為實(shí)現(xiàn)生物油和聚氨酯的綜合利用，文章通過制備生物油基聚氨酯改性瀝青（BPA）及其混合料（BPAM），研究生物油和聚氨酯對(duì)瀝青及其混合料性能的影響；通過動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）試驗(yàn)和彎曲梁流變儀（BBR）試驗(yàn)，對(duì)BPA的宏觀流變特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并采用瀝青混合料驗(yàn)證評(píng)價(jià)BPAM的路用性能。結(jié)果表明：生物油或聚氨酯均能提高BPA的高低溫流變性能，生物油的活性氫氧基與聚氨酯中的異氰酸酯發(fā)生反應(yīng)，使得二者的復(fù)合改性對(duì)瀝青的改善效果更好；與單一改性相比，生物油基聚氨酯能顯著改善BPAM的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性。

道路工程；改性瀝青；生物油；聚氨酯；路用性能

U416.03A100313

作者簡(jiǎn)介：

韋佩安（1990—），助理工程師，主要從事公路工程試驗(yàn)檢測(cè)工作。

0" 引言

隨著瀝青路面建設(shè)的飛速發(fā)展和不可再生資源石油的不斷消耗，基于“雙碳”背景下，尋找石油瀝青的部分替代品已成為道路行業(yè)研究的熱點(diǎn)［1］。生物瀝青是由生物質(zhì)重油或生物質(zhì)快速熱解而成的膠結(jié)料，具有儲(chǔ)量大、環(huán)保、來源廣泛、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在道路工程中具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?-3］。由于生物油的高溫性能較差，利用率較低，為擴(kuò)大生物油在道路工程中的利用范圍，有必要采用復(fù)合改性的方法來提高生物油利用率［4］。

目前，聚氨酯是一種新型道路材料，屬于塑料和橡膠之間“可設(shè)計(jì)的”高分子彈性體材料，能通過改變自身的化學(xué)結(jié)構(gòu)、規(guī)格、品種、配合比等，獲得適用于不同場(chǎng)景的路面材料［5-6］。有研究表明聚氨酯能顯著改善瀝青的高低溫性能，且聚氨酯的異氰酸酯能與活性氫氧基反應(yīng)，顯著改善瀝青的高溫性能，而生物油中的活性氫氧基較多［7-9］。

綜上所述，本研究擬以生物油和聚氨酯部分替代石油瀝青，采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀（DSR）試驗(yàn)和彎曲梁流變儀（BBR）試驗(yàn)，對(duì)生物油基聚氨酯改性瀝青（BPA）的流變性能進(jìn)行研究，并采用車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，驗(yàn)證生物油基聚氨酯改性瀝青混合料（BPAM）的路用性能。

1" 試驗(yàn)材料和方法

1.1" 原材料

采用70#道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，其主要性能指標(biāo)如表1所示。選用的生物油和聚氨酯均由南京某化工有限公司生產(chǎn)，生物油是植物油蒸餾后的殘留物，聚氨酯的分子結(jié)構(gòu)為OCN-R-NCO，其主要性能指標(biāo)如表2和表3所示。

1.2" 改性瀝青的制備

生物油和聚氨酯的摻入方式為內(nèi)摻，BPA的制備過程為：將生物油在真空干燥箱中以100 ℃和0.1 MPa的條件下儲(chǔ)存2 h，同時(shí)將基質(zhì)瀝青在烘箱中加熱到流動(dòng)態(tài)；將脫水后的生物油添加到熱瀝青中，采用高速剪切儀并將轉(zhuǎn)速設(shè)為3 500 r/min，剪切溫度控制在130 ℃～140 ℃，并剪切30 min以得到生物瀝青；將聚氨酯加入到生物瀝青中，并用玻璃棒手動(dòng)攪拌混合物，使聚氨酯能均勻分布在生物瀝青當(dāng)中，然后繼續(xù)啟動(dòng)高速剪切儀，剪切速率和剪切溫度保持不變，剪切時(shí)間為50 min。本次試驗(yàn)所制備的瀝青試樣如下頁表4所示。

1.3" 級(jí)配設(shè)計(jì)

