再生炭黑改性生物瀝青流變性能研究

作者簡介：胡 隆（1995—），助理工程師，主要從事道路工程研究工作。

摘要：文章為研究再生炭黑（RCB）對生物瀝青流變性能的影響，制備了不同摻量的RCB改性生物瀝青，采用布氏黏度計、動態剪切流變儀（DSR）、彎曲梁流變儀（BBR）、離析試驗和紅外光譜（FTIR）試驗，表征了RCB對生物瀝青性能的影響，揭示了RCB與生物油在瀝青基體中的耦合作用。試驗結果表明，生物油使得RCB在瀝青基體中的均勻性得到改善，且RCB增大了瀝青的黏度和車轍因子，即RCB顯著改善了生物瀝青的高溫穩定性；盡管RCB略微降低了瀝青的低溫性能，但RCB改性生物瀝青的低溫抗裂性仍明顯優于基質瀝青；RCB、生物油和基質瀝青的相互作用是物理共混效應；RCB改性生物瀝青具有作為新型瀝青路面材料的潛力，RCB和生物油的綜合利用有利于推進資源全面節約和循環利用。

關鍵詞：道路工程；再生炭黑；生物瀝青；流變性能；微觀表征

中圖分類號：U416.03A090283

0 引言

作為工業生產和日常生活的副產品或廢棄物，生物瀝青因其組分相似可作為改性劑或部分替代石油瀝青，近年來在道路工程受到了廣泛的關注^［1-2］。由于原材料來源和制備過程的多樣性，生物油不穩定的物理化學性質會導致生物瀝青的性能差異性明顯。盡管大多數生物油可以改善瀝青的低溫性能，但會嚴重影響瀝青的高溫性能，這將加大生物油在道路工程中的應用難度^［3-4］。因此，在保證或改善瀝青路用性能的情況下，提高生物油替代道路石油瀝青的比例是目前研究的熱點。

再生炭黑（RCB）是一種碳基材料，可作為改性劑改變瀝青內部結構，從而改善其彈性性能、抗塑性變形性能和高溫性能^［5］。RCB具有良好的耐磨性、抗滑性、表面活性和吸附能力，成本低且來源豐富，可由含炭黑的廢棄輪胎熱裂解獲得^［6］。因此，研究人員將RCB作為改性材料以提高瀝青材料的路用性能，并降低改性劑成本，減少固體廢棄物產量。李因翔等^［7］發現RCB可以改善瀝青的高溫性能和老化性能，但高摻量的RCB存在團聚現象。馮振剛等^［8］對RCB改性瀝青混合料采用動態模量試驗，研究表明RCB使得瀝青混合料的動態模量顯著增加。以上研究表明RCB可以改善瀝青及其混合料的路用性能，特別是高溫性能。然而，目前的研究大多圍繞RCB、SBS或其他改性劑復合改性提升瀝青性能方面開展，針對RCB對生物瀝青性能的影響研究仍有不足。

綜上所述，生物油和RCB都屬于可再生資源，且均可作為瀝青的改性劑或部分替代品。生物油通過自身的軟化作用提高瀝青的低溫性能，而RCB通過增強瀝青的彈性來改善其高溫性能。為解決高摻量生物油條件下瀝青的高溫性能衰減過快的問題，提高生物油的使用量從而擴大經濟效益和環保效益，考慮在瀝青中綜合使用RCB和生物油來擴大這兩種增值型副產品的應用范圍。因此，本文旨在探究RCB對生物瀝青的性能影響，初步探討RCB顆粒在生物瀝青中應用的可行性，為新型綠色道路施工材料的選擇提供參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

選用A級70^#道路石油瀝青作為基質瀝青，其主要性能指標如表1所示。生物油選擇湖南某公司生產的植物油，該植物油是經過脂肪酸蒸餾過程得到的副產品，表2為生物油的具體性能指標。RCB選用天津某公司熱裂解廢輪胎生產的N880系列炭黑，其主要性能指標見表3。

1.2 RCB表面處理

RCB通常是由廢輪胎橡膠熱裂解產生的，而RCB的表面雜質含量會影響其與瀝青的結合，因此需要對其進行表面處理。RCB的表面處理可分為兩步^［9］：（1）酸洗，增加其表面活性，即采用磁力攪拌機和硝酸溶液，在恒溫60 ℃的條件下對RCB酸洗60 min，真空抽濾出RCB顆粒；（2）采用表面接枝增強其在瀝青中的均勻性，即采用磁力攪拌機和HY105偶聯劑溶液對RCB表面接枝，攪拌60 min后放入真空烘箱干燥48 h。

