生物油复配SBS再生沥青高低温性能研究

翟 龙 黄湘宁 高夕力

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

随着路网密度增加、公路通车时间延长,以及交通量日益增长,我国公路发展方向逐渐由新建转向养护及改扩建。我国高等级公路大多采用沥青路面,养护及改扩建过程中会产生大量旧沥青混合料,如直接丢弃将会造成严重的环境污染,并造成资源浪费。为此,相关研究人员提出再生技术,通过再生剂恢复老化沥青性能,并掺入适当新集料和沥青制备再生沥青混合料,重新用于路面结构铺装[1-2]。该技术可节约资源,符合绿色环保可持续发展理念。

目前常用的沥青再生剂以石油基类为主,该类再生剂属不可再生资源,且具有污染大和致癌等缺点[3]。为此,相关研究人员尝试提取植物、动物和废弃油脂生物油用于老化沥青再生,研究结果表明,通过改变生物油掺量可使再生沥青某方面性能恢复至老化前状态,但某一固定掺量下的再生沥青综合性能存在不足,因此有必要研究生物油复配改性剂用于老化沥青再生,以提高再生沥青性能均衡性[4-6]。

本文采用生物油复配SBS对老化沥青进行再生,对其高温、低温性能进行分析,以期为生物油复配SBS再生沥青的应用提供必要的理论依据。

1 试验概况

1.1 原材料

1) 沥青。沥青路面中SBS改性沥青应用广泛,故选用SBS(I-C)改性沥青作为原样沥青进行试验研究,其主要性能指标见表1。

表1 基质沥青性能指标

2) 生物油。选用木屑、桔杆、稻壳等农作物废料经快速裂解和水热液化而得的生物油作为再生剂进行试验研究,其主要技术指标见表2。

表2 生物油主要技术指标

3) SBS。选用韩国锦湖公司所产SBS改性剂进行试验研究,其主要技术指标见表3。

表3 SBS改性剂主要技术指标

1.2 制备工艺

1) 长期老化沥青。将原样沥青置于165 ℃烘箱加热至熔融状态,而后取样置于163 ℃条件RTFOT中保温85 min制得短期老化沥青。将短期老化沥青置于压力老化箱(PAV)中保温20 h制得长期老化沥青,试验温度100 ℃,压力2.1 MPa。

2) 再生沥青。取按上文工艺制备的长期老化沥青置于165 ℃烘箱加热至熔融状态,按比例掺入生物油、SBS改性剂,用玻璃棒以60 r/min速率搅拌5 min,进而改用高速剪切机以5 000 r/min速率剪切30 min,即可制得再生沥青。

1.3 试验方法

1.3.1三大指标

根据JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[7]规定,对沥青进行针入度、软化点和延度试验,以表征沥青高低温性能。

1.3.2DSR试验

采用DSR试验进行沥青高温流变性能评价,试验用试样为直径25 mm、厚度1 mm沥青薄片,采用应变控制模式,角频率10 rad/s。通过试验获得车辙因子(G*/sinδ)表征沥青高温流变性能,车辙因子越大,高温性能越好,抗车辙能力越强。

1.3.3BBR试验

采用BBR试验进行沥青低温性能评价,试验用试样为125 mm×6.35 mm×12.7 mm沥青小梁。通过试验获得加载时间60 s时的劲度模量和蠕变速率表征沥青低温流变性能,劲度模量越大,低温下沥青硬脆特征越明显,越容易开裂,蠕变速率越大,低温下沥青应力松弛性能越好,变形能力越强。

2 试验结果与分析

2.1 生物油再生沥青3大指标分析

采用原样沥青制备长期老化沥青后分别掺入3%,6%,9%,12%和15%生物油制备再生沥青。对原样沥青、老化沥青和再生沥青进行三大指标试验,结果见表4。由表4可知,生物油可恢复老化沥青三大指标,但不同性能指标对生物油掺量的敏感性不同。随着生物油掺量的增加,老化沥青针入度和延度逐渐增加,软化点逐渐降低,老化沥青性能逐渐恢复,这是由于掺入生物油后沥青中饱和分和芳香分比例提高的缘故。其中生物油掺量分别为6%,9%,12%时,老化沥青针入度、软化点和延度指标分别恢复至原样沥青水平,表明针入度指标对生物油掺量最为敏感,其次是软化点,延度最差。

表4 生物油再生沥青3大指标

生物油用于恢复老化沥青低温性能时存在过渡软化问题,对高温性能不利。生物油掺量达12%时,老化沥青延度指标恢复,但针入度已达100.3(0.1 mm),已发生过渡软化,不利于沥青高温抗车辙性能。分析原因在于SBS改性沥青的老化分为基质沥青和SBS的老化,生物油的掺入主要调节沥青组分,恢复基质沥青性能,故低温下SBS的抗裂作用仅能依托提高生物油掺量替代。

