蓖麻油与稻壳灰改性生物沥青的温度敏感性及结构性能研究：面向路面应用的可持续胶结料

《Scientific Reports》：Temperature susceptibility and structural performance of CORMBB: A bio-based asphalt binder for the paving application

　　

可持续路面材料需求的日益增长，提高了人们对石油沥青生物基替代品的兴趣。本研究通过部分替代VG-30制备了蓖麻油与稻壳灰改性生物沥青（CORMBB），并评估了其物理、化学、温度依赖性及流变学性能。研究人员采用针入度指数（PI）、针入度-粘度数（PVN）、粘度-温度敏感性（VTS）及Arrhenius活化能评估温度敏感性，同时采用2.2 kPa失效温度准则评估车辙性能。胶体指数（CI）从基体沥青的0.33降至CORMBB-2的0.26，表明胶体组成更为稳定。傅里叶变换红外光谱（FTIR）指数显示，改性后脂肪族和亚甲基含量增加，羰基和亚砜指数降低。PI从基体沥青的?1.26降至CORMBB-1和CORMBB-2的?1.64和?2.37，而PVN从?10.77降至?12.30。活化能从基体沥青的57.81 kJ/mol显著降至CORMBB-1和CORMBB-2的43.77和42.67 kJ/mol，表明粘度对温度的敏感性降低。然而，旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）老化后的车辙失效温度从基体沥青的94.7 °C降至CORMBB-1和CORMBB-2的76.7 °C和74.1 °C。总体而言，CORMBB表现出改善的热粘性响应，但高温抗车辙性能降低，凸显了温度敏感性与刚度之间的权衡关系。

论文解读：蓖麻油与稻壳灰改性生物沥青（CORMBB）的温度敏感性与结构性能研究

一、研究背景与意义

全球道路建设行业长期依赖石油衍生沥青，即原油蒸馏的残余产物。然而，化石燃料储备的逐渐枯竭、原油供应的波动，以及温室气体排放和废弃物管理相关的环境问题日益严峻，促使行业亟需寻找可持续替代方案。在此背景下，源自可再生原料的生物沥青应运而生，包括植物油、废弃食用油、木质素、藻类及农业残余物等。研究表明，这些生物基材料能够显著改变传统胶结料的物理化学和粘弹性特性，部分配方在特定条件下展现出与石油沥青相当的性能。

印度是发展生物基胶结料的典型案例。该国道路网络快速扩张，年沥青需求量接近770万吨，同时面临对石油的严重依赖和农业废弃物焚烧造成的环境退化双重挑战。数据显示，2025年9月印度沥青消费量达56万吨，同比增长34.5%，同期沥青进口量大幅上升约49%，进一步凸显了其对外部石油资源日益增长的依赖。尽管文献中关于生物胶结料在改善柔韧性、粘附性和再生潜力方面取得了令人鼓舞的成果，但大规模应用仍面临诸多障碍，包括性能变异性、长期耐久性疑虑、生产成本高于石油胶结料，以及缺乏标准化规范和指南。

针对上述问题，本研究创新性地将蓖麻油与稻壳灰（RHA）联合使用，构建了协同改性体系。蓖麻油富含羟基，其蓖麻油酸成分可增强弹性和低温抗裂性能；而稻壳灰作为富含无定形二氧化硅的农业工业副产物，可贡献刚度、抗车辙性能和耐久性。该混合体系被命名为蓖麻油与稻壳灰改性生物沥青（CORMBB），通过部分替代VG-30沥青实现，有效整合了两种组分的互补优势，同时实现了农业废弃物流的资源化利用。本研究的科学新颖性在于将蓖麻油的软化效应与稻壳灰的增强效应相结合，并通过包含经验温度敏感性指数（PI、PVN、VTS）、活化能、FTIR表征及动态剪切流变仪（DSR）流变和车辙参数的综合框架评估其相互作用，为可持续路面应用中CORMBB的温度敏感性和性能平衡提供了更全面的评估。

二、主要技术方法

研究人员采用多种表征手段对CORMBB进行系统评估。首先，通过SARA（饱和分、芳香分、胶质、沥青质）组分分析评估胶体结构和稳定性，并计算胶体指数（CI）。其次，采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析官能团变化，利用X射线衍射（XRD）分析晶体和非晶相结构。温度敏感性评估采用三种经验指数：针入度指数（PI）、针入度-粘度数（PVN）和粘度-温度敏感性指数（VTS），同时基于Arrhenius方程计算活化能（E_a）。流变性能通过动态剪切流变仪（DSR）温度扫描测试（46–94 °C）评估复数模量（G*）、相位角（δ）、储能模量（G′）和损耗模量（G″），并采用2.2 kPa失效温度准则评估抗车辙性能。所有胶结料均按ASTM D 2872和IS 15,799进行旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）模拟短期老化。研究中制备了两种配方：CORMBB-1含9%蓖麻油和6%稻壳灰（总替代量15%），CORMBB-2含15%蓖麻油和10%稻壳灰（总替代量25%），配比基于Kumar和Suman采用响应面法（RSM）结合混合遗传算法-人工神经网络（GA-ANN）模型的优化框架确定。蓖麻油和稻壳灰均取自印度比哈尔邦当地加工厂。

三、研究结果

化学组成与相容性分析

SARA分析显示，随着蓖麻油和稻壳灰的掺入，芳香分和胶质含量增加，沥青质和饱和分含量降低。胶体指数（CI）从基体沥青的0.33降至CORMBB-2的0.26，表明胶体稳定性改善和沥青质分散性提高。这种组分转变可能表明沥青质在胶溶相中的相容性改善，胶体结构更为平衡。

