馮學茂， 白獻萍， 韋慧， 戴吟晗， 楊鑫炎

(1.廣西道路材料與結構重點實驗室， 廣西 南寧 530007； 2.廣西新發(fā)展交通集團有限公司， 廣西 南寧 530029；3.廣西交通設計集團有限公司， 廣西 南寧 530029； 4.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114)

瀝青路面因其優(yōu)異的行車舒適性能及養(yǎng)護維修簡便等優(yōu)點已成為當今高等級及次高等級路面建設的主要選擇。隨著中國交通運輸行業(yè)的迅猛發(fā)展，道路基礎設施的大規(guī)模建設及養(yǎng)護與石油資源日漸枯竭的矛盾日益彰顯。尋求高品質高性能的可再生資源替代石油瀝青已成為國際道路界的研究熱點與難點之一。生物瀝青作為一種工、農、林產業(yè)的副產品，可由秸稈、木屑、農作物殘渣、植物油廢料、動物排泄物等原材料加工而成，具有經濟環(huán)保、可再生、分布廣、儲量大等特點[1]。生物瀝青的化學組成及物理性能與石油瀝青具有較大的相似性，二者的混合具備良好的相容性與穩(wěn)定性[2-4]。將生物瀝青部分替代或全部取代石油瀝青具有較為廣闊的應用前景。

國外對于生物瀝青在道路方面的研究已取得了一定的研究成果，且開展了相關試驗路段的鋪筑[5]，而中國目前對于生物瀝青研究尚處于起步階段。相關研究表明，生物瀝青輕質組分占比較大且含有少量的可溶性物質，生物瀝青的摻入會降低瀝青的高溫穩(wěn)定性能及抗老化性能[6-7]。對于SBS改性瀝青，生物瀝青的改性效果評價褒貶不一，而對于橡膠瀝青，生物瀝青卻可以改善其流變性能，并提高黏度和抗老化性能[8-10]。因此將生物瀝青替代或部分替代石油瀝青勢必要對其進行改性。納米蒙脫土屬于層狀硅酸鹽黏土，具有比表面積大、化學穩(wěn)定性高等特點，將蒙脫土有機化可將其表面親水疏油轉為親油疏水，并擴大其片層間距[11-12]。有機化蒙脫土可與瀝青形成剝離型或插層型結構，可顯著提高瀝青的高溫穩(wěn)定性能和抗老化性能[13-14]。該文將有機化蒙脫土與生物瀝青雙摻復合改性瀝青，制備有機化蒙脫土-生物改性瀝青，旨在互補其單摻改性性能。通過短期老化(RTFOT)、長期老化(PAV)、紫外老化(UV)試驗，從流變學的角度綜合評價其老化性能。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

基質瀝青采用東海70#A級道路石油瀝青，其主要性能指標滿足相關規(guī)范要求。生物瀝青采用生物質重油，其相關指標如表1所示。有機化蒙脫土采用烷基季銨改性的高純度蒙脫土，其相關指標如表2所示。

表1 生物油主要理化指標

表2 有機化蒙脫土主要物性指標

1.2 改性瀝青制備

生物改性瀝青的制備：稱取適量生物瀝青(基質瀝青質量的15%)，加入到熔融的基質瀝青中，在150 ℃下以4 000 r/min高速剪切60 min，再將其放入140 ℃恒溫箱中發(fā)育2 h，制得生物瀝青以備用。

有機化蒙脫土生物改性瀝青的制備：相關試驗表明蒙脫土改性瀝青的最佳摻量為3%左右[15-16]。采用內摻法，稱取基質瀝青質量的3%有機化蒙脫土，加入到熔融的基質瀝青中，在165 ℃下以4 000 r/min高速剪切40 min，然后加入15%的生物瀝青繼續(xù)恒溫高速剪切40 min。再將其放入160 ℃恒溫箱中發(fā)育2 h，制得有機化蒙脫土-生物改性瀝青以備用。

1.3 試驗方法

老化試驗：RTFOT及PAV老化試驗按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，RTFOT試驗參照T0610執(zhí)行，PAV試驗參照T 0630執(zhí)行。UV紫外老化試驗采用自行研制的紫外環(huán)境模擬箱進行，瀝青試樣為經RTFOT老化后試樣。燈源為LED冷光源紫外燈，石英玻璃聚光，紫外線波長為(365±5) nm，設定輻射強度為10 mW/cm2，溫度25 ℃，輻射時間140 h。瀝青膜厚度設置為2 mm。

