微藻油_苯乙烯-丁二烯-苯...再生沥青流变特性及疲劳特性_邢琳琳.pdf

微藻油/苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物复合再生沥青流变特性及疲劳特性邢琳琳1，陈光2，赵昕3*，张浩3，范红英3（1.黄河水利职业技术学院 土木与交通工程学院，河南 开封475004；2.开封市通达公路工程有限公司机械化分公司，河南 开封475000；3.陕西省交通规划设计研究院有限公司，西安710065）摘要：将微藻油（MO）和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）作为复合再生剂掺入老化沥青中，以制备MO/SBS复合再生沥青。对比了复合再生沥青的基本物理性能、高低温流变特性及疲劳特性，考察了MO与SBS的配比和用量对老化沥青再生效果的影响。结果表明，纯MO再生沥青的黏弹性变形能力可在一定程度上恢复至老化前水平，但仍有一定差距；MO/SBS复合再生则可在此基础上显著提升高温抗变形性能及弹性恢复性能，且其临界温度较老化前提高1.19.7，同时还降低了再生沥青对疲劳应变的敏感性以提高其抗疲劳性能。但MO/SBS复合再生沥青的低温蠕变变形能力相较于基质沥青有所降低。当MO和SBS的质量分数分别为8%和4%，复合再生沥青的高低温流变及疲劳特性较佳。关键词：微藻油；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物；再生沥青；流变特性；疲劳特性；弹性恢复中图分类号：U 414文献标志码：B文章编号：1000-1255（2023）02-0145-08DOI:10.19908/ki.ISSN1000-1255.2023.02.0145收稿日期：2022-07-17；修订日期：2023-01-15。作者简介：邢琳琳（1982），女，河南开封人，博士，教授。主要从事路基路面材料方向的研究工作，已发表论文9篇。基金项目：陕西省交通科技项目（21-53 K）。*通讯联系人。道路建设和养护过程中的沥青老化是沥青路面出现问题的主要原因之一，且我国公路建设已进入以维修养护为主的阶段，因而会产生大量的废旧沥青混合料1。常用的矿物油再生剂虽然对老化沥青的再生效果较好，但其在高温下易损失轻质组分而影响再生效果，且价格较高，更重要的是含有多环芳香烃等有害组分2-3相比之下，生物油富含大量轻质组分，且在高温下不易挥发，因而在恢复老化沥青的蠕变流动性能方面效果突出4。Elkashef等5考察了大豆油再生剂对老化沥青流变特性的影响，发现主要通过补充挥发性高的轻质组分而改善胶浆蠕变和应力弛豫，再生沥青抗疲劳性能较好，相位角较大而刚度较低。Peng等6用旧木植物油对老化沥青进行再生，研究发现旧木植物油含有苯酚、萘、邻苯二甲酸二乙酯等轻质成分，可以稀释老化沥青内重质组分以改善沥青的低温和疲劳特性，但弹性变形恢复性能仍有待提高。微藻油（MO）是富含高级脂肪酸甘油酯的新型生物质能源，用于沥青再生时因含有大量轻馏分而不易被氧化老化，其中的重馏分有助于提高沥青的流变特性7。殷卫永等8发现MO中含有的酰胺基团和羧基可促进网状分子结构在沥青胶浆内的形成，从而改善耐老化性能和高低温流变特性。Duan等9将MO添加到橡胶-苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）改性沥青中制备复合改性沥青，研究发现复合改性沥青具有较高的储存稳定性及抗车辙和抗疲劳性能。唐喆等10发现MO含有一定的游离脂肪酸，可用于制备生物柴油和热裂解油，且在沥青的改性和再生方面具有广阔的应用前景。目前，采用MO对沥青进行改性和再生的研究较少，同时考虑到生物油再生沥青普遍存在高温抗变形和弹性恢复能力较差等问题4。本工作采用MO和SBS对老化沥青进行复合再生，考察了不同MO/SBS质量比及改性剂用量对再生沥青的基本合成橡胶工业，2023-03-15，46（2）：145152CHINASYNTHETICRUBBERINDUSTRY加工应用合成橡胶工业第46卷物理性能、高低温流变特性和疲劳特性的影响，为MO再生沥青的应用提供参考。