BPAM的粗集料選擇為輝綠巖碎石，細(xì)集料和礦粉均為石灰?guī)r，合成級(jí)配參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F4-2004）的AC-13C級(jí)配類型，級(jí)配曲線如圖1所示?；跒r青混合料馬歇爾試驗(yàn)，以0.5%的間隔得到五組油石比，即4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%，基于馬歇爾試驗(yàn)計(jì)算瀝青混合料的體積指標(biāo)，最后確定BPAM的最佳油石比為5.0%。

生物油基聚氨酯對(duì)瀝青及其混合料性能的影響/韋佩安

1.4" 試驗(yàn)方法

1.4.1" 瀝青膠結(jié)料試驗(yàn)

采用DSR試驗(yàn)的溫度掃描試驗(yàn)來揭示瀝青的流變特性，評(píng)價(jià)BPA的高溫性能。瀝青試樣在兩塊直徑為25 mm的平板之間，兩塊平板之間的瀝青厚度為1 mm。采用應(yīng)變控制方法，應(yīng)變控制水平為12%，溫度測(cè)試范圍為40 ℃～90 ℃，升溫速率為2 ℃/min。

由于生物油存在雜質(zhì)，瀝青在拉伸過程中容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，影響延度試驗(yàn)結(jié)果。因此，采用BBR試驗(yàn)對(duì)BPA的低溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，BBR試驗(yàn)溫度為-18 ℃。試樣的長(zhǎng)度為127 mm±2.0 mm，厚度為6.35 mm±0.05 mm，寬度為12.70 mm±0.05 mm。

1.4.2" 瀝青混合料試驗(yàn)

高溫性能是影響生物油應(yīng)用于瀝青路面的關(guān)鍵因素之一，因此，采用瀝青混合料車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)BPAM的高溫抗車轍性能，測(cè)試溫度為60 ℃，車轍試樣的尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。采用瀝青混合料彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)BPAM的低溫拉伸性能。在-10 ℃條件下，加載速率設(shè)置為50 mm/min。試件尺寸的長(zhǎng)、寬、高分別為250 mm、30 mm、35 mm。

為評(píng)價(jià)BPAM的水穩(wěn)定性，采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)。浸水馬歇爾試驗(yàn)是測(cè)定BPAM在干濕條件下的馬歇爾穩(wěn)定度，即浸水48 h后的穩(wěn)定度與浸水30 min后的穩(wěn)定度比值，得到BPAM的浸水殘留穩(wěn)定度。瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)的測(cè)試溫度為25 ℃，每次制備≥6個(gè)試件，一半用于干燥條件，一半用于凍融條件，根據(jù)凍融后的劈裂強(qiáng)度與未凍融的劈裂強(qiáng)度比值，得到BPAM的凍融劈裂強(qiáng)度比。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 膠結(jié)料高溫性能

如圖2和圖3所示分別為未老化和短期老化下BPA的64 ℃車轍因子試驗(yàn)結(jié)果，車轍因子能反映瀝青的抗高溫變形能力，車轍因子越高，瀝青的高溫穩(wěn)定性能越好。

由圖2和圖3可知，與未老化相比，老化后BPA的車轍因子增大。當(dāng)未摻聚氨酯時(shí)，隨著生物油摻量的增加，BPA的車轍因子減少，說明生物油不利于瀝青的高溫性能，這與之前的研究結(jié)果一致。當(dāng)生物油的摻量為0時(shí)，隨著聚氨酯摻量的增加，BPA的車轍因子增大，這表明聚氨酯能改善瀝青的高溫性能。隨著生物油摻量的增加，聚氨酯的摻量一定時(shí)，BPA的車轍因子提升幅度更高。這是因?yàn)樯镉团c聚氨酯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其化學(xué)產(chǎn)物導(dǎo)致BPA的車轍因子增大。

2.2" 膠結(jié)料低溫性能

采用BBR試驗(yàn)測(cè)試BPA的蠕變勁度和蠕變速率，前者可反映瀝青的低溫抗變形能力，后者可反映瀝青在應(yīng)力作用下的松弛能力。考慮到采用兩個(gè)低溫評(píng)價(jià)指標(biāo)無法兼顧低溫開裂特性，因此采用K值（蠕變勁度與蠕變速率的比值）評(píng)價(jià)BPA的低溫流變性能［10］。一般來說，蠕變勁度越大、蠕變速率和K值越低，說明瀝青的低溫性能較差。如圖4～6為長(zhǎng)期老化后BPA在-12 ℃的蠕變勁度、蠕變速率和K值。