1.3 改性瀝青制備

將生物油緩慢地倒入流動態的基質瀝青中，采用高速剪切儀剪切，將速度緩慢提高至4 000 r/min，剪切溫度控制在150 ℃～160 ℃，勻速剪切30 min后，即可完成生物瀝青的制備。隨后，將干燥的RCB顆粒分批且緩慢地加入生物瀝青中，并用玻璃棒攪拌使其均勻分散，剪切速率控制為4 000 r/min，剪切時間和剪切溫度分別為45 min和155 ℃。

將基質瀝青、生物瀝青和RCB（20%）改性瀝青采用同樣方法處理，避免制備過程中的老化影響瀝青性能而干擾結果分析。為簡化本次試驗中瀝青試樣的名稱，將15%（基質瀝青質量比）生物油+RCB摻量（基質瀝青質量比）為10%、15%和20%的RCB改性生物瀝青分別命名為CBB-10、CBB-15和CBB-20。

1.4 瀝青性能測試

根據《在高溫下使用旋轉黏度計測定瀝青黏度的標準試驗方法》（ASTM D4402-2015）要求，使用布氏黏度計評價瀝青的抗流動變形能力。所有瀝青試樣的測試溫度為135 ℃，使用SC4-27型號轉子進行測試，制備三個黏度試樣進行平行試驗。

按照美國相關標準ASTM D5892中的試驗要求進行離析試驗以評估改性瀝青的儲存穩定性。將樣品管分成三等份，通過計算樣品管上下軟化點的差異來評價改性瀝青的儲存穩定性。

根據美國公路與運輸協會標準AASHTO T315，使用動態剪切流變儀（DSR）對未老化的瀝青進行溫度掃描試驗。溫度掃描試驗的角頻率和溫度范圍分別是10 rad/s和45 ℃～85 ℃。

使用彎曲梁流變儀（BBR）評價改性瀝青的低溫性能。瀝青試樣先采用旋轉薄膜烘箱試驗處理，再進行壓力老化儀試驗，模擬瀝青的長期老化過程。BBR試驗的溫度設置為-12 ℃和-18 ℃。

使用傅里葉紅外光譜儀（FTIR）研究RCB、生物油和基質瀝青之間的相互作用效應。試驗測試的波數范圍設置為550～4 000 cm^-1。

2 結果與討論

2.1 布氏黏度試驗

黏度能夠表征瀝青的抗剪切變形能力。基質瀝青、生物瀝青和RCB改性生物瀝青的黏度試驗結果如圖1所示。由圖1可知，由于具有軟化作用，生物油的添加降低了瀝青的黏度，表明生物油具有作為溫拌劑的潛力，然而黏度的降低不利于瀝青的高溫穩定性。同時可以發現，添加RCB能明顯提高生物瀝青的黏度，改善其粘滯阻力和高溫抗剪切變形的能力。這是因為在135 ℃高溫旋轉條件下，增強了瀝青分子的熱運動頻率，增大了瀝青分子與RCB的接觸面積，從而使生物瀝青的黏度增加。

2.2 儲存穩定性試驗

為了研究RCB和生物油對瀝青儲存穩定性的影響，對不同類型的瀝青進行了離析試驗，結果如圖2所示。由圖2可知，RCB改性瀝青（20%RCB+基質瀝青）的軟化點差值超過規范值（≤2.5 ℃），且其軟化點差值隨著RCB摻量的增加而增加，說明表面處理后的RCB在瀝青基體的儲存穩定性仍需提高。與RCB改性瀝青相比，RCB改性生物瀝青的軟化點差值顯著降低，這證實了生物油與瀝青之間的相似相容性。基于生物油自身的軟化作用和稀釋作用，在混合過程中，生物油將RCB包裹并吸附，進一步改善了RCB顆粒在瀝青基體中的分散效果。同時，RCB與生物油的耦合作用彌補了RCB改性瀝青儲存穩定性的不足，同時生物油又增強了RCB在瀝青中的三維網絡結構。