流變性能試驗：DSR溫度掃描試驗參照ASTM D7175進行。BBR試驗參照ASTM D6648進行。布氏黏度試驗參照ASTM D4402進行，并計算黏度老化指數=(老化后黏度-老化前黏度)÷老化前黏度×100%。MSCR多應力蠕變性能試驗參照ASTM D7405，采用0.1 kPa和3.2 kPa兩個應力水平進行。

2 結果與討論

2.1 高溫穩(wěn)定性能

2.1.1 溫度掃描試驗(DSR)

圖1為3種瀝青在不同老化條件下的DSR溫度掃描的試驗結果。

圖1 不同老化條件下3種瀝青溫度掃描試驗結果

圖1顯示：瀝青屬于黏彈性材料，基質瀝青、生物瀝青及有機化蒙脫土-生物復合改性瀝青的車轍因子(|G*|/sinδ)隨著溫度的升高而降低；生物瀝青的化學組分與石油瀝青基本相近，與石油瀝青具有較好的相容性。故圖1(a)中呈現出生物改性瀝青的車轍因子與基質瀝青基本相近的特點；有機化蒙脫土具有良好的尺寸穩(wěn)定性，滲入有機化蒙脫土插層結構中的瀝青分子，其運動受到了限制，故有機化蒙脫土的摻入致使生物改性瀝青的車轍因子大幅提升，其高溫抗車轍性能得以大幅改善；老化致使瀝青輕質組分向重質組分遷移，經過RTFOT、PAV、UV老化后3種瀝青的車轍因子均有所提高，表明老化可提高瀝青的高溫抗車轍性能；由于生物瀝青中含有較多活性較高的含氧基團[5，17]，且輕質組分偏多，與原樣瀝青相比，老化致使生物改性瀝青的車轍因子提升更為顯著，表明生物瀝青的抗老化性能相對較差。瀝青的高溫性能對應著混合料的高溫抗車轍性能，生物瀝青改性后，瀝青的抗老化性能變差，引起混合料的抗變形能力下降[18]。

2.1.2 多應力蠕變恢復試驗(MSCR)

采用車轍因子來評價改性瀝青的高溫穩(wěn)定性能仍存在一定的爭議。MSCR的加載模式、應力水平與DSR試驗不同，MSCR可較好地反映改性瀝青的非線性黏彈特征[19]，同時采用DSR與MSCR試驗可更全面地評價瀝青的高溫穩(wěn)定性能[4]。3種瀝青的MSCR試驗結果如圖2所示。

圖2 3種瀝青的MSCR試驗結果

圖2結果表明：0.1 kPa的低應力水平條件下3種瀝青的蠕變恢復率R值大于3.2 kPa高應力水平下的R值，而不可恢復蠕變柔量Jnr正好相反，表明在低應力水平下，瀝青的變形恢復性能較好，這與路面實際產生車轍的情形相符；有機化蒙脫土生物改性瀝青的R值遠高于生物改性瀝青，基質瀝青R值最小。有機化蒙脫土生物改性瀝青的Jnr值最小，生物改性瀝青次之，基質瀝青的Jnr值最大。表明有機化蒙脫土特殊的插層結構具有較高的抗變形能力，有機化蒙脫土的摻入可大幅提高生物改性瀝青的抗車轍性能，這與DSR試驗結果相一致。

2.2 低溫抗裂性能

根據SHRP規(guī)定，要求加載60 s時的勁度模量S≤300 MPa，蠕變速率m≥0.3。經試驗，在-18 ℃下，3種瀝青原樣及老化后試樣的BBR試驗結果均無法滿足要求。圖3為不同老化條件下的3種瀝青在-12 ℃下的蠕變勁度模量和蠕變速率變化曲線。勁度模量S越大，瀝青變形能力越差，越容易發(fā)生低溫開裂，蠕變速率m是蠕變勁度隨時間的變化速率，m越大相當于降低蠕變勁度。老化可使瀝青由輕質組分向重質組分遷移，使瀝青變硬變脆。

圖3顯示：3種瀝青均表現出老化后蠕變勁度模量變大的趨勢。在原樣瀝青中，生物改性瀝青蠕變勁度模量相對較低，但經老化后其蠕變勁度模量變化幅度最大，尤其是經過PAV老化和UV老化之后，其蠕變勁度模量提升更為顯著，表明生物改性瀝青的抗熱老化和抗紫外老化能力較差；在原樣瀝青中，有機化蒙脫土生物改性瀝青的蠕變勁度模量相對較大，表明有機化蒙脫土的摻入會影響生物改性瀝青的抗低溫開裂性能，但影響幅度不大。經過老化后，有機化蒙脫土生物改性瀝青的蠕變勁度模量增幅最小，這是因為有機化蒙脫土特殊的插層結構使其具有較好的阻隔性能和尺寸穩(wěn)定性能，有機化蒙脫土可與生物改性瀝青形成穩(wěn)定的納米復合結構，故有機化蒙脫土的摻入可大幅延緩生物改性瀝青的老化速率，提高生物改性瀝青的抗老化性能。瀝青的低溫性能對應著混合料的低溫抗裂性，生物油改性后瀝青的低溫性能有所提升，引起混合料的低溫抗裂性能進一步改善[20]。

