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生物油基聚氨酯对沥青及其混合料性能的影响

2024-10-14 64 上传者：管理员

摘要：为实现生物油和聚氨酯的综合利用，文章通过制备生物油基聚氨酯改性沥青(BPA)及其混合料(BPAM),研究生物油和聚氨酯对沥青及其混合料性能的影响；通过动态剪切流变仪(DSR)试验和弯曲梁流变仪(BBR)试验，对BPA的宏观流变特性进行评价，并采用沥青混合料验证评价BPAM的路用性能。结果表明：生物油或聚氨酯均能提高BPA的高低温流变性能，生物油的活性氢氧基与聚氨酯中的异氰酸酯发生反应，使得二者的复合改性对沥青的改善效果更好；与单一改性相比，生物油基聚氨酯能显著改善BPAM的高温抗车辙性能、低温抗裂性能和水稳定性。

关键词：
改性沥青
生物油
聚氨酯
路用性能
道路工程
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随着沥青路面建设的飞速发展和不可再生资源石油的不断消耗，基于“双碳”背景下，寻找石油沥青的部分替代品已成为道路行业研究的热点[1]。生物沥青是由生物质重油或生物质快速热解而成的胶结料，具有储量大、环保、来源广泛、价格低廉等特点，在道路工程中具有巨大的发展潜力[2-3]。由于生物油的高温性能较差，利用率较低，为扩大生物油在道路工程中的利用范围，有必要采用复合改性的方法来提高生物油利用率[4]。

目前，聚氨酯是一种新型道路材料，属于塑料和橡胶之间“可设计的”高分子弹性体材料，能通过改变自身的化学结构、规格、品种、配合比等，获得适用于不同场景的路面材料[5-6]。有研究表明聚氨酯能显著改善沥青的高低温性能，且聚氨酯的异氰酸酯能与活性氢氧基反应，显著改善沥青的高温性能，而生物油中的活性氢氧基较多[7-9]。

综上所述，本研究拟以生物油和聚氨酯部分替代石油沥青，采用动态剪切流变仪(DSR)试验和弯曲梁流变仪(BBR)试验，对生物油基聚氨酯改性沥青(BPA)的流变性能进行研究，并采用车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，验证生物油基聚氨酯改性沥青混合料(BPAM)的路用性能。

1、试验材料和方法

1.1原材料

采用70#道路石油沥青作为基质沥青，其主要性能指标如表1所示。选用的生物油和聚氨酯均由南京某化工有限公司生产，生物油是植物油蒸馏后的残留物，聚氨酯的分子结构为OCN-R-NCO,其主要性能指标如表2和表3所示。

表1沥青性能指标表

表2生物油性能指标表

表3聚氨酯性能指标表

1.2改性沥青的制备

生物油和聚氨酯的掺入方式为内掺，BPA的制备过程为：将生物油在真空干燥箱中以100℃和0.1 MPa的条件下储存2 h,同时将基质沥青在烘箱中加热到流动态；将脱水后的生物油添加到热沥青中，采用高速剪切仪并将转速设为3 500 r/min,剪切温度控制在130℃～140℃,并剪切30 min以得到生物沥青；将聚氨酯加入到生物沥青中，并用玻璃棒手动搅拌混合物，使聚氨酯能均匀分布在生物沥青当中，然后继续启动高速剪切仪，剪切速率和剪切温度保持不变，剪切时间为50 min。本次试验所制备的沥青试样如下页表4所示。

表4沥青试样组成汇总表

1.3级配设计

BPAM的粗集料选择为辉绿岩碎石，细集料和矿粉均为石灰岩，合成级配参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F4-2004)的AC-13C级配类型，级配曲线如图1所示。基于沥青混合料马歇尔试验，以0.5%的间隔得到五组油石比，即4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%,基于马歇尔试验计算沥青混合料的体积指标，最后确定BPAM的最佳油石比为5.0%。

图1 BPAM的级配曲线图

1.4试验方法

1.4.1沥青胶结料试验

采用DSR试验的温度扫描试验来揭示沥青的流变特性，评价BPA的高温性能。沥青试样在两块直径为25 mm的平板之间，两块平板之间的沥青厚度为1 mm。采用应变控制方法，应变控制水平为12%,温度测试范围为40℃～90℃,升温速率为2℃/min。

由于生物油存在杂质，沥青在拉伸过程中容易出现应力集中，影响延度试验结果。因此，采用BBR试验对BPA的低温性能进行评价，BBR试验温度为-18℃。试样的长度为127 mm±2.0 mm,厚度为6.35 mm±0.05 mm,宽度为12.70 mm±0.05 mm。

1.4.2沥青混合料试验

高温性能是影响生物油应用于沥青路面的关键因素之一，因此，采用沥青混合料车辙试验评价BPAM的高温抗车辙性能，测试温度为60℃,车辙试样的尺寸为300 mm×300 mm×50 mm。采用沥青混合料弯曲试验评价BPAM的低温拉伸性能。在-10℃条件下，加载速率设置为50 mm/min。试件尺寸的长、宽、高分别为250 mm、30 mm、35 mm。

为评价BPAM的水稳定性，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。浸水马歇尔试验是测定BPAM在干湿条件下的马歇尔稳定度，即浸水48 h后的稳定度与浸水30 min后的稳定度比值，得到BPAM的浸水残留稳定度。沥青混合料冻融劈裂试验的测试温度为25℃,每次制备≥6个试件，一半用于干燥条件，一半用于冻融条件，根据冻融后的劈裂强度与未冻融的劈裂强度比值，得到BPAM的冻融劈裂强度比。

