不同老化程度下巖瀝青/生物油復合改性瀝青高低溫流變性能研究

摘要：為探究巖瀝青摻量對生物油改性瀝青老化特性的影響，文章采用巖瀝青（5%～20%）、生物油（5%）對瀝青進行復合改性，并對其進行老化試驗和高低溫流變性能試驗。結果表明：隨著老化程度的加劇，復合改性瀝青60 ℃車轍因子和58 ℃不可恢復蠕變柔量對老化的敏感程度普遍高于基質瀝青；老化對復合改性瀝青低溫性能有不利影響，隨著巖瀝青摻量的增加，復合改性瀝青對老化的敏感程度逐漸降低。

關鍵詞：老化瀝青；生物瀝青；巖瀝青；流變性能

中文分類號：U416.03A381204

0引言

隨著瀝青路面的不斷發展，瀝青材料消耗越來越大，為追求可持續發展，眾多學者聚焦石油瀝青替代材料研究［1］，生物瀝青是其中的代表材料之一［2］。生物瀝青與基質瀝青具有很好的相溶性，且因可再生、儲量大、分布廣的特點而受到國內外研究學者的廣泛關注［3-5］。

目前，有關生物瀝青的研究主要集中在生物瀝青的制備工藝、生物瀝青的高低溫流變性能、生物瀝青在溫拌瀝青和再生瀝青（RAP）中的應用等［6］。研究表明，生物瀝青因含有較多輕組分和可溶性物質，其高溫性能和抗老化性能更容易被破壞［7］。為了解決這一問題，SBS、SBR、橡膠粉、溫拌劑、巖瀝青等添加劑被用來改善其缺陷［8-10］。巖瀝青與基質瀝青的相容性好，而且成本較低，是一種很好的天然改性劑［11］。相關研究表明，巖瀝青對提高瀝青混合料的高溫穩定性、抗老化能力和耐候性具有優良效果［12］。基于生物瀝青和巖瀝青各自的優勢和劣勢，在生物瀝青中添加一定量的巖瀝青，制備一種綜合性能較好的巖瀝青/生物油復合改性瀝青是可行的。改性后的生物瀝青高溫性能得到一定幅度提升，但其抗老化性能多簡單地采用短期老化前后的指標變化來評價，因此有必要對復合改性瀝青抗老化性能做進一步深入研究。

基于此，本文利用高速剪切儀，將生物重油按一定比例（內摻5%）與基質瀝青混合制備得到生物油改性瀝青。在生物油改性瀝青基礎上添加4種摻量巖瀝青（內摻5%、10%、15%、20%），經高速剪切后發育制得巖瀝青/生物油復合改性瀝青。將制得的復合改性瀝青進行短期老化（RTFOT）和長期老化（PAV）（10 h、20 h），得到不同老化程度的復合改性瀝青。通過老化前后復合改性瀝青在高低溫情況下的流變特性評價其對老化的敏感程度，為巖瀝青/生物油復合改性瀝青的實際應用提供試驗依據和技術指導。

1原材料及試驗方法

1.1基質瀝青

選擇70#道路石油瀝青作為基質瀝青，其常規性能見表1。本文所有試驗均參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）開展。

1.2生物油

生物油由60%～80%的脂肪酸和植物醇組成，主要為植物油蒸餾下來的殘渣，其技術指標見表2。

1.3巖瀝青

本文巖瀝青選擇布敦巖瀝青。為保證巖瀝青在生物瀝青中的均勻分布，需嚴格控制巖瀝青顆粒的大小，因此需將巖瀝青過0.15 mm標準篩。巖瀝青各項技術指標見表3。

1.4巖瀝青/生物油復合改性瀝青制備

（1）將基質瀝青加熱到流動性較好時，將生物油與基質瀝青共混，采用高速剪切機在5 000 r/min剪切速率下剪切30 min。在此過程中剪切溫度為150 ℃，獲得生物油改性瀝青。

