高俊鋒 汪海年 尤占平，2 陳曦 姜鑫

(1.長安大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室， 陜西 西安 710064；2.密歇根理工大學(xué) 土木工程與環(huán)境學(xué)院， 美國 霍頓 49931)

石油資源的日益減少和瀝青材料的不斷消耗，使得我國高等級公路的可持續(xù)發(fā)展受到制約，尋求石油瀝青的可替代材料成為國內(nèi)外道路工程領(lǐng)域的迫切需要.生物質(zhì)材料具有環(huán)?？稍偕?、分布區(qū)域廣等特點，通過快速熱裂解，從中可提煉出生物質(zhì)重油[1]，將生物質(zhì)重油與石油瀝青進行混溶，并適當(dāng)添加外摻劑制備成生物瀝青，以此來改性或者替代石油瀝青，成為了目前道路工程領(lǐng)域研究的新方向.

國外學(xué)者對生物瀝青進行了廣泛研究.Mills-Beale等[2]研究了生物質(zhì)重油熱裂解的條件及生物瀝青的短期老化行為.Onochie等[3]采用動態(tài)剪切流變儀對添加納米粘土和納米二氧化硅的生物瀝青的復(fù)數(shù)模量進行了研究，發(fā)現(xiàn)納米粘土的加入可以提高生物瀝青的高溫性能.Fini等[4- 5]采用動態(tài)剪切流變儀和布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀對添加1.5%多聚磷酸的生物瀝青的高溫性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)多聚磷酸的加入使得生物瀝青的高溫性能提高，他們還對由豬糞提煉出的生物質(zhì)重油加入石油瀝青制備而成的生物瀝青的表面特性和老化特性進行了研究[6].Raouf等[7]對添加低密度聚乙烯的生物瀝青的高溫性能、溫度敏感性進行了研究，發(fā)現(xiàn)低密度聚乙烯的加入可以改善生物瀝青的高溫性能.Yang等[8]采用動態(tài)剪切流變儀，以復(fù)數(shù)模量為指標(biāo)，分別研究了以橡木木屑、柳杉木屑等為原材料制備而成的不同生物瀝青的高溫流變行為.國內(nèi)學(xué)者在此方面也開展了研究.汪海年等[9]采用布氏旋轉(zhuǎn)黏度儀對生物瀝青的黏度等進行了探究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度不高于135 ℃時，生物質(zhì)重油摻量的增加會引起生物瀝青黏度的增大.何敏等[10]對改性生物瀝青的針入度、軟化點和延度等常規(guī)指標(biāo)進行了研究，發(fā)現(xiàn)生物瀝青與改性瀝青混合后，其軟化點降低，高溫性能受到影響.曾夢瀾等[11]通過研究老化前后針入度比、軟化點和殘留延度比等常規(guī)指標(biāo)，探討了老化對生物瀝青結(jié)合料的影響.總體來看，目前國內(nèi)外多采用針入度、軟化點等常規(guī)指標(biāo)和復(fù)數(shù)模量、黏度等早期SHRP計劃推出的指標(biāo)對生物瀝青結(jié)合料的高溫性能進行研究，鮮見對生物瀝青的高溫性能進行較為系統(tǒng)的表征與評價.

文中基于高溫分級試驗和多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗，研究了生物質(zhì)重油摻量和溫度的變化對生物瀝青的PG高溫分級、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?、蠕變恢?fù)率和應(yīng)力敏感性的影響，同時采用車轍試驗對生物瀝青混合料的高溫性能進行了驗證，以期為生物瀝青高溫性能的評價及進一步研究奠定基礎(chǔ).

1 材料與試驗

1.1 試驗材料

選取中國石化茂名石化公司產(chǎn)50#基質(zhì)瀝青，湖南岳化化工股份有限公司產(chǎn)1301- 1線型苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(SBS)改性劑和山東泰然集團生產(chǎn)的生物質(zhì)重油，在實驗室制備出生物瀝青.其中：生物質(zhì)重油在常溫下為黑褐色膏狀，顏色和形態(tài)與石油瀝青有較多相似，其元素組成和理化性質(zhì)如表1所示；SBS摻量為基質(zhì)瀝青的1%(文中所有摻量均以質(zhì)量分數(shù)計)，在摻入SBS后，以內(nèi)摻法分別向其中摻入5%、10%、15%和20%的生物質(zhì)重油，分別命名為S105、S110、S115和S120，僅摻入1% SBS的瀝青命名為S100.

表1 生物質(zhì)重油的元素組成和理化性質(zhì)1)

1.2 生物瀝青的制備

生物瀝青的制備方法如下：將基質(zhì)瀝青加熱至180 ℃；向其中加入SBS改性劑，保持這一溫度，以500 r/min的速率攪拌5 min，然后用高速剪切乳化機剪切10 min；加入不同摻量的生物質(zhì)重油，保持溫度在140～145 ℃之間，以3 000 r/min的速率剪切20 min，制得生物瀝青.制得的生物瀝青和基質(zhì)瀝青的基本性能如表2所示.