2、结果与讨论

2.1胶结料高温性能

如图2和图3所示分别为未老化和短期老化下BPA的64℃车辙因子试验结果，车辙因子能反映沥青的抗高温变形能力，车辙因子越高，沥青的高温稳定性能越好。

图2未老化时车辙因子试验结果柱状图

图3短期老化后车辙因子试验结果柱状图

由图2和图3可知，与未老化相比，老化后BPA的车辙因子增大。当未掺聚氨酯时，随着生物油掺量的增加，BPA的车辙因子减少，说明生物油不利于沥青的高温性能，这与之前的研究结果一致。当生物油的掺量为0时，随着聚氨酯掺量的增加，BPA的车辙因子增大，这表明聚氨酯能改善沥青的高温性能。随着生物油掺量的增加，聚氨酯的掺量一定时，BPA的车辙因子提升幅度更高。这是因为生物油与聚氨酯发生化学反应，其化学产物导致BPA的车辙因子增大。

2.2胶结料低温性能

采用BBR试验测试BPA的蠕变劲度和蠕变速率，前者可反映沥青的低温抗变形能力，后者可反映沥青在应力作用下的松弛能力。考虑到采用两个低温评价指标无法兼顾低温开裂特性，因此采用K值(蠕变劲度与蠕变速率的比值)评价BPA的低温流变性能[10]。一般来说，蠕变劲度越大、蠕变速率和K值越低，说明沥青的低温性能较差。如图4～6为长期老化后BPA在-12℃的蠕变劲度、蠕变速率和K值。

图4长期老化后的蠕变劲度结果柱状图

图5长期老化后的蠕变速率结果柱状图

图6长期老化后的K值试验结果柱状图

由图4～6可知，随着聚氨酯或生物油掺量的增加，BPA的蠕变劲度和K值减少而蠕变速率增加。这说明聚氨酯和生物油都能改善BPA的低温性能，其原因可能是生物油中含有较多的轻质成分，生物油的加入降低了BPA的刚度，增强了应力松弛能力，从而减少了降温过程中BPA的应力积累。同时还可以发现，当生物油掺量一定时，随着聚氨酯掺量的增加(从10%～15%),BPA的低温指标变化不大。这说明聚氨酯掺量过大会使BPA出现硬化效果，降低其对沥青的低温改善效果。

2.3混合料高温性能

图7显示了不同掺量下BPAM的车辙试验结果。由图7可知，当未掺聚氨酯时，随着生物油掺量的增加，BPAM的动稳定度不断减少，说明生物油不利于BPAM的高温性能，这与胶结料高温性能结果一致。由图7还可以发现，当聚氨酯掺量相同的情况下，随着生物油掺量的增加，BPAM的动稳定度提升程度增加，这可能是因为生物油掺量的增加使其与聚氨酯的化学反应更加剧烈，从而对混合料的高温性能提升程度更大。

图7车辙试验结果柱状图

2.4混合料低温性能

低温条件下沥青混合料的最大弯拉应变能反映其拉伸性能，数值越高，表示混合料抗低温变形能力越大。图8所示为不同掺量下BPAM的低温弯曲试验结果。由图8可知，生物油或聚氨酯均能增大BPAM的最大弯拉应变，且生物油的提升效果更大。生物油基聚氨酯之所以能增强BPAM的低温抗裂性能，是因为生物油中的轻质组分不仅能恢复沥青的低温性能，还能补充恢复的沥青油分，在沥青中形成网状结构，增强了BPAM的低温性能。

图8低温弯曲试验结果柱状图

2.5混合料水稳定性

后页图9所示显示了不同掺量下BPAM的浸水马歇尔试验结果。由图9可知，生物油基聚氨酯的添加使BPAM的浸水残留稳定度增加，即生物油和聚氨酯有利于BPAM的水稳定性，这是因为生物油和聚氨酯能产生化学反应，增强了生物油、聚氨酯与沥青的静电作用，促进了生物油基聚氨酯在沥青基体中的三维网络结果。同时还应注意控制生物油和聚氨酯的掺量，二者掺量过大可能会出现团聚现象，会影响BPAM的水稳定性。

后页图10所示为不同掺量下BPAM的冻融劈裂试验结果。由图10可知，BPAM的冻融劈裂强度比与浸水残留稳定度的结果相似，生物油和聚氨酯均使BPAM的冻融劈裂强度比增加，说明二者的结合确能改善BPAM的水稳定性。这可能是因为在冻融过程中，沥青混合料中沥青与骨料之间的界面粘结逐渐减弱，而生物油基聚氨酯能延缓界面粘结的衰减。

图9浸水马歇尔试验结果柱状图

图10冻融劈裂试验结果柱状图

3、结语

(1)聚氨酯能弥补生物油对BPA高温性能的不利影响，且生物油的存在能促进聚氨酯对BPA高温性能的提升；生物油和聚氨酯均能改善BPA的低温性能。

(2)生物油不利于BPAM的高温性能，而有利于其低温性能和水稳定性，聚氨酯则对BPAM的路用性能有所改善，二者的复合改性对BPAM提升效果更加显著。

(3)本文的研究主要集中在生物油基聚氨酯对沥青及其混合料的宏观性能影响，因此，后续应对生物油基聚氨酯改性沥青的微观性能进行研究，揭示生物油、聚氨酯对沥青的改性机理。

文章来源:韦佩安.生物油基聚氨酯对沥青及其混合料性能的影响[J].西部交通科技,2024,(10):31-33+37.