1实验部分1.1主要原材料90#沥青，65 黏度为176 Pas，山东济南晟腾化工有限公司产品；SBS，牌号YH-791，上海缘橡实业有限公司产品；MO，黄色油状液体，60 黏度为0.171 Pas，20 密度为0.932 g/cm3，陕西西安海晨康健生物科技有限公司产品；硫黄，含硫质量分数大于99.95%，山东青岛鲁川化工有限公司产品。1.2试样制备称取一定量的老化沥青，并于160 下加热0.5 h至熔融状态，然后分别将质量分数为6%，8%和10%的MO加入到老化沥青中，并利用高速剪切仪以500 r/min的转速剪切0.5 h。再于（1605）下恒温1h，升高油浴温度至（1755），加入质量分数分别为0，2%和4%的SBS，用高速剪切仪通过剪切溶胀法以2 000 r/min的转速剪切0.5 h，待观察到沥青胶浆的黏度增大且搅拌困难时，逐渐添加质量分数为0.3%的交联稳定剂硫黄，提高转速至4 000 r/min剪切0.5 h。最后，将沥青胶浆置于150 烘箱内静置发育1 h，即得MO/SBS复合再生沥青，将试样记为xMO+ySBS，其中x和y分别代表加入MO和SBS的质量份数。1.3分析与测试沥 青 物 理 性 能按 照JTG E 202011和AASHTO T 316-13测试沥青的25 针入度、软化点、15 延度和135 黏度11-12。频 率 扫 描（FrS）分 析采 用 奥 地 利AntonParr公司生产的SmartPave-102型动态剪切流变（DSR）仪，按照ASTM D 7175-1513测试沥青在58 下的动态剪切模量（G*）和相位角（）。测试转子直径为25 mm，平行板间距为1 mm。温度扫描（TeS）分析采用DSR仪按照ASTM D 7175-15，以6 为间隔测试沥青在4682 内的车辙因子（G*/sin）和相位角（）。测试频率为10 r/s，测试转子直径为25 mm，平行板间距为1 mm。多重应力蠕变恢复（MSCR）采用DSR仪按照AASHTO T 35014测试沥青在多重应力水平（0.1 kPa和3.2 kPa）和58 下的平均蠕变恢复率（R）、不可恢复蠕变柔量（Jnr）和不可恢复蠕变柔量差值比（Jnr-diff）。线 性 振 幅 扫 描（LAS）采 用DSR仪 按 照AASHTO TP 10115测试沥青的疲劳特性。于19 下进行0.130.0 Hz负载频率的频率扫描，再进行10 Hz下300 s内030%加载振幅的振幅扫描测试。低 温 弯 曲 梁 流 变（BBR）性 能采 用 美 国Cannon公 司 生 产 的TE-BBR仪 按 照ASTM D6648-0816测试沥青的蠕变劲度模量（Sm）和蠕变速率（m）。2结果与讨论2.1基本物理性能由表1可以看出，老化后沥青胶浆的针入度和延度下降，而软化点和黏度升高。分析原因可能是热氧老化使得沥青中芳香族等轻质油分挥发，而胶质部分被氧化为沥青质，因而劲度变大17。随着MO用量的增加，纯MO再生沥青胶浆的各项性能指标基本恢复至老化前水平，但仍有一定差距，MO再生沥青的针入度和延度呈上升趋势，而软化点和黏度则逐渐下降，分析原因可能是MO的加入补充了胶浆中的轻质组分，使老化沥青变软，黏度降低而低温柔性增强8-9。然而当MO质量分数为10%，未加入SBS时，纯MO再生沥青软化点和黏度较基质沥青分别降低了4.06%和11.14%，过低的软化点和黏度对沥青胶浆的高温性能不利，易引起路面产生车辙和高温剪切破坏。此外，随着SBS的加入，复合改性沥青的针入度和延度降低而软化点和黏度升高，这是由于老化沥青受MO作用，其内部高极性含氧化合物减少，而SBS由于其分子凝聚力及交联缠绕与嵌锁效应将胶浆结构进行加固，使体系的弹性体特性突出18-19。然而掺杂较多的SBS会对胶浆体系的柔韧性和延展性产生不利影响，如加入质量分数为4%的SBS时，与基质沥青相比复合再生沥青的延度下降幅度较大，路面出现低温开裂的风险增加。