻量不宜超過4%.

（2）隨著生物重油摻量的增加，老化瀝青中的黏性成分逐漸增大，接近原樣瀝青.生物重油對70#-A 瀝青的再生效果優于SBS-A 瀝青，但再生SBS 改性瀝青在荷載作用后的彈性恢復能力優于再生70#瀝青.在重載低速交通荷載下再生瀝青路面易產生不可恢復變形并最終形成路面車轍病害.