2.2 生物油复配SBS再生沥青流变性能

针对生物油再生沥青恢复低温性能时存在的过渡软化问题,考虑掺入SBS复配进行再生。制备生物油掺量为6%,SBS掺量分别为1%,2%,3%的再生沥青分别进行DSR试验和BBR试验,分析其高低温流变性能。

2.2.1高温流变性能

52,58,64,70,76 ℃共5个试验温度下不同类型沥青车辙因子试验结果见图1。

图1 沥青车辙因子试验结果

由图1可知,掺入生物油可恢复老化沥青高温性能,但掺量受试验温度影响,实践中应根据实际路面温度情况选择合适的生物油掺量。试验温度为52,58,64 ℃时,6%生物油掺量的再生沥青车辙因子低于原样沥青,表明高温流变性能已得到恢复,但试验温度升高至70,76 ℃时,车辙因子高于原样沥青,表明上述试验温度下恢复原样沥青高温性能需继续提高生物油掺量。

由图1还可知,生物油复配SBS可提高再生沥青高温性能,且效果随SBS掺量的增加而变好。生物油复配SBS后,各试验温度下再生沥青的车辙因子增加,且随着SBS掺量的增大,增加值提高。

将车辙因子取对数后与温度进行线性相关分析,其示意见图2。

图2 沥青车辙因子与温度相关关系

由图2可见,生物油再生沥青高温性能温度敏感性优于原样沥青,且复配SBS后温度敏感性进一步改善,改善效果随SBS掺量的增加而变好。6%生物油掺量的再生沥青车辙因子随温度变化斜率绝对值为0.043 2,较原样沥青的0.044 7降低了3.4%,表明生物油再生沥青车辙因子随温度升高的下降速率较原样沥青降低,高温性能温度敏感性改善,复配1%,2%,3%的SBS后,斜率绝对值分别降低至0.042 5,0.041 7,0.040 8(见表5),车辙因子随温度升高而下降的速率进一步减小。

表5 沥青车辙因子与温度线性拟合结果

2.2.2低温流变性能

-12,-18,-24 ℃共3个试验温度下不同类型沥青劲度模量和蠕变速率试验结果分别见图3、图4。由图3和图4可见,老化作用会明显降低沥青低温性能,掺入6%生物油后可适当恢复,但未恢复至原样沥青水平。各试验温度下老化沥青劲度模量均高于原样沥青,蠕变速率均低于原样沥青,表明老化后沥青低温性能明显降低,这是由于老化作用使沥青中塑性成分减少,硬脆性特征更为明显的缘故。掺入6%生物油后,各试验温度下再生沥青劲度模量和蠕变速率均介于原样沥青和老化沥青之间,表明老化沥青低温性能得到部分恢复。

图3 沥青劲度模量试验结果

图4 沥青蠕变速率试验结果

图3、图4还表明,生物油复配SBS后可改善再生沥青低温性能,且改善效果随SBS掺量增加而变好。掺入SBS进行复配后,随着SBS掺量增加,再生沥青劲度模量逐渐降低,蠕变速率逐渐增加,当SBS掺量达到2%时,再生沥青劲度模量低于原样沥青,蠕变速率高于原样沥青,表明老化沥青低温性能已恢复至原样沥青水平。此外,美国SHRP计划PG分级规定,路面低温下劲度模量应不大于300 MPa,蠕变速率应不小于0.3,根据上述要求,原样沥青、6%生物油复配1%,2%,3%的SBS再生沥青的低温PG分级均为-28 ℃,老化沥青及6%生物油再生沥青的低温PG分级则为-22 ℃,表明生物油复配SBS后再生沥青低温下的适用温度范围已和原样沥青一致,且优于纯生物油再生沥青。

3 结语

本文通过室内模拟短期和长期老化制备老化沥青,采用生物油及复配SBS对老化沥青进行再生,通过三大指标、DSR和BBR试验研究再生沥青高低温性能。根据试验结果,主要结论如下。

1) 生物油能恢复老化沥青三大指标,但恢复不同指标的掺量有明显差异,生物油掺量分别为6%,9%,12%时,老化沥青针入度、软化点和延度指标分别恢复至原样沥青水平。延度指标恢复时,针入度指标已明显低于原样沥青,高温性能存在过渡软化问题。

2) DSR试验结果表明掺入约6%生物油可恢复老化沥青高温流变性能,但具体掺量受试验温度影响。生物油复配SBS后,再生沥青高温流变性能及温度敏感性均改善,且随SBS掺量的增加改善效果逐渐变好。

3) BBR试验结果表明掺入6%生物油后老化沥青低温流变性能适当恢复,但未恢复至原样沥青水平。生物油复配SBS后,再生沥青低温流变性能改善,且随SBS掺量的增加改善效果逐渐变好。SBS掺量达到2%时,再生沥青低温流变性能已恢复至原样沥青水平。

4) 推荐采用6%生物油复配2% SBS用于老化沥青再生,此时再生沥青高低温性能均优于原样沥青。