曾夢瀾， 潘浩志， 田　振， 朱艷貴

(湖南大學 土木工程學院， 湖南 長沙　410082)

?

老化對生物瀝青改性瀝青結(jié)合料使用性能的影響

曾夢瀾， 潘浩志， 田振， 朱艷貴

(湖南大學 土木工程學院， 湖南 長沙410082)

[摘要]通過實驗室實驗，探討老化對生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的影響。分析顯示：老化降低結(jié)合料的殘留針入度比，這種影響在短期老化時較為顯著，長期老化時可以忽略。老化提高結(jié)合料的軟化點，這種影響在短期老化時較為顯著，長期老化時更加顯著。老化提高結(jié)合料的殘留延度比，這種影響在短期與長期老化時效果均相當顯著。老化提高結(jié)合料的針入度指數(shù)，這種影響在短期與長期老化時均較為顯著?？傮w上，生物瀝青對改性瀝青結(jié)合料老化前后性能的比較沒有大的不良作用，在這個意義上生物瀝青改性瀝青結(jié)合料具有良好的抗老化性能。

[關鍵詞]道路工程； 改性瀝青； 生物瀝青； 使用性能； 老化影響

0前言

隨著公路和城市道路建設的快速發(fā)展，瀝青的消耗量日益增多。傳統(tǒng)的瀝青結(jié)合料是石油加工過程中的殘留物，由于石油資源屬于不可再生資源，隨著石油資源的日益減少以及石油價格的不斷攀升，尋找石油瀝青的替代品成為國內(nèi)外道路工程界的重要課題。

生物瀝青，作為一種可再生資源，來自于一些生物質(zhì)材料，比如動物糞便、農(nóng)作物秸稈、植物油廢料等[1]。通過酸化、水解、分餾和氧化等一系列物理化學工藝即可制得生物瀝青[2]。生物瀝青具有可再生、環(huán)保無污染以及經(jīng)濟性。因此，如果能夠用生物瀝青來部分或全部替代石油瀝青，不僅對生態(tài)環(huán)境起到保護的作用，也將促進瀝青路面服務水平和使用壽命的提高[3]。國外學者對生物瀝青進行了廣泛的研究，F(xiàn)ini、Wen、Yang等學者分別研究了由動物糞便、廢烹飪油、廢棄木材加工而成的生物瀝青，Mills-Beale研究了由豬糞制成的生物瀝青改性瀝青的老化性能[4-8]。國內(nèi)學者也對生物瀝青開展了深入的研究，廖曉峰、周南陽、汪海年等重點研究了植物瀝青改性瀝青的路用性能，取得了一定進展[9-11]。

瀝青的老化是瀝青在混合料熱拌、施工及使用過程中受到溫度、光照、空氣和降水等外界環(huán)境因素的影響以及車輛荷載的作用而發(fā)生揮發(fā)、氧化等一系列不可逆的物理變化和化學變化。瀝青的老化是影響瀝青路面使用性能的一個重要因素，直接導致瀝青路面使用壽命的縮短。本文通過實驗室實驗，以生物瀝青作為改性劑，將生物瀝青以不同比例加入基質(zhì)石油瀝青，探討老化對生物瀝青改性瀝青結(jié)合料使用性能的影響。

1試驗材料

① 基質(zhì)瀝青。

基質(zhì)瀝青采用50號A級道路石油瀝青，基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標見表1。

② 生物瀝青。

生物瀝青采用蓖麻油植物瀝青，其原料為蓖麻子，由煉制蓖麻油后殘余的下腳油再經(jīng)過蒸餾、氧化等物理化學工藝處理，最后得到的廢料即為植物瀝青。這種蓖麻油植物瀝青在常溫條件下為黑色固體，與傳統(tǒng)石油瀝青基本一致，只在顏色上稍顯偏淡。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標Table1 Technicalpropertiesofbaseasphalt指標試驗結(jié)果規(guī)范要求針入度(25℃,5s,100g)/(0.1mm)43.740～60針入度指數(shù)PI-0.66-1.5～+1.0軟化點(R&B)/℃52.8≥4915℃延度/cm>100≥80閃點/℃270≥260溶解度/%99.6≥99.5密度(15℃)/(g·cm-3)1.040實測記錄RTFO試驗后質(zhì)量變化/%0.02≤±0.8殘留針入度比/%63.6≥63殘留延度/cm13.5≥10

