赵晓翠，臧广远，弓家胜，任皎龙

(1.山东理工大学 建筑工程学院，山东 淄博 255049；2.山东理工大学 体育学院，山东 淄博 255049)

沥青混凝土是最重要的道路建筑材料之一，随着大量的路面施工和养护，沥青的消耗也在不断增加。沥青作为石油的一种副产品，随着石油资源的枯竭，其储量逐渐减少。因此，在不牺牲沥青混凝土铺装性能的前提下，寻找沥青的替代品，研究节约沥青用量的新技术是十分必要的。

近年来，生物改性沥青的物理化学特性、路用性能和最佳配方等得到了广泛的研究[1-4]。结果表明，生物改性沥青具有较好的低温抗裂性能和较差的高温稳定性。研究者应用生物质油对不同类型的基质沥青进行改性[1,5]，发现生物沥青的抗老化和低温性能改善，而黏度和高温稳定性下降[6-9]。另外，Yang 等[7]发现生物改性沥青混合料的抗车辙性能不如基质沥青混合料。显然，生物改性沥青不能满足高温地区道路施工的技术标准。有研究者采用复合改性技术提高生物沥青和生物沥青混合料的高温性能，分别在生物改性沥青中加入聚乙烯、橡胶粉和SBS并取得了良好的效果[10-11]。然而，与目前常用的改性沥青(如SBS改性沥青)相比，生物改性沥青由于改性剂(SBS等)用量大，其性能与经济性难以达到平衡。因此，生物改性沥青仍难以满足高等级路面施工的需要。为了解决这一问题，本文致力于寻找一种新的方法来改善生物沥青的路用性能。

1 筛选和制备

1.1 改性剂的筛选

近年来，纳米材料被广泛用于改善沥青的路用性能。研究表明，纳米材料单独使用时改性效果有限，而纳米材料和聚合物复合改性沥青的改性效果令人满意。

如前所述，生物沥青具有较好的低温性能和较差的高温性能。因此，所选用的纳米材料和聚合物必须对沥青的高温性能有积极的改性作用。

根据文献[6]，选择纳米二氧化硅作为纳米材料。采用4种聚合物(SBR、SBS、PE、EVA)对基质沥青进行改性，根据不同改性沥青的路用性能选择最合适的聚合物，根据软化点和60 ℃粘度试验评价其对高温性能的改性效果。这些试验均按照《公路工程沥青及沥青混合料标准试验方法(JTJ E20-2011)》的规定进行，试验结果见表1。

如表1所示，SBS改性沥青的软化点和60 ℃粘度最高，这表明SBS对高温性能的改性效果最好。因此，最终选择纳米二氧化硅和SBS进行后续研究。

1.2 制备过程

根据相似相融原理，生物质油易于与基质沥青充分混合。然而，由于纳米材料具有较大的比表面积，纳米材料和聚合物易形成二级材料结构聚合物，这会对改性效果带来不利影响。所以，需要将纳米材料和聚合物均匀分散以克服聚合问题。在本文中，根据文献[6]，采用高温高速剪切的方法来解决这个问题。

表1 不同聚合物改性沥青的试验结果Tab. 1 Test results of modified asphalt binders using different polymers

添加的聚合物(170℃,5000 r/min,30 min)软化点/℃粘度(布氏粘度,60℃)/(Pa·s)051.13161%SBR51.93553%SBR54.46555%SBR57.51 1001%SBS62.61 6113%SBS68.6—5%SBS72.2—1%PE61.11 5013%PE65.52 6095%PE67.1—1%EVA55.57993%EVA58.11 2385%EVA61.21 533

采用纳米二氧化硅、聚合物和生物质油制备改性沥青。首先将生物质油与基质沥青混合，即生物沥青。值得注意的是，生物质油和基质沥青的总质量保持在500 g不变。在120 ℃下混合5 min后，将纳米二氧化硅添加到生物沥青中。在120 ℃下，高速剪切(5 000 r / min)10 min后，添加聚合物。在170 ℃下，高速剪切不少于45 min，试样制备完成。

