羽毛改性瀝青流變性能與PG分級研究*

陳通， 王偉

(1.江西省交通設計研究院有限責任公司， 江西 南昌 330052；2.湖南交通職業技術學院， 湖南 長沙 410132)

固體廢物再利用是近期全球研究熱點，如何將固體廢物摻入瀝青中制備性能優良的改性瀝青是其中研究重點。聚合物改性瀝青性能的主要影響因素是其化學組成，因為它決定瀝青的耐久性、抗剪切能力和黏彈性。瀝青內部結構主要取決于形成膠束的樹脂與瀝青質含量，膠束被分散在油相中的一層碳氫化合物包圍；聚合物不同的內部結構(線性、嵌段或接枝)為改性瀝青賦予不同的特性；聚合物顆粒尺寸對其在瀝青中的均勻分布與改性瀝青良好的儲存穩定性起主要作用，而剪切條件是另一關鍵因素，溫度、時間、剪切速率與剪切設備也影響改性瀝青的性能。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-丁二烯橡膠(SBR)及天然乳膠是常見聚合物瀝青改性劑，其他改性劑如鋼、玻璃、石棉纖維、湖瀝青、廢棄輪胎產物、木質素、礦物黏土、蒙脫土與高嶺石等也常用于瀝青改性。近年來，出于減少廢物與環境保護的需求，對生物瀝青改性劑的研究逐漸增加，如文獻[14-15]探索將天然或動物廢棄物用于瀝青改性，但結果表明瀝青的高溫性能和抗老化性能有所下降。本文將鴨毛通過一定方法處理后得到鴨羽毛生物顆粒(DFBP)，將DFBP添加到基質瀝青中制備生物顆粒改性瀝青(ADFBP)，并將ADFBP與SBS改性瀝青(SBSMA)通過動態剪切流變試驗和低溫彎曲蠕變試驗進行對比，研究DFBP摻量對ADFBP流變性能及PG分級的影響，并對ADFBP性能進行評價，為生物改性瀝青研究提供參考。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

(1) 基質瀝青。采用國產A級70#瀝青，其技術指標見表1。

表1 基質瀝青的技術性能

(2) SBS改性瀝青。采用自制3%摻量的SBS改性瀝青I-D，其技術指標見表2。

表2 SBS改性瀝青I-D的技術性能

(3) 鴨羽毛生物顆粒(DFBP)。鴨毛來自湖南長沙某屠宰場。將鴨毛用水與乙醇洗凈，在恒溫干燥箱中干燥24 h后進行消毒與除臭處理。剔除鴨毛表面的倒刺與小型羽片后，用刀片式粉碎機將其剪碎，并采用球形研磨機研磨，之后過0.075 mm篩。經測試，其密度為1.458 g/cm3。

(4) 鴨毛改性瀝青(ADFBP)。在600 mL合金杯中倒入500 mL瀝青，在155 ℃烘箱下加熱至流淌態。將其放于剪切儀下，在180 ℃下剪切45 min直至DFBP完全分散在瀝青中，分別制備DFBP摻量為2%、4%、6% 的ADFBP。

(5) 老化瀝青的制備。在盛樣瓶中分批次加入35 g±0.5 g SBSMA與3種DFBP摻量的ADFBP，將其放入163 ℃±0.5 ℃烘箱中85 min，取出后倒入盛樣皿中，得到短期老化瀝青；將短期老化瀝青50 g±0.5 g倒入標準薄膜烘箱試驗盛樣皿中，將盛樣皿放入壓力老化容器(PAV)中，以2.1 MPa±0.1 MPa的壓力穩壓20 h±10 min，取出后倒入盛樣皿中，得到長期老化瀝青。

1.2 物理性能試驗

按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》分別對SBSMA及不同DFBP摻量ADFBP進行針入度、延度和軟化點試驗。

1.3 動態剪切流變試驗

采用Bohlin DSR設備，在剪切應力控制模式下分析瀝青的流變特性。樣品直徑為25 mm，剪切板間隙設置為1 mm。溫度掃描試驗溫度為40～94 ℃，溫度間隔設為6 ℃。在應變控制模式下，設置荷載作用頻率為10 rad/s，應變為12%；頻率掃描的頻率為0.1～100 rad/s，溫度為28 ℃。

1.4 低溫彎曲蠕變試驗

試驗儀器為ATS RHE-102型彎曲流變儀。采用長期老化瀝青制備長×寬×高為101.6 mm×12.7 mm×6.4 mm的試件，將其置于設定溫度的無水乙醇中恒溫(-6 ℃、-12 ℃、-18 ℃、-24 ℃)放置30 min，完成儀器校準后對小梁進行加載，加載240 s后卸載，通過儀器程序得出60 s時的勁度模量S和蠕變速率m。

