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(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

如今我國公路事業(yè)正在飛速發(fā)展，公路里程總數(shù)達到446.39萬km，高速公路里程也已超過11萬km[1]。高等級公路的建設(shè)和翻修以及低等級公路的改擴建工程是現(xiàn)在公路建設(shè)的主要任務(wù)。環(huán)顧世界各國，大部分國家都在積極建設(shè)本國公路，雖然發(fā)達國家公路基本完善，但隨著公路使用年限的增加，也避免不了進行翻修工程。在高等級公路修筑翻修工程中，我國和其他國家均普遍采用瀝青混凝土這種路面形式。而鋪筑路面的瀝青大多為石油瀝青，石油瀝青作為石油加工后的副產(chǎn)品，同受石油資源這一不可再生資源產(chǎn)量的影響。為了減少石油瀝青用量，各國公路學(xué)者都在積極尋找和研究石油瀝青的替代品。

生物油是一種可再生且對環(huán)境無害的生物資源，它來源廣泛，可用植物秸稈、動物糞便通過快速裂解技術(shù)制得生物油，生產(chǎn)成本便宜，可再生，可降解[2-4]，并與石油瀝青性質(zhì)較為相似，因此，可以將生物油按一定比例摻入到基質(zhì)瀝青中，通過混合制備成生物瀝青[5-7]。這樣的方式生物油可以替代一部分石油瀝青，從而達到減少瀝青使用量的目的。

瀝青的老化可分為兩種： 一種是在瀝青混合料拌合、運輸及攤鋪碾壓過程中發(fā)生的短期老化；另一種是公路使用過程中瀝青路面經(jīng)受野外環(huán)境的熱、氧、光、水而發(fā)生的長期老化[8]。瀝青的耐老化性能可直接影響瀝青路面的使用壽命，因此有必要對瀝青的耐老化性能進行深入研究。生物油的摻入也會影響到石油瀝青的耐老化性能，所以本文選取實際工程中最常應(yīng)用的SBS、SBR以及膠粉三種改性劑來對生物瀝青進行改性，通過變換生物油摻量，運用RTFOT試驗來研究這3種改性生物瀝青的耐老化性能。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

a.基質(zhì)瀝青。

本文選用的基質(zhì)瀝青為北方公路建設(shè)常用的90#A級道路石油瀝青，其技術(shù)指標見表1。

表1 基質(zhì)瀝青主要技術(shù)指標Table 1 Main technical specifications of base asphalt指標試驗結(jié)果規(guī)范要求針入度(25 ℃,5 s,100 g)/(0.1 mm)83.7 80～100針入度指數(shù)PI-0.63-1.5～1.0軟化點(環(huán)球法)/℃47.1 ≮45延度(15 ℃)/cm>100≮100

b.生物油。

本文所采用的生物油來源于國內(nèi)某生物科技有限公司，該生物油以木屑為原料加工制成，常溫下為固體，顏色呈黑色，與石油瀝青相比，顏色略淡。

c.改性劑。

本文選用的三種改性劑分別為SBS、SBR和廢舊橡膠粉，其中SBS和SBR來自國內(nèi)某橡膠制品公司，廢舊橡膠粉是通過報廢輪胎加工磨細制成的，本文所選用的橡膠粉為道路工程中常用的40目橡膠粉。

1.2 改性生物瀝青的制備

a.改性劑摻量的選擇。

為研究不同生物瀝青摻量對改性生物瀝青老化性能的影響，需選擇合適摻量的改性劑，以保證改性生物瀝青的各方面性能。

本研究在對SBS改性生物瀝青進行制備時，所選用的SBS摻量為5%。在大多數(shù)研究及實際工程當中，SBS摻量為3%～5%，因有生物油的存在，為了保證改性生物瀝青的性能，所以將SBS的摻量定為5%。