1.3 試驗方法

1.3.1 高溫分級試驗

表2 生物瀝青和基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)

采用美國TA公司生產(chǎn)的DHR- 1型動態(tài)剪切流變儀對RTFO短期老化前后的瀝青試樣進行車轍因子G*/sinδ(G*為瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量，δ為瀝青的相位角)的測試.測試過程中，平行板直徑為25 mm，間距為1 mm，試驗溫度為52～82 ℃，間隔為6 ℃.以RTFO短期老化前后瀝青車轍因子G*/sinδ分別不小于1.0和2.2 kPa這一條件來表征瀝青的抗車轍性能，確定瀝青的高溫等級.針對不同的瀝青處于同一個等級的情況，Sam等[12]提出了綜合等車轍因子臨界溫度的概念，從RTFO短期老化前后瀝青的車轍因子為1.1和2.2 kPa時所對應(yīng)的溫度中，選取其中較小的一個作為綜合等車轍因子臨界溫度，用TG*/sinδ表示.同一等級的瀝青，TG*/sinδ越大，高溫性能越好.

1.3.2 多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗

多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗(MSCR)是為了解決原有評價體系對改性瀝青不適用的問題而開發(fā)的試驗方法[13].該試驗所用的瀝青試件由經(jīng)過RTFO短期老化試驗后的瀝青制得.文中采用的儀器和平行板要求與高溫分級試驗相同.MSCR的具體過程為：選用0.1和3.2 kPa兩個應(yīng)力水平進行連續(xù)測試，每個應(yīng)力水平進行10個周期，每個周期持續(xù)時間為10 s，分為1 s的加載蠕變階段和9 s的卸載恢復(fù)階段，試驗持續(xù)總時間為200 s.設(shè)備自動采集每個蠕變恢復(fù)周期內(nèi)的應(yīng)變數(shù)據(jù).根據(jù)式(1)和(2)分別計算每個蠕變恢復(fù)周期內(nèi)生物瀝青的蠕變恢復(fù)率(R)和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?Jnr).

(1)

(2)

將0.1和3.2 kPa兩個應(yīng)力水平下10個蠕變恢復(fù)周期內(nèi)的生物瀝青蠕變恢復(fù)率平均值分別表示為R0.1和R3.2，將周期內(nèi)的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃科骄捣謩e表示為Jnr0.1和Jnr3.2.生物瀝青蠕變恢復(fù)率和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃康膽?yīng)力敏感性指標(biāo)Rdiff和Jnr- diff根據(jù)式(3)和(4)計算而得：

(3)

(4)

1.3.3 高溫車轍試驗

通過高溫車轍試驗對基質(zhì)瀝青和生物瀝青混合料的高溫性能進行測試.以60 min的轍槽深度(總變形量)和動穩(wěn)定度作為評價瀝青混合料高溫性能的指標(biāo)，具體操作按照JTG 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的相應(yīng)要求進行.

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫分級試驗結(jié)果分析

通過動態(tài)剪切流變儀對瀝青進行溫度掃描試驗，分別得出基質(zhì)瀝青和生物瀝青的復(fù)數(shù)模量、相位角和車轍因子G*/sinδ，并通過計算得到綜合等車轍因子臨界溫度TG*/sin δ.不同溫度和生物質(zhì)重油摻量下，RTFO短期老化前后的試驗結(jié)果見表3.

表3 RTFO短期老化前后瀝青的高溫分級

瀝青作為黏彈性材料，其復(fù)數(shù)模量和相位角隨溫度的變化均會發(fā)生相應(yīng)的變化.隨著溫度的升高，其車轍因子也呈下降趨勢.而車轍因子越大，瀝青的抗車轍變形能力越強.由表3可以看出：①在同一溫度下，RTFO短期老化后，瀝青的車轍因子較原樣瀝青的車轍因子均有不同程度的增加；②根據(jù)RTFO短期老化前后PG高溫分級的要求，不同生物質(zhì)重油摻量制備而成的生物瀝青，其高溫等級確定為70，因我國夏季炎熱時的高溫范圍大部分在40～70 ℃之間，所以該高溫等級能夠滿足高溫性能的需求；③根據(jù)PG高溫分級難以區(qū)分不同類型瀝青的高溫性能，根據(jù)綜合等車轍因子臨界溫度TG*/sin δ則可有較好的效果，文中RTFO短期老化前瀝青的車轍因子為1.1 kPa時所對應(yīng)的溫度均小于RTFO短期老化后車轍因子為2.2 kPa時所對應(yīng)的溫度，故綜合等車轍因子臨界溫度選取時所依據(jù)的溫度為前者；④綜合等車轍因子臨界溫度能夠較好地對生物瀝青的原樣瀝青進行等級劃分，且區(qū)分效果明顯.從表1還可看出：與摻入1% SBS的瀝青相比，不同生物質(zhì)重油摻量的生物瀝青的TG*/sin δ均降低；生物質(zhì)重油摻量小于20%時，隨著生物質(zhì)重油摻量的增加，TG*/sin δ呈下降趨勢，摻量為15%時的降幅達4.4%.這表明，生物質(zhì)重油的摻入在一定程度上降低了原樣瀝青的高溫性能，但幅度不大.

