高性能生物改性瀝青的制備與路用性能研究

趙曉翠，臧廣遠(yuǎn)，弓家勝，任皎龍

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東理工大學(xué) 體育學(xué)院，山東 淄博 255049)

瀝青混凝土是最重要的道路建筑材料之一，隨著大量的路面施工和養(yǎng)護(hù)，瀝青的消耗也在不斷增加。瀝青作為石油的一種副產(chǎn)品，隨著石油資源的枯竭，其儲(chǔ)量逐漸減少。因此，在不犧牲瀝青混凝土鋪裝性能的前提下，尋找瀝青的替代品，研究節(jié)約瀝青用量的新技術(shù)是十分必要的。

近年來(lái)，生物改性瀝青的物理化學(xué)特性、路用性能和最佳配方等得到了廣泛的研究[1-4]。結(jié)果表明，生物改性瀝青具有較好的低溫抗裂性能和較差的高溫穩(wěn)定性。研究者應(yīng)用生物質(zhì)油對(duì)不同類型的基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性[1,5]，發(fā)現(xiàn)生物瀝青的抗老化和低溫性能改善，而黏度和高溫穩(wěn)定性下降[6-9]。另外，Yang 等[7]發(fā)現(xiàn)生物改性瀝青混合料的抗車轍性能不如基質(zhì)瀝青混合料。顯然，生物改性瀝青不能滿足高溫地區(qū)道路施工的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。有研究者采用復(fù)合改性技術(shù)提高生物瀝青和生物瀝青混合料的高溫性能，分別在生物改性瀝青中加入聚乙烯、橡膠粉和SBS并取得了良好的效果[10-11]。然而，與目前常用的改性瀝青(如SBS改性瀝青)相比，生物改性瀝青由于改性劑(SBS等)用量大，其性能與經(jīng)濟(jì)性難以達(dá)到平衡。因此，生物改性瀝青仍難以滿足高等級(jí)路面施工的需要。為了解決這一問題，本文致力于尋找一種新的方法來(lái)改善生物瀝青的路用性能。

1 篩選和制備

1.1 改性劑的篩選

近年來(lái)，納米材料被廣泛用于改善瀝青的路用性能。研究表明，納米材料單獨(dú)使用時(shí)改性效果有限，而納米材料和聚合物復(fù)合改性瀝青的改性效果令人滿意。

如前所述，生物瀝青具有較好的低溫性能和較差的高溫性能。因此，所選用的納米材料和聚合物必須對(duì)瀝青的高溫性能有積極的改性作用。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，選擇納米二氧化硅作為納米材料。采用4種聚合物(SBR、SBS、PE、EVA)對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性，根據(jù)不同改性瀝青的路用性能選擇最合適的聚合物，根據(jù)軟化點(diǎn)和60 ℃粘度試驗(yàn)評(píng)價(jià)其對(duì)高溫性能的改性效果。這些試驗(yàn)均按照《公路工程瀝青及瀝青混合料標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法(JTJ E20-2011)》的規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

如表1所示，SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)和60 ℃粘度最高，這表明SBS對(duì)高溫性能的改性效果最好。因此，最終選擇納米二氧化硅和SBS進(jìn)行后續(xù)研究。

1.2 制備過程

根據(jù)相似相融原理，生物質(zhì)油易于與基質(zhì)瀝青充分混合。然而，由于納米材料具有較大的比表面積，納米材料和聚合物易形成二級(jí)材料結(jié)構(gòu)聚合物，這會(huì)對(duì)改性效果帶來(lái)不利影響。所以，需要將納米材料和聚合物均勻分散以克服聚合問題。在本文中，根據(jù)文獻(xiàn)[6]，采用高溫高速剪切的方法來(lái)解決這個(gè)問題。

表1 不同聚合物改性瀝青的試驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 Test results of modified asphalt binders using different polymers

