生物质再生沥青高温流变特性研究

徐浩，张文武，何兆益，蒋斌，姚启文

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.山东高速集团有限公司，山东 济南 250101)

沥青再生技术在道路工程领域已经得到广泛的运用[1-3]。目前生物质材料相比传统石油基再生剂具有较高的改性优势[4-6]。已有研究者利用生物质油作为再生剂基础油分，希望突破石油基类再生剂稳定性差、老化沥青再生率低、RAP掺量低等难题[7-8]。相关研究证明利用生物质油代替传统石油类再生剂对老化沥青进行性能恢复是一项具有广阔前景的技术[9]。

本文用某植物重油、矿物油等基础油分开发高性能环保型沥青再生剂与其他三种石油基再生剂(ZS-1、ZS-2、ZS-3)在对老化沥青的常规性能恢复及沥青高温流变特性等方面进行对比研究，证明生物质沥青再生剂的研究价值。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

1.1.1 再生剂 SW-1生物质再生剂，本课题组自制，其主要成分及配比见表1；ZS-1、ZS-2、ZS-3再生剂均为本课题组研发；4种再生剂常规性能指标见表2。

表1 生物质沥青再生剂配方比例Table 1 Biomass asphalt regenerator formulation ratio

表2 四款再生剂常规性能指标Table 2 Conventional performance indicators of four regenerators

1.1.2 沥青 本研究选用的新沥青为中石化东海70#基质沥青，通过RTFOT试验将70#基质沥青在163 ℃的温度条件下分别老化85 min(短期)、340 min(长期)，模拟沥青的轻度老化、重度老化，各项沥青常规指标检测结果见表3。

表3 沥青常规指标Table 3 Conventional asphalt indexes

1.1.3 仪器 GS-1型高速剪切机；SYD-2806E沥青软化点测定仪；LYY-7沥青低温延伸度测定仪；SZR-5针入度测定仪；SYD-0625布洛克菲尔德粘度计；AR2000型动态剪切流变仪。

1.2 实验方案

首先制备再生沥青，按预算质量将预热至 150 ℃ 老化沥青倒入试验杯中，然后将再生剂按试验掺量均匀加入并放置在150 ℃恒温油浴锅中，最后采用高速剪切机以1 000 r/min的剪切速率持续剪切30 min得到再生沥青。

通过三大指标及布什粘度试验，研究不同SW-1(2%，4%，6%，8%)掺量下，再生剂对老化沥青性能的恢复，为准确反映再生剂对老化沥青各性能指标的恢复程度，引入针入度恢复指数(PIp)、软化点恢复指数(RHp)、延度恢复指数(YDp)、粘度恢复指数(NDp)。恢复指数值为0时，表示再生沥青该指标值与老化沥青相同，即再生剂对该指标无影响；当恢复指数值等于1时，表示再生沥青该指标与基质沥青相同，即该再生剂能恢复老化沥青性能到基质沥青水平。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，PIi表示掺加i%质量分数再生剂时沥青的针入度，PI0是老化沥青的针入度，PI1是基质沥青的针入度。同理RH代表软化点，YD代表延度，ND表示沥青的布氏粘度。

通过DSR温度扫描试验得到复数模量、相位角、车辙因子指标，研究基质沥青和不同老化再生沥青的高温流变性能。DSR实验参数：平行板尺寸为25 mm，平行板间距1 mm，实验采用应力控制模式，应力值为0.12 Pa，实验频率为10 rad/s，从46 ℃开始扫描，温度梯度为6 ℃。

2 结果与讨论

2.1 基于沥青常规性能的再生效果研究

表4为SW-1再生剂在不同掺量下再生沥青的三大指标及粘度，性能恢复指数见图1。

表4 再生沥青常规指标Table 4 Conventional indicators of recycled asphalt

图1 再生沥青性能恢复指数Fig.1 Performance index of recycled asphalt

由表3、表4可知，随着老化程度的增加，沥青的针入度和延度呈降低趋势，软化点和粘度增加，粘度指标对沥青老化程度最为敏感，重度老化后粘度变化率为339.7%，其次为延度与针入度指标，变化率分别为97.3%，72.0%，软化点变化相对较小，变化率为32.4%。随着再生剂掺量增加，针入度和延度呈上升趋势，软化点减小，以掺量6%为例，对于轻度老化沥青各项指标均可恢复至基质沥青水平，对于重度老化沥青，沥青再针入度、软化点、粘度基本恢复，添加8%再生剂延度仅为基质沥青的52.3%。