本研究在制備膠粉改性生物瀝青時，膠粉的摻量為18%。根據(jù)文獻[9]，制備橡膠瀝青時，當膠粉摻量超過18%后，橡膠瀝青的軟化點等指標已經(jīng)基本趨于穩(wěn)定而不再發(fā)生較大變化，因此本研究在制備膠粉改性生物瀝青時將膠粉摻量定為18%。

本研究在制備SBR改性生物瀝青時，所選用的SBR摻量為4%。根據(jù)文獻[10]，制備SBR改性瀝青時，當SBR摻量在3%～4%時，改性效果最好，因此本研究在制備SBR改性生物瀝青時，選用的改性劑摻量為4%。

b.改性瀝青的制備工藝。

① SBS改性生物瀝青的制備。

為降低生物油在制備改性生物瀝青過程中的老化程度，決定采用先加入SBS再加入生物油的制備工藝。具體制備工藝為:先將SBS加入到基質(zhì)瀝青中，通過普通攪拌設(shè)備在160 ℃的條件下攪拌20 min，使SBS在瀝青中充分溶脹，然后再使用高速剪切設(shè)備在170 ℃的條件下剪切40 min[11]，最后將生物油加入其中用普通攪拌設(shè)備在130 ℃的條件下攪拌10 min[12-13]。試驗中發(fā)現(xiàn)改性瀝青在130 ℃時仍處于熔融狀態(tài),因此可以保證生物油能很好地摻入到改性瀝青當中；而當試驗溫度超過130 ℃后,發(fā)現(xiàn)攪拌過程中有少許煙霧產(chǎn)生,這可能是生物油發(fā)生老化導(dǎo)致；為了保證生物油的溶合效果且減少生物油老化,決定將生物油摻入改性瀝青的試驗溫度確定為130 ℃。

② 膠粉改性生物瀝青的制備。

制備膠粉改性生物瀝青時仍采用先加入膠粉再加入生物油的改性順序，攪拌膠粉時采用普通攪拌設(shè)備進行攪拌。本研究制備膠粉改性生物瀝青的具體工藝為，先將膠粉加入到基質(zhì)瀝青中，采用普通攪拌設(shè)備在180 ℃條件下攪拌45 min，然后加入生物油在130 ℃條件下攪拌10 min，膠粉改性生物瀝青制備完成。

③ SBR改性生物瀝青的制備。

本研究制備SBR改性生物瀝青的具體工藝為：先將SBR加入到基質(zhì)瀝青中攪拌均勻，然后用高速剪切設(shè)備在150 ℃條件下剪切50 min[14]，最后加入生物油在130 ℃條件下攪拌10 min，完成SBR改性生物瀝青的制備。

1.3 試驗方法

本研究按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)[15]中的相關(guān)要求進行試驗。通過旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(RTFOT)來模擬不同改性生物瀝青的老化，該試驗方法較薄膜加熱試驗(TFOT)，具有試驗時間短且試驗結(jié)果精度高的優(yōu)點[16]，因此本研究選用旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗來模擬改性生物瀝青的老化。3種改性生物瀝青在老化前需進行針入度、軟化和延度等性能測試，通過老化前對3種改性生物瀝青的3大指標的測試發(fā)現(xiàn)：生物油摻量在10%～30%范圍內(nèi)時，膠粉改性生物瀝青在15 ℃的延度測試中，其延度值均小于10 cm，而SBR改性生物瀝青的15 ℃延度值均大于150 cm，5 ℃的延度測試發(fā)生脆斷，因此在老化試驗后，對于膠粉改性生物瀝青和SBR改性生物瀝青僅測試針入度和軟化點兩項性能指標。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

具體試驗結(jié)果見表2、表3、表4、圖1。

表2 生物油摻量對SBS改性生物瀝青老化前后性能指標的影響Table 2 Effect of bio-oil content on the performance of SBS modified bio-asphalt before and after aging生物油摻量/%25 ℃針入度/0.1 mm軟化點/℃15 ℃延度/cm老化前老化后殘留針入度比/%老化前老化后軟化點增值/℃老化前老化后殘留延度比/%1058.335.160.270.274.13.9102.730.429.62059.732.354.164.469.95.596.227.128.2306228.546.062751388.423.226.2