（2）將一定質量的巖瀝青添加到生物油改性瀝青中，設置高速剪切儀剪切速率為5 000 r/min，剪切溫度為160 ℃，剪切時間為60 min。

（3）將剪切得到的混合物置于烘箱中，烘箱溫度設置為150 ℃，發育20 min，最終制得巖瀝青/生物油復合改性瀝青。

1.5老化試驗

采用旋轉薄膜烘箱試驗模擬復合改性瀝青的短期老化，采用壓力老化試驗模擬復合改性瀝青的長期老化，長期老化時間分別為10 h±10 min、20 h±10 min。根據上述老化試驗方法制得不同老化程度巖瀝青/生物油復合改性瀝青。

2試驗結果與分析

2.1溫度掃描試驗

通過溫度掃描試驗獲得復合改性瀝青的車轍因子，以評價復合改性瀝青的高溫流變性能，選用60 ℃車轍因子作為瀝青高溫抗車轍評價指標。試驗結果如圖1所示。

由圖1可見，短期老化后基質瀝青車轍因子的增長幅度遠大于另外四種復合改性瀝青，基質瀝青的車轍因子增長了198.8%，其他四種復合改性的車轍因子分別增長了145.9%、170.6%、150.3%和152.7%。隨著巖瀝青摻量的增加，復合改性瀝青的車轍因子均有增長的趨勢，長期老化10 h后，5%生物油+10%巖瀝青、5%生物油+15%巖瀝青、5%生物油+20%巖瀝青復合改性瀝青車轍因子超過基質瀝青。究其原因是復合改性瀝青對壓力老化更為敏感，生物油的加入使得其輕組分比例增加，在壓力老化過程中更易揮發；同時因為巖瀝青屬于硬質材料，巖瀝青的加入本身會使改性瀝青變硬，模量增大，從而出現車轍因子大幅提高，甚至超過基質瀝青的情況，這與摻入巖瀝青的預期效果一致。

2.2多重應力蠕變恢復試驗

開展多重應力蠕變恢復試驗測試瀝青的恢復率和不可恢復蠕變柔量，以評價復合改性瀝青的彈性恢復能力。分別使用兩個恒定應力（0.1 kPa和3.2 kPa）控制，試驗溫度為58 ℃。試驗結果如圖2和下頁圖3所示。

從圖2可以看出，在3.2 kPa條件下，從絕對數值來看，基質瀝青的恢復率整體比復合改性瀝青大，尤其是長期老化10 h后。這是因為生物油的摻入使得復合改性瀝青中的黏性成分增多，瀝青變得更軟，變形后更不易恢復。隨著巖瀝青摻量的增加，復合改性瀝青的恢復率逐漸增大，說明巖瀝青摻量的增加對復合改性瀝青彈性恢復有利，高溫穩定性更優。0.1 kPa條件下，PAV 20 h后，5%生物油+15%巖瀝青和5%生物油+20%巖瀝青復合改性瀝青的恢復率甚至超越了基質瀝青，說明其在低應力水平條件下后期高溫穩定性比基質瀝青更具有優勢。從恢復率隨老化程度的變化幅度來看，復合改性瀝青相對基質瀝青更加穩定，對老化的敏感程度更低。

從圖3可以看出，不管是基質瀝青還是復合改性瀝青，不可恢復蠕變柔量隨老化程度的增加而減小，且在短期老化處有明顯的突變，說明老化程度越大，其高溫抗永久變形能力越強。長期老化20 h后巖瀝青摻量為20%時，復合改性瀝青的不可恢復蠕變柔量與基質瀝青持平。復合改性瀝青對老化的敏感程度隨著巖瀝青摻量的增加逐漸減小，抗老化性能越優。巖瀝青的摻入不僅提高了復合改性瀝青的抗永久變形能力，而且使得復合改性瀝青對老化的敏感程度呈現降低趨勢，達到了摻入巖瀝青的預期效果。

綜合車轍因子、恢復率、不可恢復蠕變柔量三個高溫流變性能指標可以發現，巖瀝青/生物油復合改性瀝青對老化的敏感程度要大于基質瀝青，而巖瀝青摻量的提高能彌補這一差距，5%生物油+20%巖瀝青復合改性瀝青的高溫性能最優，長期老化20 h后的車轍因子超過基質瀝青，恢復率和不可恢復蠕變柔量與基質瀝青相當。

