羽毛改性沥青流变性能与PG分级研究*

陈通， 王伟

(1.江西省交通设计研究院有限责任公司， 江西 南昌 330052；2.湖南交通职业技术学院， 湖南 长沙 410132)

固体废物再利用是近期全球研究热点，如何将固体废物掺入沥青中制备性能优良的改性沥青是其中研究重点。聚合物改性沥青性能的主要影响因素是其化学组成，因为它决定沥青的耐久性、抗剪切能力和黏弹性。沥青内部结构主要取决于形成胶束的树脂与沥青质含量，胶束被分散在油相中的一层碳氢化合物包围；聚合物不同的内部结构(线性、嵌段或接枝)为改性沥青赋予不同的特性；聚合物颗粒尺寸对其在沥青中的均匀分布与改性沥青良好的储存稳定性起主要作用，而剪切条件是另一关键因素，温度、时间、剪切速率与剪切设备也影响改性沥青的性能。苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)、苯乙烯-丁二烯(SB)、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)、乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)、苯乙烯-丁二烯橡胶(SBR)及天然乳胶是常见聚合物沥青改性剂，其他改性剂如钢、玻璃、石棉纤维、湖沥青、废弃轮胎产物、木质素、矿物黏土、蒙脱土与高岭石等也常用于沥青改性。近年来，出于减少废物与环境保护的需求，对生物沥青改性剂的研究逐渐增加，如文献[14-15]探索将天然或动物废弃物用于沥青改性，但结果表明沥青的高温性能和抗老化性能有所下降。本文将鸭毛通过一定方法处理后得到鸭羽毛生物颗粒(DFBP)，将DFBP添加到基质沥青中制备生物颗粒改性沥青(ADFBP)，并将ADFBP与SBS改性沥青(SBSMA)通过动态剪切流变试验和低温弯曲蠕变试验进行对比，研究DFBP掺量对ADFBP流变性能及PG分级的影响，并对ADFBP性能进行评价，为生物改性沥青研究提供参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

(1) 基质沥青。采用国产A级70#沥青，其技术指标见表1。

表1 基质沥青的技术性能

(2) SBS改性沥青。采用自制3%掺量的SBS改性沥青I-D，其技术指标见表2。

表2 SBS改性沥青I-D的技术性能

(3) 鸭羽毛生物颗粒(DFBP)。鸭毛来自湖南长沙某屠宰场。将鸭毛用水与乙醇洗净，在恒温干燥箱中干燥24 h后进行消毒与除臭处理。剔除鸭毛表面的倒刺与小型羽片后，用刀片式粉碎机将其剪碎，并采用球形研磨机研磨，之后过0.075 mm筛。经测试，其密度为1.458 g/cm3。

(4) 鸭毛改性沥青(ADFBP)。在600 mL合金杯中倒入500 mL沥青，在155 ℃烘箱下加热至流淌态。将其放于剪切仪下，在180 ℃下剪切45 min直至DFBP完全分散在沥青中，分别制备DFBP掺量为2%、4%、6% 的ADFBP。

(5) 老化沥青的制备。在盛样瓶中分批次加入35 g±0.5 g SBSMA与3种DFBP掺量的ADFBP，将其放入163 ℃±0.5 ℃烘箱中85 min，取出后倒入盛样皿中，得到短期老化沥青；将短期老化沥青50 g±0.5 g倒入标准薄膜烘箱试验盛样皿中，将盛样皿放入压力老化容器(PAV)中，以2.1 MPa±0.1 MPa的压力稳压20 h±10 min，取出后倒入盛样皿中，得到长期老化沥青。

1.2 物理性能试验

按JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》分别对SBSMA及不同DFBP掺量ADFBP进行针入度、延度和软化点试验。

1.3 动态剪切流变试验

采用Bohlin DSR设备，在剪切应力控制模式下分析沥青的流变特性。样品直径为25 mm，剪切板间隙设置为1 mm。温度扫描试验温度为40～94 ℃，温度间隔设为6 ℃。在应变控制模式下，设置荷载作用频率为10 rad/s，应变为12%；频率扫描的频率为0.1～100 rad/s，温度为28 ℃。

1.4 低温弯曲蠕变试验

试验仪器为ATS RHE-102型弯曲流变仪。采用长期老化沥青制备长×宽×高为101.6 mm×12.7 mm×6.4 mm的试件，将其置于设定温度的无水乙醇中恒温(-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃)放置30 min，完成仪器校准后对小梁进行加载，加载240 s后卸载，通过仪器程序得出60 s时的劲度模量S和蠕变速率m。

