摘要: 公路工程快速发展亟需大量优质沥青材料，传统沥青是石油炼制过程中的副产物，石油资源的不可再生决定了沥青材料的不可持续。生物油对沥青的部分替代以及橡胶粉对沥青的改性，已被证明在促进沥青路面材料可持续和高性能发展方面潜力巨大，但单一改性... 展开 公路工程快速发展亟需大量优质沥青材料，传统沥青是石油炼制过程中的副产物，石油资源的不可再生决定了沥青材料的不可持续。生物油对沥青的部分替代以及橡胶粉对沥青的改性，已被证明在促进沥青路面材料可持续和高性能发展方面潜力巨大，但单一改性途径得到的沥青不能同时满足当前我国公路工程发展对路面材料可持续、高性能的新要求。基于此，将生物油与橡胶粉改性技术相结合，制备生物油/橡胶粉复合改性沥青，通过两者间的优势互补和协同改性，实现固废及可替代沥青材料在道路工程中的高掺量、高性能化应用。为此，研究从生物油/橡胶粉复合改性沥青组分相容特性出发，基于橡胶粉溶胀-降解行为研究改性沥青性能演变规律，揭示生物油/橡胶粉复合改性机理，在此基础上提出复合改性沥青制备工艺参数，基于路用性能分析复合改性效果，重点关注复合改性沥青在服役期间的耐久性，最后提出生物油预处理橡胶粉提升改性沥青储存稳定性及溶胀特性的关键技术。 纳观分子交互直接影响并决定材料的宏观性质，首先借助分子模拟技术探究复合改性沥青组分间相容特性。结果表明，生物油分子穿插、填充于沥青分子间，芳香分、胶质及沥青质能与生物油混溶，生物油与沥青整体相容性良好；生物油分子因较小的分子量和极性，在扩散融合过程中的扩散系数是沥青的1.9倍，两者最终可形成均相体系；与沥青相比，生物油填充在橡胶分子空隙中对其起到溶胀作用，表现出良好的相容性。生物油对沥青轻质组分的补充与橡胶粉的溶胀、降解及沥青老化共同决定生物油/橡胶粉复合改性沥青的整体性能，前期溶胀橡胶粉表面凝胶膜形成弹性半固体网络结构，使得沥青的整体劲度增加；中期橡胶粉降解、释放进沥青相的聚合物，形成三维网络结构对沥青的疲劳性能改善明显；后期沥青整体老化加剧了复合改性沥青性能的劣化，在此基础上揭示了生物油/橡胶粉复合改性机理。 生物油改性过程中对沥青中轻质组分的补充，可以满足后续橡胶粉溶胀的需求，对应复合改性沥青的路用性能较优。基于相容共混理论并借助正交试验，确定生物油共混改性参数为140℃、30min、5000r/min，由此制备的生物油改性沥青在热力学及微观尺度下均为稳定相容体系；提出了橡胶粉吸油溶胀、剪切分散和成品发育三阶段制备生物油/橡胶粉复合改性沥青工艺方法。分析生物油和橡胶粉对复合改性沥青性能的影响规律后发现，生物油以稀释、增溶、增加粘性响应的方式显著改善了沥青的低温性能，20%掺量时，复合改性沥青的低温延度和断裂能分别提升了72.3%和292.3%。橡胶粉以微骨架和增加弹性响应的方式提升沥青的高温性能，20%掺量时，复合改性沥青的软化点提升了45.3%，不可恢复蠕变柔量降至掺加橡胶粉前的4.1%。 针对服役耐久性，对生物油/橡胶粉复合改性沥青老化特性进行了研究。结果表明，生物油分子含有的特殊基团“刺入”沥青质聚集体内，通过电子扰动弱化芳香环内核间的π-π共轭作用，有效抑制了老化过程中沥青质的聚集。热氧老化后复合改性沥青性能衰减低于橡胶粉改性沥青，长期老化后疲老因子是未老化橡胶粉改性沥青的76.4%，交叉频率是老化橡胶粉改性沥青的10.5倍，玻璃化转变温度比未老化橡胶粉改性沥青低2.9℃；化学特性分析表明，热氧老化对复合改性沥青的影响较橡胶粉改性沥青低。光氧老化结果表明，复合改性沥青抵抗老化的能力显著依赖于生物油的来源，其中，蓖麻基生物油/橡胶粉复合改性沥青经受长时间紫外辐射后其老化指数显著低于其他复合改性沥青。生物油通过抑制沥青质聚集和补充轻质组分，起到沥青胶体结构稳定剂的作用；同时生物油富含的不饱和基团作为自由基清除剂，有效保护了沥青分子免受老化反应产生的活性自由基攻击；橡胶粉溶胀对轻质组分的吸收固定、降解对轻质组分的缓释也会进一步提升生物油/橡胶粉复合改性沥青的抗老化性能。 探究了生物油对橡胶粉预处理提升改性沥青储存稳定性与溶胀特性的可行性。与沥青分子相比，生物油分子会快速迁移至橡胶界面并“侵入”橡胶分子内部，两者之间的相互作用能较橡胶-芳香分高24.6%，表现出明显的吸附优先性。基于此，将生物油与橡胶粉直接混合，借助微波辐射将酯类分子通过化学吸附接枝在橡胶粉表面，进而制得表面接枝活化橡胶粉；借助热处理使生物油分子扩散进橡胶粉并被其物理吸收，进而制得预溶胀橡胶粉。试验结果表明，表面接枝活化后的生物油/橡胶粉复合改性沥青的离析指数降低了41.0%，软化点差降低了44.0%；生物油预溶胀后，改性沥青中溶胀橡胶粉相的面积升至预溶胀前的6.6倍，对应沥青的弹性恢复率提升了156.0%。分析生物油对橡胶粉预处理提升改性沥青性能的作用机制，表面活化橡胶粉之间通过接枝生物油分子实现相互搭接、锚固，使得橡胶粉能稳定存在于沥青相中，因此改性沥青的储存稳定性得到改善；溶胀的橡胶粉像弹性小球般在改性沥青体系中起到弹性微骨架作用，因此改性沥青具有良好的抵抗永久变形能力。 收起