由圖4～6可知，隨著聚氨酯或生物油摻量的增加，BPA的蠕變勁度和K值減少而蠕變速率增加。這說明聚氨酯和生物油都能改善BPA的低溫性能，其原因可能是生物油中含有較多的輕質(zhì)成分，生物油的加入降低了BPA的剛度，增強(qiáng)了應(yīng)力松弛能力，從而減少了降溫過程中BPA的應(yīng)力積累。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物油摻量一定時(shí)，隨著聚氨酯摻量的增加（從10%～15%），BPA的低溫指標(biāo)變化不大。這說明聚氨酯摻量過大會(huì)使BPA出現(xiàn)硬化效果，降低其對(duì)瀝青的低溫改善效果。

2.3" 混合料高溫性能

圖7顯示了不同摻量下BPAM的車轍試驗(yàn)結(jié)果。由圖7可知，當(dāng)未摻聚氨酯時(shí)，隨著生物油摻量的增加，BPAM的動(dòng)穩(wěn)定度不斷減少，說明生物油不利于BPAM的高溫性能，這與膠結(jié)料高溫性能結(jié)果一致。由圖7還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聚氨酯摻量相同的情況下，隨著生物油摻量的增加，BPAM的動(dòng)穩(wěn)定度提升程度增加，這可能是因?yàn)樯镉蛽搅康脑黾邮蛊渑c聚氨酯的化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，從而對(duì)混合料的高溫性能提升程度更大。

2.4" 混合料低溫性能

低溫條件下瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變能反映其拉伸性能，數(shù)值越高，表示混合料抗低溫變形能力越大。圖8所示為不同摻量下BPAM的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果。由圖8可知，生物油或聚氨酯均能增大BPAM的最大彎拉應(yīng)變，且生物油的提升效果更大。生物油基聚氨酯之所以能增強(qiáng)BPAM的低溫抗裂性能，是因?yàn)樯镉椭械妮p質(zhì)組分不僅能恢復(fù)瀝青的低溫性能，還能補(bǔ)充恢復(fù)的瀝青油分，在瀝青中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了BPAM的低溫性能。

2.5" 混合料水穩(wěn)定性

后頁圖9所示顯示了不同摻量下BPAM的浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果。由圖9可知，生物油基聚氨酯的添加使BPAM的浸水殘留穩(wěn)定度增加，即生物油和聚氨酯有利于BPAM的水穩(wěn)定性，這是因?yàn)樯镉秃途郯滨ツ墚a(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，增強(qiáng)了生物油、聚氨酯與瀝青的靜電作用，促進(jìn)了生物油基聚氨酯在瀝青基體中的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)果。同時(shí)還應(yīng)注意控制生物油和聚氨酯的摻量，二者摻量過大可能會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，會(huì)影響B(tài)PAM的水穩(wěn)定性。

后頁圖10所示為不同摻量下BPAM的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果。由圖10可知，BPAM的凍融劈裂強(qiáng)度比與浸水殘留穩(wěn)定度的結(jié)果相似，生物油和聚氨酯均使BPAM的凍融劈裂強(qiáng)度比增加，說明二者的結(jié)合確能改善BPAM的水穩(wěn)定性。這可能是因?yàn)樵趦鋈谶^程中，瀝青混合料中瀝青與骨料之間的界面粘結(jié)逐漸減弱，而生物油基聚氨酯能延緩界面粘結(jié)的衰減。

3" 結(jié)語

（1）聚氨酯能彌補(bǔ)生物油對(duì)BPA高溫性能的不利影響，且生物油的存在能促進(jìn)聚氨酯對(duì)BPA高溫性能的提升；生物油和聚氨酯均能改善BPA的低溫性能。

（2）生物油不利于BPAM的高溫性能，而有利于其低溫性能和水穩(wěn)定性，聚氨酯則對(duì)BPAM的路用性能有所改善，二者的復(fù)合改性對(duì)BPAM提升效果更加顯著。

（3）本文的研究主要集中在生物油基聚氨酯對(duì)瀝青及其混合料的宏觀性能影響，因此，后續(xù)應(yīng)對(duì)生物油基聚氨酯改性瀝青的微觀性能進(jìn)行研究，揭示生物油、聚氨酯對(duì)瀝青的改性機(jī)理。

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20240322