添加的聚合物(170℃,5000 r/min,30 min)軟化點(diǎn)/℃粘度(布氏粘度,60℃)/(Pa·s)051.13161%SBR51.93553%SBR54.46555%SBR57.51 1001%SBS62.61 6113%SBS68.6—5%SBS72.2—1%PE61.11 5013%PE65.52 6095%PE67.1—1%EVA55.57993%EVA58.11 2385%EVA61.21 533

采用納米二氧化硅、聚合物和生物質(zhì)油制備改性瀝青。首先將生物質(zhì)油與基質(zhì)瀝青混合，即生物瀝青。值得注意的是，生物質(zhì)油和基質(zhì)瀝青的總質(zhì)量保持在500 g不變。在120 ℃下混合5 min后，將納米二氧化硅添加到生物瀝青中。在120 ℃下，高速剪切(5 000 r / min)10 min后，添加聚合物。在170 ℃下，高速剪切不少于45 min，試樣制備完成。

2 最佳改性配方

2.1 正交實(shí)驗(yàn)

為了能夠科學(xué)的分析不同試驗(yàn)因素之間的影響關(guān)系，減少試驗(yàn)工作量，采用正交試驗(yàn)確定改性瀝青的最佳配方。影響因素及相應(yīng)的試驗(yàn)水平見表2，正交試驗(yàn)的試驗(yàn)順序見表3。

表2 試驗(yàn)因素和試驗(yàn)水平Table 2 Test factors and test level

試驗(yàn)水平試驗(yàn)因素生物質(zhì)油(A)SBS(B)SiO2(C)水平I5%1%0.2%水平II7%3%0.5%水平III9%5%0.8%

表3 正交試驗(yàn)順序Tab.3 Testing sequence of orthogonal experiment

試驗(yàn)編號(hào)ABC正交組合15%1%0.2%A1B1C125%3%0.5%A1B2C235%5%0.8%A1B3C347%1%0.5%A2B1C257%3%0.8%A2B2C367%5%0.2%A2B3C179%1%0.8%A3B1C389%3%0.2%A3B2C199%5%0.5%A3B3C2

2.2 測(cè)試結(jié)果及分析

對(duì)軟化點(diǎn)、5 ℃延度和135 ℃粘度進(jìn)行測(cè)試，分析生物改性瀝青高溫性能、低溫性能和工作性能。采用各因素每個(gè)試驗(yàn)水平的極差和相應(yīng)平均值來(lái)分析正交試驗(yàn)的結(jié)果，如圖1所示。

2.3 最佳配方

高溫性能和低溫性能是改性瀝青的重要性能。9個(gè)組的5 ℃延度試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求(大于30 cm)。因此，5 ℃延度不再需要考慮。此外，軟化點(diǎn)被認(rèn)為是重要影響因素，135 ℃黏度被認(rèn)為是次要因素。試驗(yàn)結(jié)果的平均值可以描述關(guān)鍵因素和次要因素的影響趨勢(shì)，如圖2所示。

如圖1(a)所示，SBS對(duì)軟化點(diǎn)的極差最大，說(shuō)明SBS對(duì)高溫性能影響最大，其影響趨勢(shì)隨含量的增加而增加。因此，綜合考慮影響趨勢(shì)(圖2(c))，將SBS的用量定為5%。其次是生物質(zhì)油(圖1(a))，其影響趨勢(shì)隨摻量的增加而減小(圖2(a))，必須控制生物質(zhì)油的用量。根據(jù)其影響趨勢(shì)(圖2(a))，當(dāng)摻量超過7%時(shí)，軟化點(diǎn)迅速降低，因此將生物質(zhì)油的用量定為7%。此外，納米二氧化硅的用量應(yīng)選擇較低的摻量(0.2%)，因?yàn)槠錁O值最小。綜上所述，生物質(zhì)油、SBS和納米二氧化硅復(fù)合改性瀝青的最佳配方為：7% 生物質(zhì)油+5% SBS+0.2% 納米二氧化硅。