2 最佳改性配方

2.1 正交实验

为了能够科学的分析不同试验因素之间的影响关系，减少试验工作量，采用正交试验确定改性沥青的最佳配方。影响因素及相应的试验水平见表2，正交试验的试验顺序见表3。

表2 试验因素和试验水平Table 2 Test factors and test level

试验水平试验因素生物质油(A)SBS(B)SiO2(C)水平I5%1%0.2%水平II7%3%0.5%水平III9%5%0.8%

表3 正交试验顺序Tab.3 Testing sequence of orthogonal experiment

试验编号ABC正交组合15%1%0.2%A1B1C125%3%0.5%A1B2C235%5%0.8%A1B3C347%1%0.5%A2B1C257%3%0.8%A2B2C367%5%0.2%A2B3C179%1%0.8%A3B1C389%3%0.2%A3B2C199%5%0.5%A3B3C2

2.2 测试结果及分析

对软化点、5 ℃延度和135 ℃粘度进行测试，分析生物改性沥青高温性能、低温性能和工作性能。采用各因素每个试验水平的极差和相应平均值来分析正交试验的结果，如图1所示。

2.3 最佳配方

高温性能和低温性能是改性沥青的重要性能。9个组的5 ℃延度试验结果满足规范要求(大于30 cm)。因此，5 ℃延度不再需要考虑。此外，软化点被认为是重要影响因素，135 ℃黏度被认为是次要因素。试验结果的平均值可以描述关键因素和次要因素的影响趋势，如图2所示。

如图1(a)所示，SBS对软化点的极差最大，说明SBS对高温性能影响最大，其影响趋势随含量的增加而增加。因此，综合考虑影响趋势(图2(c))，将SBS的用量定为5%。其次是生物质油(图1(a))，其影响趋势随掺量的增加而减小(图2(a))，必须控制生物质油的用量。根据其影响趋势(图2(a))，当掺量超过7%时，软化点迅速降低，因此将生物质油的用量定为7%。此外，纳米二氧化硅的用量应选择较低的掺量(0.2%)，因为其极值最小。综上所述，生物质油、SBS和纳米二氧化硅复合改性沥青的最佳配方为：7% 生物质油+5% SBS+0.2% 纳米二氧化硅。

(a)软化点极差 (b)5 ℃延度极差 (c)135 ℃黏度极差

(a)生物质油对软化点的影响趋势 (b)生物质油对135 ℃黏度的影响趋势 (c)SBS对软化点的影响趋势

(d)SBS对135 ℃黏度的影响趋势 (e)纳米二氧化硅对软化点的影响趋势 (f)纳米二氧化硅对135 ℃黏度的影响趋势

此外，如图2(b)、(d)、(f)所示，尽管在使用5% SBS时135 ℃黏度超过3.0 Pa·s，但是当纳米二氧化硅的掺量为0.2%且生物质油的含量为7%时其值会下降。可以合理的推测，所提出的配方拥有足够的工作性能。因此，生物质油、SBS和纳米二氧化硅复合改性沥青的最佳配方可确定为：7% 生物质油+5% SBS+ 0.2% 纳米二氧化硅。

3 改性沥青(HBA)的性能

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，对AH-70基质沥青、5% SBS改性沥青和HBA(7%生物质油+ 5% SBS+0.2% 纳米二氧化硅)的高温、低温性能和抗老化性能进行了测试，进一步验证了所选配方对提高改性沥青性能的有效性。

3.1 低温性能

在 -12 ℃和-18 ℃下的弯曲梁流变仪(BBR)试验用来评价低温性能。采用蠕变劲度(S)和蠕变速率(m)表示沥青的抗裂性。试验结果见表4。从表4可以看出，在所有测试温度下的平均值，生物改性沥青的蠕变劲度(S)相比于5% SBS改性沥青和基质沥青分别降低了15.87%和24.73%，而蠕变速率(m)分别增加了9.06%和20.50%，上述结果表明，HBA比典型的沥青具有更好的低温性能。

表4 BBR试验结果Tab.4 BBR test results

沥青类型S(-12 ℃)S(-18 ℃)m(-12 ℃)m(-18 ℃)AH-70103.1288.50.3840.3095%SBS96.8246.80.4210.344HBA76.4220.50.4520.381

3.2 高温性能

采用动态剪切流变仪(DSR)试验进行高温性能分析，并用车辙因子来表示沥青的高温劲度或抗车辙能力(表5)。由表5可以看出，在不同测试温度下HBA的车辙因子高于5% SBS改性沥青和AH-70基质沥青。结果表明，HBA对高温性能有明显的改性作用。