1.5 儲存穩定性試驗

將不同DFBP摻量的ADFBP過0.3 mm篩后加熱至流淌態，每份50 g注入鋁管中，將鋁管放入163 ℃±5 ℃烘箱中靜置48 h±1 h，加熱結束后將鋁管放入-12 ℃冷柜中4 h，取出后將鋁管等分剪成3節。分別將上節和下節放入163 ℃±5 ℃烘箱中，取出后進行軟化點試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 物理性能試驗

不同DFBP摻量ADFBP的物理性能指標見表3。對比表1、表3可知：相比原樣基質瀝青，隨著DFBP摻量的增加，ADFBP的針入度下降，軟化點上升，延度下降，表明DFBP的摻入提高了瀝青的剛度，使其具有更好的高溫性能；DFBP摻量從零增加到4%時提升效果顯著，摻量從4%增加至6%時提升較小。對比表2、表3可知：2%DFBP摻量的ADFBP與SBSMA具有相似的物理性能，表明在實際使用過程中低摻量的ADFBP可能可以替代低摻量的SBSMA。

表3 DFBP改性瀝青的物理性能

2.2 流變性能分析

2.2.1 溫度掃描

在瀝青路面中，復數模量G*與路面的高溫抗車轍性能有關，相位角δ則反映路面的彈性響應。圖1為改性瀝青的復數模量G*與相位角δ隨溫度的變化。

圖1 改性瀝青的復數模量G*與相位角δ隨溫度的變化

由圖1可知：隨著溫度的上升，改性瀝青的復數模量G*下降，相位角δ上升，表明隨溫度上升瀝青由彈性轉變為黏彈性再轉變為黏性，在瀝青轉變為黏性后其抵抗變形能力下降。從圖1(a)來看，在DFBP摻量為2%時ADFBP的流變性能與3%摻量的SBSMA相似，表明ADFBP有替代SBSMA的可能性。SBSMA在40 ℃下的復數模量G*小于ADFBP，94 ℃下的復數模量G*卻大于ADFBP，表明ADFBP相比SBSMA其模量下降速率更快。DFBP摻量為4%時ADFBP的復數模量G*顯著增加，相比2%DFBP摻量的ADFBP，4%DFBP摻量ADFBP的高溫性能提升顯著。但6%DFBP摻量ADFBP的復數模量G*相比4%DFBP摻量ADFBP增加較少，這可能是由于摻量過大，DFBP顆粒存在結團現象，難以完全分散在瀝青中。從圖1(b)來看，相比SBSMA，DFBP摻量為4%時ADFBP的相位角δ顯著降低，彈性響應得到顯著改善，這是由于DFBP在瀝青中形成類似于聚合物改性瀝青的彈性網絡，增加了改性瀝青在高溫下的彈性響應，進而提升了其流變性能。

2.2.2 頻率掃描

圖2為改性瀝青的復數模量G*與相位角δ隨掃描頻率的變化。

圖2 改性瀝青的復數模量G*與相位角δ隨頻率的變化

由圖2可知：頻率增加時，改性瀝青的復數模量增加，相位角下降，復數模量G*在低頻時增速較快，相位角δ在高頻時降速較快。在角頻率接近10 rad/s處，復數模量G*的增速逐漸減少，表明在近10 rad/s頻率以內其剛度增加較快，高溫抗車轍性能較好，伴隨著頻率增加其剛度增長率降低。頻率通常用以模擬車輛荷載對路面作用時間的長短，頻率越小代表瞬時車輛荷載作用時間長，此時路面受到的剪切作用力大，相反則受到的剪切作用力小。所有ADFBP都有著比SBSMA更高的復數模量G*、更低的相位角δ，表明ADFBP具有更好的高溫抗車轍能力，且隨著DFBP摻量的增加其高溫性能增強，增大摻量有利于提高ADFBP的高溫性能。

2.3 低溫性能分析

勁度模量S和蠕變速率m通常用來評價瀝青在低溫下抵抗開裂的能力，S值越小、m值越大其低溫性能越好。PG分級評價中要求使用長期老化瀝青制備的小梁試件的S值不大于300 MPa、m值不小于0.3，這種瀝青才可用于比該溫度環境低10 ℃的地區。改性瀝青的勁度模量S和蠕變速率m隨溫度的變化見圖3。