③ 改性瀝青的制備。

改性瀝青制備時，先將基質(zhì)瀝青和生物瀝青加熱到105 ℃，按照預定的比例混合，在攪拌機中以1 500 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌20 min。根據(jù)生物瀝青的物理性質(zhì)，生物瀝青加入量為瀝青總量的0、5%、10%、15%、20%、25%和30%。其中，基質(zhì)瀝青采用相同的加工過程，得到作為特例的零含量生物瀝青改性瀝青結(jié)合料試樣。

2實驗室試驗

2.1試驗方法

實驗室試驗包括生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的性能試驗與老化試驗。

瀝青結(jié)合料的性能試驗包括針入度、軟化點和延度試驗，分別按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)[12]中的相關方法進行。針入度試驗采用JTG E20規(guī)程T0604-2011“瀝青針入度試驗”方法，試驗溫度25 ℃，時間5 s，荷載100 g；軟化點試驗采用JTG E20規(guī)程T0606-2011“瀝青軟化點試驗(環(huán)球法)”方法，試驗水溫上升速率5 ℃/min；延度試驗采用JTG E20規(guī)程T0605-2011“瀝青延度試驗”方法，試驗溫度15 ℃，拉伸速率5 cm/min。

瀝青結(jié)合料的老化試驗主要是為性能試驗準備經(jīng)過老化的材料，包括旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFO)和壓力容器(PAV)試驗。RTFO試驗模擬瀝青在混合料生產(chǎn)過程中發(fā)生的短期老化，PAV試驗模擬瀝青在路面使用過程中發(fā)生的長期老化。RTFO試驗采用JTG E20規(guī)程T0610-2011“瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗”方法，試驗溫度163 ℃，時間85 min；PAV試驗采用JTG E20規(guī)程T0630-2011“壓力老化容器加速瀝青老化試驗”方法，使用RTFO試驗殘留物，試驗條件為溫度100 ℃、壓力2.1 MPa、時間20 h。

2.2試驗結(jié)果

生物瀝青改性瀝青老化前后的性能試驗結(jié)果見表2。

表2 生物瀝青改性瀝青結(jié)合料試驗與計算結(jié)果Table2 Testandcalculationresultsofbioasphaltmodifiedasphaltbinder類別生物瀝青含量/%針入度(25℃,5s,100g)/(0.1mm)軟化點(R&B)/℃15℃延度/cm針入度指數(shù)原狀瀝青結(jié)合料043.752.8152.9-0.83553.751.8134.1-0.591063.750.8115.4-0.411574.849.798.5-0.272085.948.574.4-0.202596.947.455.7-0.1530113.746.143.7-0.03RTFO試驗后027.857.413.5-0.77531.856.715.8-0.651035.955.522.3-0.591539.955.820.3-0.372044.956.818.20.112550.557.815.80.603057.958.614.91.12PAV試驗后019.760.95.2-0.74523.760.77.6-0.451027.760.39.4-0.221531.76011.0-0.012036.160.412.30.342540.561.212.50.753045.162.612.11.27

3試驗結(jié)果分析

由表2可見：生物瀝青含量與老化階段(原狀未老化、RTFO短期老化、PAV長期老化)都對改性瀝青結(jié)合料的各項技術(shù)指標有影響，生物瀝青含量的影響擬另文探討，本文分析老化的影響。