表3 生物油摻量對膠粉改性生物瀝青老化前后性能指標的影響Table 3 Effect of bio-oil content on the performance of rubber powder modified bio-asphalt before and after aging生物油摻量/%25 ℃針入度/0.1 mm軟化點/℃老化前老化后殘留針入度比/%老化前老化后軟化點增值/℃1051.337.272.560.763.52.82052.53668.660.164.74.63056.430.453.959.665.35.7

表4 生物油摻量對SBR改性生物瀝青老化前后性能指標的影響Table 4 Effect of bio-oil content on the performance of SBR modified bio-asphalt before and after aging生物油摻量/%25 ℃針入度/0.1 mm軟化點/℃老化前老化后殘留針入度比/%老化前老化后軟化點增值/℃1081.744.754.750.156.36.22096.257.159.448.9545.130102.249.248.145.656.410.8

圖1 不同改性生物瀝青的殘留針入度比對比Figure 1 Comparison of residual penetration ratio of different modified bio-asphalt

2.2 試驗結(jié)果分析

為了評價老化對3種改性生物瀝青性能產(chǎn)生的影響，本文選用殘留針入度比、軟化點增值及殘留延度比作為評價指標。由于沒有測試SBR改性生物瀝青及膠粉改性生物瀝青老化后的延度值，因此本文以殘留針入度比及軟化點增值作為主要評價指標，以殘留延度比作為輔助評價指標。

2.2.1殘留針入度比

殘留針入度比定義為老化后瀝青針入度與原狀瀝青針入度的比值[17]，殘留針入度比反應(yīng)的是瀝青老化對針入度的影響，其值越大，影響越小，越有利，反之則不利[18]。

由表2、表3可以看出：SBS改性生物瀝青和膠粉改性生物瀝青的殘留針入度比都比較有規(guī)律性，兩者的殘留針入度比均隨著生物油摻量的增加而減小。當生物油摻量從10%增加到20%時，SBS改性生物瀝青殘留針入度比減小了10.1%，膠粉改性生物瀝青減小了5.4%；當生物油摻量從20%增加到30%時，SBS改性生物瀝青的殘留針入度比減小了15%，膠粉改性生物瀝青減小了21.4%。從數(shù)據(jù)分析可以看出，隨著生物油摻量的增加，SBS改性生物瀝青及膠粉改性生物瀝青的殘留針入度比減小幅度是逐漸增大的。說明生物油的摻入對SBS改性生物瀝青及膠粉改性生物瀝青的耐老化性能是有影響的，且隨著生物油摻量的增加；對其影響程度也增大。

由表4可以看出，隨著生物油摻量的增加SBR改性生物瀝青的殘留針入度比呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而總體呈現(xiàn)減小的趨勢。通過總體趨勢，可以說明老化對于SBR改性生物瀝青針入度的影響是逐漸增大的。為避免再出現(xiàn)這種波動趨勢，今后如進行SBR改性生物瀝青的其他性能研究應(yīng)適當增加試驗量。

由圖1可以看出：3種改性生物瀝青在同種生物油摻量下對比殘留針入度比，發(fā)現(xiàn)膠粉改性生物瀝青殘留針入度比最大，說明膠粉改性生物瀝青老化后對針入度的影響最小。當生物油摻量超過10%后，發(fā)現(xiàn)SBR改性生物瀝青的殘留針入度比要大于SBS改性生物瀝青，說明當生物油摻量大于10%后，SBR改性生物瀝青老化后對于針入度的影響要小于SBS改性生物瀝青。但不能說明SBR改性生物瀝青耐老化性能好于SBS改性生物瀝青。

2.2.2軟化點增值

軟化點增值定義為老化后的瀝青軟化點與原狀瀝青軟化點的差值，軟化點增值是為了評價瀝青老化對其軟化點的影響，軟化點增值絕對值越大，影響也就越大，反之則越小。正值有利，反之不利[18]。