1.5 储存稳定性试验

将不同DFBP掺量的ADFBP过0.3 mm筛后加热至流淌态，每份50 g注入铝管中，将铝管放入163 ℃±5 ℃烘箱中静置48 h±1 h，加热结束后将铝管放入-12 ℃冷柜中4 h，取出后将铝管等分剪成3节。分别将上节和下节放入163 ℃±5 ℃烘箱中，取出后进行软化点试验。

2 试验结果与分析

2.1 物理性能试验

不同DFBP掺量ADFBP的物理性能指标见表3。对比表1、表3可知：相比原样基质沥青，随着DFBP掺量的增加，ADFBP的针入度下降，软化点上升，延度下降，表明DFBP的掺入提高了沥青的刚度，使其具有更好的高温性能；DFBP掺量从零增加到4%时提升效果显著，掺量从4%增加至6%时提升较小。对比表2、表3可知：2%DFBP掺量的ADFBP与SBSMA具有相似的物理性能，表明在实际使用过程中低掺量的ADFBP可能可以替代低掺量的SBSMA。

表3 DFBP改性沥青的物理性能

2.2 流变性能分析

2.2.1 温度扫描

在沥青路面中，复数模量G*与路面的高温抗车辙性能有关，相位角δ则反映路面的弹性响应。图1为改性沥青的复数模量G*与相位角δ随温度的变化。

图1 改性沥青的复数模量G*与相位角δ随温度的变化

由图1可知：随着温度的上升，改性沥青的复数模量G*下降，相位角δ上升，表明随温度上升沥青由弹性转变为黏弹性再转变为黏性，在沥青转变为黏性后其抵抗变形能力下降。从图1(a)来看，在DFBP掺量为2%时ADFBP的流变性能与3%掺量的SBSMA相似，表明ADFBP有替代SBSMA的可能性。SBSMA在40 ℃下的复数模量G*小于ADFBP，94 ℃下的复数模量G*却大于ADFBP，表明ADFBP相比SBSMA其模量下降速率更快。DFBP掺量为4%时ADFBP的复数模量G*显著增加，相比2%DFBP掺量的ADFBP，4%DFBP掺量ADFBP的高温性能提升显著。但6%DFBP掺量ADFBP的复数模量G*相比4%DFBP掺量ADFBP增加较少，这可能是由于掺量过大，DFBP颗粒存在结团现象，难以完全分散在沥青中。从图1(b)来看，相比SBSMA，DFBP掺量为4%时ADFBP的相位角δ显著降低，弹性响应得到显著改善，这是由于DFBP在沥青中形成类似于聚合物改性沥青的弹性网络，增加了改性沥青在高温下的弹性响应，进而提升了其流变性能。

2.2.2 频率扫描

图2为改性沥青的复数模量G*与相位角δ随扫描频率的变化。

图2 改性沥青的复数模量G*与相位角δ随频率的变化

由图2可知：频率增加时，改性沥青的复数模量增加，相位角下降，复数模量G*在低频时增速较快，相位角δ在高频时降速较快。在角频率接近10 rad/s处，复数模量G*的增速逐渐减少，表明在近10 rad/s频率以内其刚度增加较快，高温抗车辙性能较好，伴随着频率增加其刚度增长率降低。频率通常用以模拟车辆荷载对路面作用时间的长短，频率越小代表瞬时车辆荷载作用时间长，此时路面受到的剪切作用力大，相反则受到的剪切作用力小。所有ADFBP都有着比SBSMA更高的复数模量G*、更低的相位角δ，表明ADFBP具有更好的高温抗车辙能力，且随着DFBP掺量的增加其高温性能增强，增大掺量有利于提高ADFBP的高温性能。

2.3 低温性能分析

劲度模量S和蠕变速率m通常用来评价沥青在低温下抵抗开裂的能力，S值越小、m值越大其低温性能越好。PG分级评价中要求使用长期老化沥青制备的小梁试件的S值不大于300 MPa、m值不小于0.3，这种沥青才可用于比该温度环境低10 ℃的地区。改性沥青的劲度模量S和蠕变速率m随温度的变化见图3。