3.1殘留針入度比

針入度反映瀝青的粘稠程度，針入度越大稠度越小，反之越大。為了量化老化的影響，本文采用兩個殘留針入度比評價生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的老化性能，即短期老化殘留針入度比RP(RTFO)與長期老化殘留針入度比RP(PAV)。RP(RTFO)定義為RTFO后針入度與原狀針入度的比值，與《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[13]中的定義相同，RP(PAV)定義為PAV后針入度與原狀針入度的比值。殘留針入度比反映老化對針入度的影響，殘留針入度比越大影響越小、越有利，反之越大、越不利。圖1為改性瀝青結(jié)合料殘留針入度比與生物瀝青含量的關系。

圖1　改性瀝青殘留針入度比與生物瀝青含量的關系Figure 1　Retained penetration of modified asphalt binder 　　　versus bioasphalt content

由圖1可見：改性瀝青結(jié)合料的短期老化殘留針入度比RP(RTFO)與長期老化殘留針入度比RP(PAV)均隨著生物瀝青的含量增加而有所降低。當生物瀝青的含量從0增加到30%時，短期老化殘留針入度比RP(RTFO)從63.6%到50.9%，降低了12.7%，長期老化殘留針入度比RP(PAV)從45.1%到39.7%，僅降低5.4%。就殘留針入度比而言，老化對所用生物瀝青改性瀝青結(jié)合料有不利影響，降低材料相對稠度，這種影響在短期老化時較為顯著，長期老化時可以忽略。

3.2軟化點變化

軟化點反映瀝青的高溫穩(wěn)定性，軟化點越高穩(wěn)定性越好，反之越差。為了量化老化的影響，本文采用兩個軟化點變化評價生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的老化性能，即短期軟化點變化DSP(RTFO)與長期軟化點變化DSP(PAV)。DSP(RTFO)定義為RTFO后軟化點與原狀軟化點的差值，DSP(PAV)定義為PAV后軟化點與原狀軟化點的差值。軟化點變化反映老化對軟化點的影響，軟化點變化絕對值越大影響越大，反之越小；正值有利，反之不利。圖2為改性瀝青結(jié)合料軟化點變化與生物瀝青含量的關系。

圖2　改性瀝青軟化點變化與生物瀝青含量的關系Figure 2　Softening point change of modified asphalt binder 　　　versus bioasphalt content

由圖2可見：改性瀝青結(jié)合料的短期老化軟化點變化DSP(RTFO)與長期老化軟化點變化DSP(PAV)均隨著生物瀝青的含量增加而提高。當生物瀝青的含量從0增加到30%時，短期老化軟化點變化DSP(RTFO)從4.6 ℃到12.5 ℃，提高了7.9 ℃，長期老化軟化點變化DSP(PAV)從8.1 ℃到16.5 ℃，提高了8.4 ℃。就軟化點變化而言，老化對所用生物瀝青改性瀝青結(jié)合料有有利影響，提高材料高溫穩(wěn)定性，這種影響在短期老化時較為顯著，長期老化時更加顯著。

3.3殘留延度比

延度反映瀝青的塑性，延度越大塑性越好，反之越差。為了量化老化的影響，本文采用兩個殘留延度比評價生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的老化性能，即短期老化殘留延度比RD(RTFO)與長期老化殘留延度比RD(PAV)。RD(RTFO)定義為RTFO后延度與原狀延度的比值，RD(PAV)定義為PAV后延度與原狀延度的比值。殘留延度比反映老化對延度的影響，殘留延度比越大影響越小，反之越大。圖3為改性瀝青結(jié)合料殘留延度比與生物瀝青含量的關系。

圖3　改性瀝青殘留延度比與生物瀝青含量的關系Figure 3　Retained ductility of modified asphalt binder 　　　versus bioasphalt content