2.2DSR分析2.2.1FrS分析依据时温等效原理，将不同温度下的G*和通过平移、叠加和拟合，得到参考温度40 下的主曲线，按照Williams-Landel-Ferry方程计算时温移位因子（log T），具体见表2。146第2期Item90#bitumenAgedbitumen6MO+0SBS6MO+2SBS6MO+4SBS8MO+0SBS8MO+2SBS8MO+4SBS10MO+0SBS10MO+2SBS10MO+4SBSPenetration（25）/0.1mm26.892.585.681.497.789.282.399.396.588.6Softeningpoint/64.148.949.751.647.648.349.644.947.048.3Ductility（15）/cm5.8102.869.841.3105.376.643.0112.881.249.3Viscosity（135）/（mPas）167063767477753460668540750758693.846.8104.6458Table 1Basic physics properties of different regenerated bitumenTemperature/90#bitumenAgedbitumen6MO+0SBS6MO+2SBS6MO+4SBS8MO+0SBS8MO+2SBS8MO+4SBS10MO+0SBS10MO+2SBS10MO+4SBS161.8051.7681.7611.7851.7181.7791.8281.8381.8261.8341.739280.8250.7580.9120.7740.7970.8980.9130.7540.9220.8460.817400000000000052-0.882-0.874-0.713-0.804-0.755-0.816-0.837-0.817-0.843-0.796-0.72364-1.596-1.475-1.615-1.448-1.492-1.578-1.573-1.485-1.596-1.528-1.425Table 2log Tvalue of principal curve of FrS test在低频（高温）区，沥青的G*越大越小，则高温变形和弹性恢复能力越好；在高频（低温）区，沥青的G*越小越大，则低温柔韧性和蠕变变形性能越好。由图1（a）可以看出，沥青胶浆的G*随着频率的增大而增加，这与路面服役过程中动态响应规律相吻合，即车速较高、频率较大时，沥青路面的动态响应较好，无论在低频（高温）区还是高频（低温）区，老化沥青的G*均大于90#沥青和再生沥青，即老化沥青的黏弹性恢复性能均较好，分析原因可能是沥青中轻质组分受老化作用而大量挥发，且热氧作用下沥青基质中发生热聚合和氧化反应而形成大量的大分子胶团，致使胶浆变得脆硬。此外，高频区内再生沥青的G*主曲线位于90#沥青下方，说明在高频（低温）区再生沥青胶浆的蠕变恢复性能较好。而在低频（高温）区内，试样6 MO+4 SBS、8 MO+4 SBS、10 MO+4 SBS、6 MO+2 SBS和8 MO+2 SBS的主曲线位于90#沥青上方，上述试样在高温区的弹性恢复和低温区的蠕变变形能力均优于90#沥青。由图1（b）可以看出，在低频区内试样6 MO+4 SBS、8 MO+4 SBS、10 MO+4 SBS、6 MO+2 SBS和8 MO+2 SBS的主曲线均位于老化沥青下方，即上述试样在低频（高温）区内弹性恢复性能较好；在低频（高温）区内再生沥青的主曲线则均位于老化沥青下方，说明老化沥青的蠕变能力较差。同时，在高、低频区内，再生沥青的主曲线均位于90#沥青下方，说明相较于90#沥青，再生沥青胶浆在低频（高温）区弹性变形恢复能力较优，而在高频（低温）区的蠕变变形性能较差。分析原因可能是掺杂MO补充了胶浆内轻质组分并稀释了重质组分，使得胶浆体系均相化程度提高；而掺杂SBS后，SBS被高速剪切成微小颗粒并以分散相形式均匀分布，其分子链的自由基结合MO的酰胺基团和沥青基质形成相互交联的空间网络结构，降低胶浆体系的自由能并限制了分子间的相对运动，从而改善了再生