(a)軟化點(diǎn)極差 (b)5 ℃延度極差 (c)135 ℃黏度極差

(a)生物質(zhì)油對(duì)軟化點(diǎn)的影響趨勢(shì) (b)生物質(zhì)油對(duì)135 ℃黏度的影響趨勢(shì) (c)SBS對(duì)軟化點(diǎn)的影響趨勢(shì)

(d)SBS對(duì)135 ℃黏度的影響趨勢(shì) (e)納米二氧化硅對(duì)軟化點(diǎn)的影響趨勢(shì) (f)納米二氧化硅對(duì)135 ℃黏度的影響趨勢(shì)

此外，如圖2(b)、(d)、(f)所示，盡管在使用5% SBS時(shí)135 ℃黏度超過3.0 Pa·s，但是當(dāng)納米二氧化硅的摻量為0.2%且生物質(zhì)油的含量為7%時(shí)其值會(huì)下降。可以合理的推測(cè)，所提出的配方擁有足夠的工作性能。因此，生物質(zhì)油、SBS和納米二氧化硅復(fù)合改性瀝青的最佳配方可確定為：7% 生物質(zhì)油+5% SBS+ 0.2% 納米二氧化硅。

3 改性瀝青(HBA)的性能

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，對(duì)AH-70基質(zhì)瀝青、5% SBS改性瀝青和HBA(7%生物質(zhì)油+ 5% SBS+0.2% 納米二氧化硅)的高溫、低溫性能和抗老化性能進(jìn)行了測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證了所選配方對(duì)提高改性瀝青性能的有效性。

3.1 低溫性能

在 -12 ℃和-18 ℃下的彎曲梁流變儀(BBR)試驗(yàn)用來(lái)評(píng)價(jià)低溫性能。采用蠕變勁度(S)和蠕變速率(m)表示瀝青的抗裂性。試驗(yàn)結(jié)果見表4。從表4可以看出，在所有測(cè)試溫度下的平均值，生物改性瀝青的蠕變勁度(S)相比于5% SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青分別降低了15.87%和24.73%，而蠕變速率(m)分別增加了9.06%和20.50%，上述結(jié)果表明，HBA比典型的瀝青具有更好的低溫性能。

表4 BBR試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 BBR test results

瀝青類型S(-12 ℃)S(-18 ℃)m(-12 ℃)m(-18 ℃)AH-70103.1288.50.3840.3095%SBS96.8246.80.4210.344HBA76.4220.50.4520.381

3.2 高溫性能

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)試驗(yàn)進(jìn)行高溫性能分析，并用車轍因子來(lái)表示瀝青的高溫勁度或抗車轍能力(表5)。由表5可以看出，在不同測(cè)試溫度下HBA的車轍因子高于5% SBS改性瀝青和AH-70基質(zhì)瀝青。結(jié)果表明，HBA對(duì)高溫性能有明顯的改性作用。

表5 車轍因子Tab.5 Rutting factor

瀝青類型52 ℃58 ℃64 ℃70 ℃76 ℃82 ℃88 ℃AH-7017.496.913.271.450.76——5%SBS42.7921.2011.205.753.041.851.05HBA54.8425.5512.786.393.362.041.20

3.3 抗老化性能

采用RTFOT試驗(yàn)對(duì)瀝青的抗老化性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見表6。由表6可以看出，HBA老化后的質(zhì)量損失和殘余穩(wěn)定度均優(yōu)于AH-70基質(zhì)瀝青，與5% SBS改性瀝青相似。尤其是老化后的5℃延度，HBA顯著高于5%的SBS改性瀝青和AH-70基質(zhì)瀝青，相應(yīng)的損失比率較低。因此，HBA對(duì)抗老化性能有明顯的改性作用。

表6 RTFOT試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 RTFOT test results

瀝青類型質(zhì)量損失/%殘留穩(wěn)定度/%老化后5℃延度/cm5℃延度損失/%AH-700.2662.901005%SBS0.1271.210.8138.9HBA0.1272.922.8831.3

