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(guān)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(biāo)號的基質(zhì)瀝青共混改性，并通過旋轉(zhuǎn)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(tài)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(wěn)定性試驗評價其抗離析性能。試驗結(jié)果表明：葵花籽油改性瀝青隨著瀝青標(biāo)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(guān)鍵詞：改性瀝青;葵花籽油;耐老化性能

中圖分類號：U414 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

現(xiàn)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(fā)生揮發(fā)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(zhuǎn)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(shù)指標(biāo)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(zhuǎn)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(zhì)瀝青中摻入5%摻量葵花籽油，使用高速剪切儀以3 000 rpm轉(zhuǎn)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(biāo)號葵花籽油改性瀝青，將其放入163±0.5℃的烘箱中加熱至規(guī)定時間;隨后將旋轉(zhuǎn)薄膜試驗老化后的瀝青倒入標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(tài)流變試驗（DSR）

采用MER101-A型動態(tài)剪切流變儀，選擇剪應(yīng)力控制模式，溫度掃描試驗溫度設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(wěn)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(jié)，分別將上節(jié)和下節(jié)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(jié)果與分析

2.1 抗老化指標(biāo)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(shù)據(jù)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(biāo)號瀝青都表現(xiàn)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(zhì)組分揮發(fā)，瀝青質(zhì)占比逐漸增加導(dǎo)致瀝青的剛度上升。表現(xiàn)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(jù)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(biāo)號改性瀝青的抗老化指標(biāo)。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(zhì)瀝青性能越接近。由表2可知，隨著標(biāo)號的增加，葵花籽油對基質(zhì)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(biāo)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(yīng)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(zhì)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(dǎo)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(biāo)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(biāo)號越大的瀝青其低溫抗開裂能力越好，這是由于標(biāo)號越大針入度值越大，其四組分中輕質(zhì)組分越多，瀝青越軟。隨著葵花籽油的摻入，瀝青中輕質(zhì)組分增加，導(dǎo)致其剛度進一步下降。在﹣6℃下三種標(biāo)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(biāo)號瀝青的蠕變勁度模量則呈現(xiàn)相近的趨勢，即70號與90號瀝青在﹣12℃與﹣18℃區(qū)間具有更優(yōu)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(wěn)定性評價

如表3所示，儲存穩(wěn)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(zhì)含量較多，而瀝青質(zhì)屬于重組分較易發(fā)生沉淀。三種葵花籽油改性瀝青的軟化點差值均小于規(guī)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(wěn)定性。

3 結(jié)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(wěn)定性試驗評價其抗離析能力，分析得出如下結(jié)論：

（1）由抗老化指標(biāo)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(biāo)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?yōu)?2-22、52-28、46-28;

（3）由儲存穩(wěn)定性試驗可知，三種標(biāo)號瀝青在葵花籽油摻量5%時都具有優(yōu)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(fù)合改性瀝青流變性能及微觀性能[J].建筑材料學(xué)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.