图3 改性沥青的劲度模量S和蠕变速率m随温度的变化

由图3可知：随着温度的降低，ADFBP的劲度模量S增加，蠕变速率m降低。从图3(a)来看，-6 ℃时，4种沥青的劲度模量S相近；随着温度下降，SBSMA在-6～-18 ℃时的劲度模量S的增速大于ADFBP，相比SBSMA，ADFBP的劲度模量S在-18～-24 ℃时增速更大，表明在温度未低于-18 ℃时ADFBP比SBSMA具有更好的低温抗裂性能。4%DFBP掺量的ADFBP的劲度模量S在-12 ℃、-18 ℃下大于2%DFBP掺量的ADFBP，表明随着DFBP掺量的增加其低温性能下降。从图3(b)来看，-18 ℃下SBSMA与2%DFBP掺量的ADFBP满足蠕变速率m值不小于0.3的要求，而-18 ℃下两者的劲度模量S都大于300 MPa。综上，2%DFBP掺量ADFBP与SBSMA有着近似的低温性能，随着DFBP掺量的增加，ADFBP的低温性能下降。按照PG分级要求，ADFBP的低温性能处于-22 ℃这一级别。

2.4 PG等级

沥青的PG高温等级划分时，要求原样沥青车辙因子G*/sinδ不小于1.0 kPa且短期老化沥青车辙因子G*/sinδ不小于2.2 kPa，这种沥青方可用于对应的高温等级中。改性沥青的车辙因子G*/sinδ随温度的变化见图4。

图4 改性沥青原样沥青与短期老化沥青的车辙因子G*/sinδ随温度的变化

由图4可知：随着温度的上升，改性沥青原样沥青和短期老化沥青的车辙因子逐渐下降。从图4(a)来看，SBSMA与2%DFBP掺量的ADFBP的高温等级为82 ℃，4%、6%DFBP掺量ADFBP的高温等级分别为88 ℃、94 ℃。从图4(b) 来看，SBSMA与2%DFBP掺量的ADFBP的高温等级为82 ℃，但SBSMA相比ADFBP其车辙因子随温度升高下降速率更慢，表明SBSMA具有更好的抗老化能力，4%、6%DFBP掺量ADFBP的高温等级分别为88 ℃、94 ℃。综合前述低温等级划分结果，得出不同改性剂掺量改性沥青的PG等级(见表4)。

表4 改性沥青的PG等级

由表4可知：在低温等级不变的情况下，随着DFBP掺量的增加，ADFBP的高温等级增加明显，可以采用6%作为DFBP最佳掺量。

2.5 储存稳定性分析

改性沥青实际应用中往往需要长途运输，而不良的储存稳定性会导致改性剂与改性沥青分离，使其无法发挥应有的性能。储存稳定性通常采用试件顶部和底部沥青软化点差值进行评价。如表5所示，2%DFBP掺量的ADFBP的软化点差值显著小于SBSMA，表明在DFBP掺量2%下ADFBP的储存稳定性优于SBSMA，这可能是由于DFBP与芳香分具有更好的相容性。4%、6%DFBP掺量的ADFBP的软化点差值分别为3.0 ℃、4.5 ℃，大于规范要求的2.5 ℃。虽然随着DFBP掺量的增加，ADFBP的高温性能提升显著，但综合考虑储存稳定性，建议ADFBP中DFBP改性剂最佳掺量取2%。

表5 改性沥青的储存稳定性

3 结论

分别以2%、4%、6%的掺量将生物颗粒DFBP掺入基质沥青中制备ADFBP改性沥青，并与3%掺量的SBS改性沥青进行对比，通过物理性能、流变性能、PG分级与储存稳定性分析，得出如下结论：

(1) DFBP的掺入改变了基质沥青的物理性质，其高温性能增强，且2%DFBP掺量的ADFBP具有与3%掺量SBSMA相似的物理特性。

(2) DFBP掺量为2%时，ADFBP具有与SBSMA相似的流变学特征，且伴随着DFBP掺量的增加其高温性能改善显著。

(3) 随着DFBP掺量的增加，ADFBP的低温抗裂性能略微下降，但依然保持在PG-22 ℃等级。随着DFBP掺量的增加，ADFBP的高温等级的增加幅度远超过低温等级的下降幅度。

(4) 由于DFBP在基质沥青中分布更均匀，DFBP掺量2%的ADFBP相比3% 掺量的SBSMA具有更好的储存稳定性；DFBP掺量增加至4%时，ADFBP的储存稳定性不满足规范要求。建议ADFBP的改性剂掺量取2%。