圖3 改性瀝青的勁度模量S和蠕變速率m隨溫度的變化

由圖3可知：隨著溫度的降低，ADFBP的勁度模量S增加，蠕變速率m降低。從圖3(a)來看，-6 ℃時，4種瀝青的勁度模量S相近；隨著溫度下降，SBSMA在-6～-18 ℃時的勁度模量S的增速大于ADFBP，相比SBSMA，ADFBP的勁度模量S在-18～-24 ℃時增速更大，表明在溫度未低于-18 ℃時ADFBP比SBSMA具有更好的低溫抗裂性能。4%DFBP摻量的ADFBP的勁度模量S在-12 ℃、-18 ℃下大于2%DFBP摻量的ADFBP，表明隨著DFBP摻量的增加其低溫性能下降。從圖3(b)來看，-18 ℃下SBSMA與2%DFBP摻量的ADFBP滿足蠕變速率m值不小于0.3的要求，而-18 ℃下兩者的勁度模量S都大于300 MPa。綜上，2%DFBP摻量ADFBP與SBSMA有著近似的低溫性能，隨著DFBP摻量的增加，ADFBP的低溫性能下降。按照PG分級要求，ADFBP的低溫性能處于-22 ℃這一級別。

2.4 PG等級

瀝青的PG高溫等級劃分時，要求原樣瀝青車轍因子G*/sinδ不小于1.0 kPa且短期老化瀝青車轍因子G*/sinδ不小于2.2 kPa，這種瀝青方可用于對應的高溫等級中。改性瀝青的車轍因子G*/sinδ隨溫度的變化見圖4。

圖4 改性瀝青原樣瀝青與短期老化瀝青的車轍因子G*/sinδ隨溫度的變化

由圖4可知：隨著溫度的上升，改性瀝青原樣瀝青和短期老化瀝青的車轍因子逐漸下降。從圖4(a)來看，SBSMA與2%DFBP摻量的ADFBP的高溫等級為82 ℃，4%、6%DFBP摻量ADFBP的高溫等級分別為88 ℃、94 ℃。從圖4(b) 來看，SBSMA與2%DFBP摻量的ADFBP的高溫等級為82 ℃，但SBSMA相比ADFBP其車轍因子隨溫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摻量ADFBP的高溫等級分別為88 ℃、94 ℃。綜合前述低溫等級劃分結果，得出不同改性劑摻量改性瀝青的PG等級(見表4)。

表4 改性瀝青的PG等級

由表4可知：在低溫等級不變的情況下，隨著DFBP摻量的增加，ADFBP的高溫等級增加明顯，可以采用6%作為DFBP最佳摻量。

2.5 儲存穩定性分析

改性瀝青實際應用中往往需要長途運輸，而不良的儲存穩定性會導致改性劑與改性瀝青分離，使其無法發揮應有的性能。儲存穩定性通常采用試件頂部和底部瀝青軟化點差值進行評價。如表5所示，2%DFBP摻量的ADFBP的軟化點差值顯著小于SBSMA，表明在DFBP摻量2%下ADFBP的儲存穩定性優于SBSMA，這可能是由于DFBP與芳香分具有更好的相容性。4%、6%DFBP摻量的ADFBP的軟化點差值分別為3.0 ℃、4.5 ℃，大于規范要求的2.5 ℃。雖然隨著DFBP摻量的增加，ADFBP的高溫性能提升顯著，但綜合考慮儲存穩定性，建議ADFBP中DFBP改性劑最佳摻量取2%。

表5 改性瀝青的儲存穩定性

3 結論

分別以2%、4%、6%的摻量將生物顆粒DFBP摻入基質瀝青中制備ADFBP改性瀝青，并與3%摻量的SBS改性瀝青進行對比，通過物理性能、流變性能、PG分級與儲存穩定性分析，得出如下結論：

(1) DFBP的摻入改變了基質瀝青的物理性質，其高溫性能增強，且2%DFBP摻量的ADFBP具有與3%摻量SBSMA相似的物理特性。

(2) DFBP摻量為2%時，ADFBP具有與SBSMA相似的流變學特征，且伴隨著DFBP摻量的增加其高溫性能改善顯著。

(3) 隨著DFBP摻量的增加，ADFBP的低溫抗裂性能略微下降，但依然保持在PG-22 ℃等級。隨著DFBP摻量的增加，ADFBP的高溫等級的增加幅度遠超過低溫等級的下降幅度。

(4) 由于DFBP在基質瀝青中分布更均勻，DFBP摻量2%的ADFBP相比3% 摻量的SBSMA具有更好的儲存穩定性；DFBP摻量增加至4%時，ADFBP的儲存穩定性不滿足規范要求。建議ADFBP的改性劑摻量取2%。