由圖3可見：改性瀝青結(jié)合料的短期老化殘留延度比RD(RTFO)與長期老化殘留延度比RD(PAV)均隨著生物瀝青的含量增加而上升。當生物瀝青的含量從0增加到30%時，短期老化殘留延度比RD(RTFO)從8.8%到34.1%，上升了25.3%，長期老化殘留延度比RD(PAV)從3.4%到27.7%，上升24.3%。就殘留延度比而言，老化對所用生物瀝青改性瀝青結(jié)合料有有利影響，提高材料相對塑性，這種影響在短期與長期老化時效果均相當顯著。

3.4針入度指數(shù)變化

針入度指數(shù)反映瀝青的溫度敏感性，針入度指數(shù)越大感溫性越小，反之越大。針入度指數(shù)的計算方法有多種，本文采用針入度指數(shù)的提出者Pfeiffer和van Doormaal給出的計算方法[15]，即公式(1)、式(2)：

(1)

其中：

(2)

式中：PI為針入度指數(shù)，無量綱；P為針入度，0.1 mm；Tp為針入度試驗溫度，℃；TRB為軟化點，℃。公式(1)、式(2)的優(yōu)點是針入度指數(shù)的計算只需要常規(guī)條件下的針入度及軟化點，無需測試多個溫度下的針入度。生物瀝青改性瀝青老化前后針入度指數(shù)計算結(jié)果也見表2。

為了量化老化的影響，本文采用兩個針入度指數(shù)變化評價生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的老化性能，即短期針入度指數(shù)變化DPI(RTFO)與長期針入度指數(shù)變化DPI(PAV)。DPI(RTFO)定義為RTFO后針入度指數(shù)與原狀針入度指數(shù)的差值，DPI(PAV)定義為PAV后針入度指數(shù)與原狀針入度指數(shù)的差值。針入度指數(shù)變化反映老化對針入度指數(shù)的影響，針入度指數(shù)變化絕對值越大影響越大，反之越??；正值有利，反之不利。圖4為改性瀝青結(jié)合料針入度指數(shù)變化與生物瀝青含量的關系。

圖4　改性瀝青針入度指數(shù)變化與生物瀝青含量的關系Figure 4　Penetration index change of modified asphalt 　　　binder versus bioasphalt content

由圖4可見：改性瀝青結(jié)合料的短期老化針入度指數(shù)變化DPI(RTFO)與長期老化針入度指數(shù)變化DPI(PAV)均基本隨著生物瀝青的含量增加而提高。當生物瀝青的含量從0增加到30%時，短期老化針入度指數(shù)變化DPI(RTFO)從0.05到1.15，提高了1.1，長期老化針入度指數(shù)變化DPI(PAV)從0.09到1.30，提高了1.21。就針入度指數(shù)變化而言，老化對所用生物瀝青改性瀝青結(jié)合料有有利影響，降低材料溫度敏感性，這種影響在短期與長期老化時均較為顯著。

4結(jié)語

本文通過實驗室實驗，以蓖麻油下腳油制備的生物瀝青作為改性劑，將生物瀝青以0～30%的比例加入基質(zhì)石油瀝青，探討RTFO短期與PAV長期老化對生物瀝青改性瀝青結(jié)合料使用性能的影響。試驗結(jié)果與結(jié)果分析顯示：

① 老化降低生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的殘留針入度比，降低材料相對稠度，這種影響在短期老化時較為顯著，長期老化時可以忽略。

② 老化可以提高生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的軟化點，提高材料高溫穩(wěn)定性，這種影響在短期老化時較為顯著，長期老化時更加顯著。

③ 老化可以提高生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的殘留延度比，提高材料相對塑性，這種影響在短期與長期老化時效果均相當顯著。

④ 老化可以提高生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的針入度指數(shù)，降低材料溫度敏感性，這種影響在短期與長期老化時均較為顯著。

⑤ 雖然生物瀝青對改性瀝青結(jié)合料的各項技術(shù)指標有不同的影響，但對老化前后性能的比較沒有大的不良影響．在這個意義上，生物瀝青改性瀝青結(jié)合料具有良好的抗老化性能。

[參考文獻]

[1]曹衛(wèi)東，張曉波，戚新龍，等．生物瀝青的研究進展[J].石油瀝青，2014，28(5)：1-5.