表5 车辙因子Tab.5 Rutting factor

沥青类型52 ℃58 ℃64 ℃70 ℃76 ℃82 ℃88 ℃AH-7017.496.913.271.450.76——5%SBS42.7921.2011.205.753.041.851.05HBA54.8425.5512.786.393.362.041.20

3.3 抗老化性能

采用RTFOT试验对沥青的抗老化性能进行评价，结果见表6。由表6可以看出，HBA老化后的质量损失和残余稳定度均优于AH-70基质沥青，与5% SBS改性沥青相似。尤其是老化后的5℃延度，HBA显著高于5%的SBS改性沥青和AH-70基质沥青，相应的损失比率较低。因此，HBA对抗老化性能有明显的改性作用。

表6 RTFOT试验结果Tab.6 RTFOT test results

沥青类型质量损失/%残留稳定度/%老化后5℃延度/cm5℃延度损失/%AH-700.2662.901005%SBS0.1271.210.8138.9HBA0.1272.922.8831.3

4 改性沥青(HBA)的路用性能

分别对AH-70基质沥青、5% SBS改性沥青、HBA制备的沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性进行了测试[12]，考察了不同沥青对沥青混合料性能的改善效果。上述3种沥青混合料的级配如图3所示。

图3 集料级配

马歇尔试验法测定的石油比分别为4.5%(AH-70基质沥青混合料)、5.0%(5% SBS改性沥青混合料)和4.8%(HBA混合料)，相应的孔隙率分别为4.0%(AH-70基质沥青混合料)、3.8%(5% SBS沥青混合料)和3.9%(HBA混合料)，密度分别为2.406 g/cm3(AH-70基沥青混合料)、2.409 g/cm3(5% SBS沥青混合料)和2.391 g/cm3(HBA混合料)。

4.1 高温稳定性

车辙试验结果见表7。由表7可知，HBA混合料的动稳定度相比于比5% SBS改性沥青混合料提高了2.34%。与AH-70基质沥青混合料相比，HBA混合料的动稳定度是AH-70基质沥青混合料的2.74倍。结果表明，HBA混合料具有最佳的高温性能。

表7 车辙实验结果Tab.7 Rutting test results

指标AH-70沥青混合料SBS沥青混合料HBA混合料45 min后变形/mm3.692.432.0360 min后变形/mm4.212.602.19动稳定度/(次数·mm-1)1 355.4623 718.223 807.248

4.2 低温抗裂性

低温性能通过-10 ℃弯曲试验测定，见表8。如前所述，HBA具有最佳的低温性能。沥青混合料的低温性能也遵循这一趋势。由表8可知，HBA混合料的破坏应变分别是5% SBS改性沥青混合料和AH-70基质沥青混合料的1.26倍和2.01倍，其模量分别降低了30.1%和41.7%，表明其具有更好的低温抗裂性能。

表8 -10 ℃弯曲试验Tab.8 -10 ℃ bending test results

指标AH-70沥青混合料SBS沥青混合料HBA混合料弯曲抗拉强度/MPa7.6339.86712.214断裂应变/με1 681.802 703.213 393.04劲度模量/MPa4 493.983 748.432 622.18

4.3 水稳定性

通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，对其水稳定性进行了测试。试验结果见表9。由表9可知，HBA混合料的残余稳定度和抗拉强度比与5% SBS沥青混合料相差不大，但与AH-70基质沥青混合料相比有明显的提高。结果表明，HBA混合料有较好的水稳定性。

表9 水稳定性试验结果Tab.9 Water stability test results

指标AH-70沥青混合料SBS沥青混合料HBA混合料残余稳定度/%86.292.289.5抗拉强度比/%86.393.590.8

5 结论

本文提出了一种利用纳米二氧化硅和聚合物(SBS)对生物沥青进行改性的方法，提高了生物沥青的路用性能，并控制了材料成本。通过正交试验，对极差和影响趋势进行分析，提出了生物改性沥青(HBA)的最佳配方：7% 生物质油+5% SBS+0.2% 纳米二氧化硅。HBA及其混合料与5% SBS改性沥青和AH-70基质沥青相比，在高温、低温和抗老化性能方面均有明显改善。因此，HBA具有良好的实用和推广价值。