2.3 溫度掃描試驗

圖3為瀝青車轍因子隨溫度變化的曲線。由圖3可知，與生物瀝青相比，RCB改性生物瀝青的車轍因子更高，且隨摻量增加而變化。這說明摻入RCB能改善生物瀝青的高溫穩定性。溶脹過程中的RCB顆粒在瀝青基體中充分擴散，顆粒以不規則形態均勻分散在瀝青體系中，RCB表面的活性組分在高溫條件下，與熱運動過程中的瀝青分子無規則聯結、組合形成三維網絡結構，即RCB對生物瀝青空間網絡結構具有填充效果。然而，這種改性效果是有限的，因為RCB在瀝青中的溶解接近飽和后，若仍提高摻量對瀝青的高溫性能影響不大，還會對其儲存穩定性產生不利影響。RCB在生物瀝青基體中高溫改善效果比單一改性效果更佳，這是因為生物油使得RCB在瀝青中的均勻性進一步提升，即生物油釋放了RCB對瀝青高溫性能的改善潛力，在一定程度下彌補了因高摻量而產生的負面影響。

2.4 BBR低溫試驗

不同類型瀝青的BBR低溫試驗結果如表4所示。由表4可知，生物油的添加使得基質瀝青的蠕變剛度（S）值下降，同時m值和m/S值增大，表明生物油的軟化效果和輕質組分的補充改善了瀝青的低溫性能。然而，與生物瀝青相比，RCB改性生物瀝青的S值增大，而m值和m/S值下降，即RCB在一定程度上不利于瀝青的低溫性能。RCB改性生物瀝青的低溫性能較生物瀝青的衰減程度大，可以歸結為兩個因素：（1）RCB的添加使得瀝青的剛度增加，降低了材料的應力松弛能力；（2）RCB在瀝青的溶脹過程中吸收了生物油中的輕質組分，生物油對瀝青的軟化作用有所下降，使其低溫性能有所降低。

RCB改性生物瀝青和生物瀝青均在-18 ℃下滿足S值≤300 MPa、m值≥0.300，而基質瀝青在此條件下不滿足要求，說明盡管RCB使得生物瀝青的低溫性能略微下降，但RCB改性生物瀝青的低溫性能仍然明顯優于基質瀝青。

2.5 FTIR試驗

為了深入分析RCB、生物油和基質瀝青三者之間的相互作用機理，本研究對不同類型的瀝青進行了FTIR試驗，結果如圖4所示。四種瀝青在2 930 cm^-1和2 850 cm^-1的吸收峰對應的分別是烷烴CH₂基團的不對稱伸縮振動和對稱伸縮振動。其中1 650 cm^-1處的吸收峰是由苯環的C=C伸縮振動引起的，且可以發現生物瀝青和CBB-20在該處峰值更為明顯，這與生物油中的某些輕質組分有關。同時，1 470 cm^-1和1 370 cm^-1的吸收峰分別是由甲基CH₃的不對稱變角振動和對稱變角振動引起的。在指紋區吸收光譜段（400～1 330 cm^-1），810 cm^-1和735 cm^-1處的微弱吸收峰是苯環上=CH的彎曲振動引起的。由圖4可知，四種瀝青的吸收峰數量和位置基本相似，即FTIR結果沒有出現新的吸收峰，只有部分峰值略有

變化。這表明RCB、生物油和基質瀝青三者之間可能并未發生化學反應，而是物理共混和填充的過程。因此，RCB、生物油和基質瀝青之間的耦合作用在微觀層面還需要進一步研究。

3 結語

（1）RCB會導致瀝青的軟化點差值增加，從而降低瀝青材料的儲存穩定性，而生物油能改善RCB在瀝青基體的儲存穩定性，增強RCB在生物瀝青中的三維網絡結構。

（2）RCB能顯著提高瀝青的高溫車轍抵抗性能。RCB在一定程度上會影響生物瀝青的低溫性能，但RCB改性生物瀝青的低溫性能仍明顯優于基質瀝青。

（3）RCB改性生物瀝青中未出現新的官能團，RCB、生物油和基質瀝青三者之間未發生化學反應，而是出現物理共混和網絡結構填充效應。RCB、生物油和基質瀝青三者的相互作用在微觀表征層面還需深入研究。

參考文獻

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