由表2和表3可以看出：SBS改性生物瀝青和膠粉改性生物瀝青的軟化點增值變化均隨著生物油摻量的增加而增加，其中SBS改性生物瀝青軟化點增值的增長幅度也隨著生物油摻量的增加而增加；但是膠粉改性生物瀝青軟化點增值的增長幅度卻是隨著生物油摻量的增加而減小了，這也可以看出由于膠粉的摻入減小了老化對于軟化點的影響。

由表4可以看出：SBR改性生物瀝青的軟化點增值是隨著生物油摻量的增加而呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，但總體趨勢仍是增大的。說明隨著生物油摻量的增加，老化對于SBR改性生物瀝青軟化點的影響是逐漸增加的。

通過圖2可以看出：生物油摻量在10%～30%時，膠粉改性生物瀝青的軟化點增值始終是最小的，說明了膠粉改性生物瀝青的耐老化性能好于其他兩種改性生物瀝青。當生物油摻量超過10%時，可以看出SBR改性生物瀝青的軟化點增值要小于SBS改性生物瀝青，表明當生物油摻量超過10%時，老化對SBR改性生物瀝青軟化點產(chǎn)生的影響要小于SBS改性生物瀝青。

圖2 不同改性生物瀝青的軟化點增值對比Figure 2 Comparison of softening point increment of different modified bio-asphalt

2.2.3殘留延度比

殘留延度比定義為老化后瀝青延度與原狀瀝青延度之比，它也是衡量瀝青老化程度的指標，殘留延度比越大，老化對瀝青延度的影響越小，則有利，反之則不利[18]。

由表2可以看出:SBS改性生物瀝青的殘留延度比是隨著生物油摻量的增大而減小的。當生物油摻量從10%增加到20%時，其殘留針入度比減小了4.7%；而生物油摻量由20%增加到30%時，其殘留延度比減小了7.1%，減小幅度增大，說明影響程度逐漸加重。

3 結(jié)語

a.通過對SBS改性生物瀝青的殘留針入度比、軟化點增值及殘留延度比這3項指標的分析可以得出結(jié)論：老化對其針入度和延度均產(chǎn)生了不利的影響，對其軟化點產(chǎn)生了有利的影響。當生物油摻量超過20%時，SBS改性生物瀝青的3項指標均出現(xiàn)了大幅度的變化，就耐老化性能而言，建議制備SBS改性生物瀝青時，生物油摻量要小于20%。

b.通過對膠粉改性生物瀝青的殘留針入度比及軟化點增值這兩項指標的分析可以得出結(jié)論：老化對膠粉改性生物瀝青的針入度產(chǎn)生了不利影響，而對其軟化點產(chǎn)生了有利影響。當生物油摻量超過20%時，膠粉改性生物瀝青殘留針入度比產(chǎn)生了大幅度的下降，而軟化點增值變化幅度減小，結(jié)合這兩項指標，建議制備膠粉改性生物瀝青時，生物油摻量不要超過20%。

c.通過對SBR改性生物瀝青的殘留針入度比及軟化點增值這兩項指標的分析可得出結(jié)論：雖然兩項指標隨生物油摻量的增加出現(xiàn)了波動，但是總體的變化趨勢與其他兩種改性生物瀝青相同，可以說明，老化對SBR改性生物瀝青的針入度產(chǎn)生了不利影響，而對其軟化點產(chǎn)生了有利影響。

d.通過對相同生物油摻量下的不同改性生物瀝青的殘留針入度比及軟化點增值進行對比分析，可以得出結(jié)論：當生物油摻量在10%～30%時，老化對膠粉改性生物瀝青產(chǎn)生的影響最小，因此膠粉改性生物瀝青的耐老化性能要好于其他兩種改性生物瀝青。當生物油摻量超過10%時，老化對SBR改性生物瀝青產(chǎn)生的影響要小于SBS改性生物瀝青。由于試驗數(shù)量有限，并不能判斷生物油摻量超過10%時，SBR改性生物瀝青的耐老化性能是否好于SBS改性生物瀝青。