圖3 不同瀝青BBR試驗結果(-12 ℃)

2.3 布氏黏度試驗

圖4為不同老化條件下3種瀝青的布氏旋轉黏度結果。在原樣瀝青中，由于生物瀝青的成分與石油瀝青基本相似，二者具有較好的相容性。一般來說將輕質組分占比較大的生物瀝青摻入基質瀝青中，相當于增加瀝青的油分，可致使瀝青“變軟”。但生物瀝青中亦含有一定量的焦質，其分子量大于瀝青質[21]，且生物瀝青的耐熱老化性能較差，故在旋轉黏度試驗中表現出生物改性瀝青的黏度稍大于基質瀝青。由于生物瀝青的黏度較大，瀝青與集料間的黏結性能也較好，混合料的水穩(wěn)定性好，抗水損壞能力得到改善[18]。有機化蒙脫土生物改性瀝青中瀝青分子的運動受插層結構的阻礙，其黏度最大；老化具有增黏效應，RTFOT、PAV、UV老化后3種瀝青試樣的黏度均變大。生物改性瀝青的老化增黏效應更為顯著。

圖4 不同老化條件下瀝青的布氏黏度結果

圖4顯示：生物瀝青的老化指數遠遠高于基質瀝青，有機化蒙脫土生物改性瀝青的老化指數最小。PAV老化效應最為顯著，生物瀝青的老化指數可達233%，基質瀝青的老化指數為130%，有機化蒙脫土的老化指數為80%。生物瀝青中含有較多高活性的含氧基團和不飽和烴成分[5，17]，極易發(fā)生老化，故生物改性瀝青的抗老化性能較差。有機化蒙脫土的插層結構具有較好的阻隔性能，且限制了瀝青分子的運動，故有機化蒙脫土的摻入可大幅提高生物改性瀝青的抗老化性能。

2.4 性價比分析

生物瀝青作為農林業(yè)的廢渣副產品，具有綠色環(huán)保、經濟可再生的特點。納米蒙脫土改性后產生的插層結構可有效提升瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗老化性能。為了證實和分析生物瀝青和有機化蒙脫土的經濟性，對生物瀝青和有機化蒙脫土生物改性瀝青進行了成本分析。目前生物瀝青的生產成本為1 500～2 000元/t，而國產石油瀝青的價格約為3 600元/t，根據生物瀝青在基質瀝青中的摻量，每噸可節(jié)省約8%的經濟成本。有機化蒙脫土作為瀝青改性材料，價格為800元/t左右，但由于摻量較少，經濟成本節(jié)約較少，但瀝青性能改善效果好。

3 結論

(1) 試驗表明，生物改性瀝青的車轍因子、蠕變恢復率、不可恢復蠕變柔量、布氏黏度與基質瀝青基本相似。表明生物改性瀝青的高溫抗車轍性能與石油瀝青基本相當。這是因為生物瀝青與石油瀝青的組分基本相似，二者具有較好的相容性。而有機化蒙脫土的摻入使生物改性瀝青的車轍因子、蠕變恢復率、布氏黏度變大，不可恢復蠕變柔量降低。表明有機化蒙脫土生物改性瀝青具有較優(yōu)異的高溫抗車轍性能。

(2) BBR試驗結果表明：生物改性瀝青原樣的蠕變勁度模量較基質瀝青雖有一定下降，但經過短期老化后蠕變勁度模量大幅提升，尤其是經過PAV和UV老化之后，故從工程實際應用角度看，生物瀝青的摻入反而影響石油瀝青的低溫抗裂性能，但其影響不大。

(3) 在不同老化模式下，生物改性瀝青的高低溫性能指標變化較老化前試樣變化較為顯著。生物瀝青中含有活性較高的含氧基團及不飽和烴，極易發(fā)生老化，生物瀝青的抗老化性能較差。而有機化蒙脫土特殊的插層結構可使其與瀝青生成穩(wěn)定的納米復合結構，限制了分子鏈的運動，可大幅提升瀝青的黏聚性，提高瀝青的高溫穩(wěn)定性能和抗老化性能。