FTIR分析

FTIR光谱显示，CORMBB-1和CORMBB-2在1,680–1,750 cm?1区域出现更明显的羰基相关谱带，可能与蓖麻油引入的酯类成分有关。1,000–1,100 cm?1区域的谱带归因于稻壳灰相关的硅酸盐基团，3,200–3,600 cm?1区域的变化可能与蓖麻油和稻壳灰中的羟基基团有关。功能团指数计算显示，脂肪族C–H指数（I_CH）从基体沥青的0.4979增至CORMBB-1和CORMBB-2的0.6763和0.5812，亚甲基指数（I_CH2）从0.0489增至0.0549和0.0718；相反，羰基指数（I_C=O）从0.0652降至0.0069和0.0336，亚砜指数（I_S=O）从0.0047降至0.0034和0.0039。这表明改性改变了胶结料的化学环境，同时保留了主要烃类结构。

XRD分析

XRD分析显示，基体沥青呈宽泛低强度衍射图谱，表明其主要为无定形结构。CORMBB-1在15°–30°范围出现更明显的衍射特征，可能归因于稻壳灰引入的含硅相，CORMBB-2中这些峰更为显著，与更高的稻壳灰含量（10%）一致。结果表明稻壳灰主要作为物理微填料发挥作用，未形成新的结晶相。

温度敏感性分析

针入度指数（PI）从基体沥青的?1.26降至CORMBB-1的?1.64和CORMBB-2的?2.37，针入度-粘度数（PVN）从?10.77降至?12.30，表明CORMBB胶结料对温度的名义敏感性增加，主要归因于蓖麻油的软化效应和沥青质含量降低。粘度-温度敏感性（VTS）值介于+2.0至+4.2之间，CORMBB胶结料与基体沥青相当或略低，表明粘度对温度变化的敏感性相似或降低。老化后所有胶结料的VTS略有下降，表明RTFOT老化后热稳定性改善。

活化能分析

Arrhenius图显示所有胶结料均呈强线性关系（R2 > 0.98），确认了Arrhenius模型适用性。基体沥青活化能最高，未老化57.81 kJ/mol，RTFO老化后58.21 kJ/mol；CORMBB-1为43.77 kJ/mol（未老化）和43.53 kJ/mol（老化）；CORMBB-2最低，为42.67 kJ/mol（未老化）和42.14 kJ/mol（老化）。活化能降低表明分子迁移率增强和流动所需能量降低，直接解释了后续分析中观察到的拌和与压实温度改善。RTFO老化后活化能增幅以基体沥青最为显著，而CORMBB-1和CORMBB-2变化极小，表明抗短期氧化硬化能力改善。

流变性能分析

DSR温度扫描测试显示，基体沥青在整个温度范围内具有最高的储能模量（G′），CORMBB胶结料G′显著降低，趋势为BB > CORMBB-1 > CORMBB-2，反映蓖麻油掺量增加导致的渐进软化。损耗模量（G″）呈现类似趋势，但相对降幅小于G′，表明生物改性主要削弱胶结料的弹性组分，同时保持足够的粘性耗散能力。相位角（δ）方面，基体沥青呈单调增加趋势，高温下接近90°，表明向近牛顿粘性行为转变；CORMBB-1和CORMBB-2则表现出较低且更稳定的相位角，表明粘弹性响应更为平衡。复数模量（G*）趋势与G′和G″一致，确认CORMBB胶结料相对基体沥青整体刚度降低。SARA分析支持了上述流变行为，蓖麻油掺入导致沥青质和饱和分降低、芳香分和胶质增加，破坏了沥青质胶束网络，削弱了弹性相互作用。FTIR分析通过–OH伸缩带（约3400 cm?1）和C–O/C=O官能团的增强进一步证实了这一机制，表明改性主要为物理作用而非化学作用。

抗车辙性能

车辙因子（G*/sinδ）结果显示，基体沥青在低温下具有显著更高的抗车辙性能，但其车辙因子随温度升高急剧下降。CORMBB-1和CORMBB-2初始车辙因子较低，但随温度的下降更为平缓，表明应力松弛能力改善和脆性降低。RTFOT老化后，车辙失效温度从基体沥青的94.7 °C降至CORMBB-1的76.7 °C和CORMBB-2的74.1 °C。CORMBB-1在抗车辙性和工作性之间提供了平衡折中，而CORMBB-2更适合疲劳关键和中交通量应用。

四、讨论与结论

研究表明，PI、PVN、VTS和E_a之间的相关性有助于判断经验指标与基于粘度的机理响应是否一致，从而为蓖麻油和稻壳灰对CORMBB温度敏感性的影响提供更可靠的评估。CORMBB胶结料虽然名义温度敏感性指数增加，但基于粘度的响应保持稳定且可控。蓖麻油诱导的分子软化和稻壳灰驱动的物理稳定化产生协同作用，形成平衡的粘弹性体系。CORMBB-1在刚度和柔韧性之间提供最优折中，而CORMBB-2代表适合疲劳关键应用的软化上限。

总体而言，CORMBB表现出改善的热粘性响应，但高温抗车辙性能降低，凸显了温度敏感性与刚度之间的权衡关系。该研究为可持续路面应用中生物基胶结料的开发提供了综合评估框架，通过利用可再生蓖麻油和农业废弃物稻壳灰，实现了减少石油沥青消耗、资源节约和环境友好的多重效益。