2.3低溫彎曲蠕變勁度試驗

通過彎曲蠕變勁度試驗測得復合改性瀝青的勁度模量和蠕變速率，以評價復合改性瀝青的低溫性能。本文選擇的試驗溫度為-12 ℃和-18 ℃，試驗結果如圖4和圖5所示。

從圖4可以看出，在同一老化程度下，復合改性瀝青的勁度模量始終未超過基質瀝青，蠕變速率隨著老化程度的加劇而減小，老化使得瀝青變脆，模量增大，難以快速產生應變來抵抗其溫度應力，故低溫性能變差。從勁度模量還是蠕變速率指標分析，老化對基質瀝青低溫性能的影響最大。從勁度模量和蠕變速率來看，基質瀝青對老化的敏感程度相比復合改性瀝青要大，原因分析為：老化過程復合改性瀝青中的生物油的摻入在很大程度上補充了輕組分，黏度降低，模量減小，盡管老化程度加劇會有一定輕組分的損失，但生物油的作用仍足以抵消老化帶來的不利影響；巖瀝青本身具有較好的抗老化性能，故不會產生疊加效應，相反會減緩復合改性瀝青的老化。

圖4與圖5表明，相比-12 ℃，在-18 ℃條件下，基質瀝青和復合改性瀝青的勁度模量有所增加，蠕變速率有所減小，這是因為瀝青是溫感性材料，溫度下降，瀝青模量大幅增加，表現出較強的脆性。-18 ℃時，勁度模量和蠕變速率隨老化程度的變化規律與-12 ℃條件下較為相似。按照S≤300 MPa、m＞0.3的低溫等級標準，-18 ℃時，短期老化后的基質瀝青勁度模量為358.3 MPa，已經超過300 MPa，長期老化20 h后的基質瀝青勁度模量為421.3MPa，蠕變速率為0.235＜0.3，故基質瀝青低溫等級達不到-18 ℃。除長期老化后的5%生物油+20%巖瀝青復合改性瀝青勁度模量達到344.7 MPa外，其余不同巖瀝青摻量復合改性瀝青在不同老化程度下的勁度模量均控制在300 MPa以下。復合改性瀝青在摻量研究范圍內，任意老化程度的蠕變速率均大于0.3，滿足-18 ℃低溫等級，這在一方面說明了復合改性瀝青的低溫抗裂性要明顯優于基質瀝青。在-18 ℃條件下，老化對基質瀝青低溫性能的影響最大，復合改性瀝青中對老化最為敏感的是5%生物油+20%巖瀝青，對老化最不敏感的是5%生物油+5%巖瀝青；從蠕變速率來看，復合改性瀝青中對老化最為敏感的是5%生物油+20%巖瀝青，對老化最不敏感的是5%生物油+15%巖瀝青。對老化最為敏感的均為5%生物油+20%巖瀝青復合改性瀝青，這在一定程度上說明巖瀝青摻量的提高會對復合改性瀝青的低溫抗老化性能產生不利影響。

綜合-12 ℃、-18 ℃低溫彎曲勁度模量和蠕變速率指標隨老化程度的變化情況，可以得出巖瀝青/生物油復合改性瀝青對老化的敏感程度要明顯小于基質瀝青，提高巖瀝青摻量雖然在一定程度上降低了復合改性瀝青的低溫性能和抗低溫老化性能，但總體低溫性能仍顯著優于基質瀝青，兩種溫度得出的結論一致。

3結語

為了評價巖瀝青/生物油復合改性瀝青的抗老化性能及巖瀝青摻量對復合改性瀝青性能的影響，對復合改性瀝青老化前后的高低溫流變特性進行研究，得出如下結論：

（1）從高溫流變性能指標分析，巖瀝青/生物油復合改性瀝青對老化的敏感程度要大于基質瀝青，提高巖瀝青摻量可降低老化敏感性。5%生物油+20%巖瀝青復合改性瀝青的高溫性能最優，長期老化20 h后的車轍因子超過基質瀝青，恢復率和不可恢復蠕變柔量與基質瀝青相當。

（2）從低溫抗裂指標分析，巖瀝青/生物油復合改性瀝青對老化的敏感程度要明顯小于基質瀝青，巖瀝青摻量的提高雖在一定程度上降低了復合改性瀝青的抗低溫及老化性能，但生物油的加入使其低溫性能仍顯著優于基質瀝青，兩種溫度得出的結論一致。

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作者簡介：申屠成（2002—），碩士，主要從事道路工程研究工作。