[2]汪海年，高俊鋒，尤占平，等．路用生物瀝青研究進展[J].武漢理工大學學報，2014，36(7)：55-60.

[3]馬峰，任欣，傅珍．美國生物瀝青混合料路用性能的研究與應用[J].公路，2015(3).

[4]Fini E H，Kalberer E W，Shahbazi A，et al．Chemical Characterization of Biobinder from Swine Manure：Sustainable Modifier for Asphalt Binder[J]．Journal of Materials in Civil Engineering，2011，23(11)：1506-1513．

[5]Wen H，Bhusal S，Wen B．Laboratory Evaluation of Waste Cooking Oil-based Bioasphalt as an Alternative Binder for Hot Mix Asphalt[J]．Journal of Materials in Civil Engineering，2013，25(10)：1432-1437．

[6]Yang X，You Z，Dai Q．Performance Evaluation of Asphalt Binder Modified by Biooil Generated from Waste Wood Resources[J]．International Journal of Pavement Research and Technology，2013，6(4)：431-439．

[7]Yang X，You Z，Dai Q，et al．Mechanical Performance of Asphalt Mixtures Modified by Biooils Derived from Waste Wood Resources[J]．Construction and Building Materials，2014，51(2)：424-431．

[8]Mills-Beale J，You Z，F(xiàn)ini E，et al．Aging Influence on Rheology Properties of Petroleum-Based Asphalt Modified with Biobinder[J]．Journal of Materials in Civil Engineering，2014，26(2)：358-366．

[9]廖曉鋒，雷茂錦，陳忠達，等．生物結(jié)合料共混瀝青的路用性能試驗研究[J]．材料導報B：研究篇，2014，28(1)：144-149.

[10]周南陽，葛嵐，周宇弘，等．植物瀝青在道路工程中的應用研究[J].公路與汽運，2012(6)：97-101.

[11]汪海年，高俊鋒，趙欣，等．基于DSR和RV的生物瀝青結(jié)合料流變特性研究[J].湖南大學學報：自然科學版，2015，42(6)：26-33．

[12]JTG E20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].

[13]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[14]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001：200-212．

[15]Pfeiffer J Ph，van Doormaal P M．The Rheological Properties of Asphaltic Bitumens[J]．Journal of the Institute of Petroleum，1936，22：414-440.

Aging Effects on Performance of Asphalt Binder Modified with Bioasphalt

ZENG Menglan， PAN Haozhi， TIAN Zhen， ZHU Yangui

(College of Civil Engineering， Hunan University， Changsha， Hunan 410082， China)

[Abstract]Laboratory tests were carried out to investigate effects of aging on the performance of asphalt binder modified with bioasphalt.Analyses indicate that aging decreases retained penetration of the binder；and the effect is significant in short term aging but negligible in long term aging.Aging increases softening point of the binder；and the effect is significant in both short and long term agings.Aging increases retained ductility of the binder；and the effect is very significant in short and long term agings.Aging increases penetration index of the binder；and the effect is significant in both short and long term agings.In general，bioasphalt has little adverse influence on comparison between properties before and after aging of the binder；and in this sense，the asphalt binder modified with bioasphalt possesses satisfactory aging resistance.

[Key words]road engineering； modified asphalt； bioasphalt； performance； aging effect

[中圖分類號]U 414.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674—0610(2016)02—0028—05

[作者簡介]曾夢瀾(1954—)，男，湖南漢壽人， 博士，教授，博士生導師，主要從事道路工程研究。

[基金項目]湖南省交通運輸廳科技進步與創(chuàng)新計劃項目(201110)

[收稿日期]2016—01—22