4 改性瀝青(HBA)的路用性能

分別對(duì)AH-70基質(zhì)瀝青、5% SBS改性瀝青、HBA制備的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試[12]，考察了不同瀝青對(duì)瀝青混合料性能的改善效果。上述3種瀝青混合料的級(jí)配如圖3所示。

圖3 集料級(jí)配

馬歇爾試驗(yàn)法測(cè)定的石油比分別為4.5%(AH-70基質(zhì)瀝青混合料)、5.0%(5% SBS改性瀝青混合料)和4.8%(HBA混合料)，相應(yīng)的孔隙率分別為4.0%(AH-70基質(zhì)瀝青混合料)、3.8%(5% SBS瀝青混合料)和3.9%(HBA混合料)，密度分別為2.406 g/cm3(AH-70基瀝青混合料)、2.409 g/cm3(5% SBS瀝青混合料)和2.391 g/cm3(HBA混合料)。

4.1 高溫穩(wěn)定性

車轍試驗(yàn)結(jié)果見表7。由表7可知，HBA混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相比于比5% SBS改性瀝青混合料提高了2.34%。與AH-70基質(zhì)瀝青混合料相比，HBA混合料的動(dòng)穩(wěn)定度是AH-70基質(zhì)瀝青混合料的2.74倍。結(jié)果表明，HBA混合料具有最佳的高溫性能。

表7 車轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Rutting test results

指標(biāo)AH-70瀝青混合料SBS瀝青混合料HBA混合料45 min后變形/mm3.692.432.0360 min后變形/mm4.212.602.19動(dòng)穩(wěn)定度/(次數(shù)·mm-1)1 355.4623 718.223 807.248

4.2 低溫抗裂性

低溫性能通過-10 ℃彎曲試驗(yàn)測(cè)定，見表8。如前所述，HBA具有最佳的低溫性能。瀝青混合料的低溫性能也遵循這一趨勢(shì)。由表8可知，HBA混合料的破壞應(yīng)變分別是5% SBS改性瀝青混合料和AH-70基質(zhì)瀝青混合料的1.26倍和2.01倍，其模量分別降低了30.1%和41.7%，表明其具有更好的低溫抗裂性能。

表8 -10 ℃彎曲試驗(yàn)Tab.8 -10 ℃ bending test results

指標(biāo)AH-70瀝青混合料SBS瀝青混合料HBA混合料彎曲抗拉強(qiáng)度/MPa7.6339.86712.214斷裂應(yīng)變/με1 681.802 703.213 393.04勁度模量/MPa4 493.983 748.432 622.18

4.3 水穩(wěn)定性

通過浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，對(duì)其水穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果見表9。由表9可知，HBA混合料的殘余穩(wěn)定度和抗拉強(qiáng)度比與5% SBS瀝青混合料相差不大，但與AH-70基質(zhì)瀝青混合料相比有明顯的提高。結(jié)果表明，HBA混合料有較好的水穩(wěn)定性。

表9 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Water stability test results

指標(biāo)AH-70瀝青混合料SBS瀝青混合料HBA混合料殘余穩(wěn)定度/%86.292.289.5抗拉強(qiáng)度比/%86.393.590.8

5 結(jié)論

本文提出了一種利用納米二氧化硅和聚合物(SBS)對(duì)生物瀝青進(jìn)行改性的方法，提高了生物瀝青的路用性能，并控制了材料成本。通過正交試驗(yàn)，對(duì)極差和影響趨勢(shì)進(jìn)行分析，提出了生物改性瀝青(HBA)的最佳配方：7% 生物質(zhì)油+5% SBS+0.2% 納米二氧化硅。HBA及其混合料與5% SBS改性瀝青和AH-70基質(zhì)瀝青相比，在高溫、低溫和抗老化性能方面均有明顯改善。因此，HBA具有良好的實(shí)用和推廣價(jià)值。