由图1可知，随着再生剂掺量增加，性能恢复指数逐渐增大，重度老化沥青性能恢复指数普遍低于轻度老化沥青，以掺量6%为例，重度老化沥青再生的针入度、软化点、延度、粘度指数分别为轻度老化的35.7%，49.4%，37%，72.4%。沥青老化程度较轻时，4种性能恢复指数均能达到1，再生剂对沥青性能都能有效恢复。老化程度较重时，在高掺量下除YDp外其他指标均能达到1，且YDp明显小于其他三个指标，再生剂对重度老化沥青延度恢复有限。

2.2 再生沥青高温流变特性

2.2.1 复数模量分析 图2为不同程度老化沥青、基质沥青、再生沥青复数模量随温度变化曲线。

图2 沥青G*-T曲线Fig.2 G*-T curves of asphalt a.轻度老化沥青再生后G*-T曲线；b.重度老化沥青再生后G*-T曲线

由图2可知，各样品G*与温度呈反比关系。同一试验温度下，随着沥青老化程度的增加，模量增大，以初始试验温度为例，重度老化沥青模量比轻度老化沥青提高了53.9%，表明老化会使沥青由软变硬，原因在于沥青老化的过程中存在轻质组分的挥发并生成了强极性的物质，老化程度越高，沥青中的化学结构组成变化越大。随着温度的升高，沥青模量普遍下降，不同老化程度沥青的复数模量差异性减小。

再生剂的加入降低了老化沥青的模量，且SW-1和ZS-2再生沥青低于基质沥青水平，说明再生剂对老化沥青胶体结构的恢复起到了促进作用。以图2b中的初始试验温度为例，SW-1、ZS-1、ZS-2、ZS-3相对老化沥青G*分别降低了74.5%，62.4%，72.3%，68.1%，SW-1改善老化沥青胶体结构更明显。

2.2.2 相位角分析 相位角δ可表征材料粘弹性质。图3为不同程度老化沥青、基质沥青、再生沥青相位角随温度变化曲线。

图3 沥青δ-T曲线Fig.3 δ-T curves of asphalt a.轻度老化沥青再生后δ-T曲线；b.重度老化沥青再生后δ-T曲线

由图3可知，相位角与温度成正比关系，老化沥青相位角远低于基质沥青和再生沥青，说明老化会使沥青中弹性比例增大，粘性成分降低；再生剂的加入提高了沥青粘性成分，使其粘弹特性向基质沥青靠拢。图3a中，同一温度范围内相位角排序，SW-1>ZS-2>基质沥青>ZS-3>ZS-1>老化沥青，且差异性随着温度降低，而在图3b中再生沥青相位角普遍低于基质沥青，说明再生剂在对轻度老化沥青的粘性成分恢复较为容易，对重度老化沥青恢复较为困难，SW-1再生剂改善老化沥青粘弹特性效果优于其他三款再生剂。

2.2.3 车辙因子分析 车辙因子为G*与sinδ的比值，其值越大，沥青抗永久变形能力越强，图4为沥青的车辙因子。

由图4可知，沥青车辙因子与试验温度呈反比关系，随着老化程度增加，车辙因子增大，说明沥青老化越严重，流动变形越小，沥青抗车辙能力增强。再生剂的加入降低了沥青车辙因子，降低幅度从大到小依次为：SW-1>ZS-2>ZS-3>ZS-1，说明再生剂的加入提高了老化沥青的流变特性，同时降低了沥青抗车辙能力。SW-1再生沥青的车辙因子曲线普遍低于其他再生沥青，说明SW-1中生物质油分在软化老化沥青的沥青质方面优于矿物油，同时增塑剂和表面活性剂中的极性基团提高了沥青质组分在沥青胶体结构中溶解，促使老化沥青向凝胶型胶体结构转变，对老化沥青流动性能改善更大。

图4 沥青车辙因子曲线Fig.4 Asphalt rutting factor curve a.轻度老化沥青再生后车辙因子曲线；b.重度老化沥青再生后车辙因子曲线

3 结论

(1)沥青老化后，针入度、延度减小，软化点、粘度增加，再生剂能够有效恢复老化沥青的常规性能，改善沥青胶体结构，使之接近基质沥青，生物质沥青再生剂SW-1相比石油基类再生剂有较强恢复能力。

(2)沥青随着老化程度增加模量不断增大，相位角减小，抗车辙能力增强，再生剂的加入后沥青模量降低，相位角增大，车辙因子减小，改善了沥青粘弹特性。

(3)生物质沥青再生剂性能恢复指数高于其他类再生剂，相比其他再生剂更具优势，同时也说明了生物质再生剂具有更广阔的前景。