2.2 MSCR試驗結(jié)果分析

2.2.1 恢復(fù)率和蠕變?nèi)崃糠治?/p>

通過MSCR試驗，測得在0.1和3.2 kPa應(yīng)力水平下，不同溫度t、不同生物質(zhì)重油摻量時生物瀝青的蠕變恢復(fù)率和不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?，具體結(jié)果如圖1和2所示.

由圖1可知：①隨著溫度的增加，瀝青的蠕變恢復(fù)率逐漸降低，表明溫度的升高改變了瀝青的黏彈性組成比例，瀝青的黏性成分隨之增多，彈性成分隨之減少，高溫抗變形能力和變形恢復(fù)能力降低；②生物瀝青的蠕變恢復(fù)率較基質(zhì)瀝青和S100瀝青大，且隨著生物質(zhì)重油摻量的增加，蠕變恢復(fù)率呈增大趨勢，說明生物質(zhì)重油的摻入能夠在一定程度上增加老化后瀝青的抗車轍能力，但是，生物質(zhì)重油摻入后，高溫下生物瀝青的老化作用可能會對抗車轍能力產(chǎn)生一定的影響[2]；③溫度為76 ℃時，50#瀝青的蠕變恢復(fù)率為負值，這表明較高溫度下瀝青的黏性特征更為明顯，彈性特征基本消失，在加載后很難恢復(fù)原來的形變，抗變形能力也基本上不復(fù)存在；④對于同一瀝青，當(dāng)應(yīng)力從0.1 kPa增大到3.2 kPa時，其蠕變恢復(fù)率減小，這與實際道路上較大的輪胎壓力易產(chǎn)生較深的車轍一致.

圖1 不同溫度和摻量下生物瀝青的蠕變恢復(fù)率

由圖2可知：①隨著溫度的升高，瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐饾u增大，且生物瀝青和基質(zhì)瀝青蠕變?nèi)崃恐g的差值也逐漸增大，表明溫度對不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃坑休^大的影響；②生物質(zhì)重油的摻入使得生物瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃繙p小，且生物質(zhì)重油摻量在10%、15%和20%時，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃炕疽恢?，表明生物瀝青抗永久變形的能力有所增加.

圖2 不同溫度和摻量下生物瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?/p>

2.2.2 應(yīng)力敏感性分析

結(jié)合一般情況下的路面溫度，選取64和70 ℃兩個溫度點來計算瀝青的應(yīng)力敏感性指標(biāo)，結(jié)果如圖3所示.

圖3 應(yīng)力敏感性指標(biāo)隨生物質(zhì)重油摻量的變化

由圖3可以看出：生物瀝青的Rdiff和Jnr-diff隨著生物質(zhì)重油摻量的變化不呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律；當(dāng)生物質(zhì)重油摻量為10%時，Rdiff和Jnr-diff最小，表明該摻量下生物瀝青的不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃亢腿渥兓謴?fù)率的應(yīng)力敏感性較其他生物瀝青低；70 ℃時瀝青的Rdiff和Jnr-diff均較64 ℃時高，表明隨著溫度的升高，生物瀝青的應(yīng)力敏感性增大，非線性黏彈性也更為顯著.

2.2.3 基于MSCR試驗的高溫分級

一般情況下，瀝青路面在服役過程中的溫度并未達到相應(yīng)的PG高溫分級溫度，故該高溫等級下瀝青的性能評估不能真實反映瀝青在實際路面中的高溫性能表現(xiàn)[14].針對此不足，D’Angelo等[15]提出了基于MSCR試驗的高溫分級思想.根據(jù)Jnr3.2在路面實際服役溫度下的高溫性能分級情況，按照對應(yīng)的交通量情況，將其分為標(biāo)準(zhǔn)交通(S)、重交通(H)、超重交通(V)和極重交通(E)4個等級.表4為AASHTO MP 19高溫性能分級中對MSCR的試驗要求[16].

表4 AASHTO MP 19高溫性能分級中對MSCR試驗指標(biāo)要求

根據(jù)表4中的指標(biāo)要求，可以得出64和70 ℃下生物瀝青的高溫分級，分別見表5和6.

由表3和4可以看出：在64℃下，基質(zhì)瀝青被評為PG64H等級，S100和S105被評為PG64V等級，其余生物瀝青均被評為PG64E等級；在70 ℃下，基質(zhì)瀝青和S100被評為PG70S等級，生物瀝青均被評為PG70H等級.這表明，在相同的溫度下，生物質(zhì)重油的摻入能夠提高瀝青的高溫等級，64 ℃可作為低摻量生物瀝青高溫分級的基準(zhǔn)溫度，對高摻量生物瀝青的高溫分級基準(zhǔn)溫度有待進一步研究.

表5 64 ℃下瀝青的高溫性能分級

表6 70 ℃下瀝青的高溫性能分級

2.3 高溫車轍試驗結(jié)果分析

通過生物瀝青和基質(zhì)瀝青混合料的高溫車轍試驗，得出60 min轍槽深度和動穩(wěn)定度.不同瀝青類型的60 min轍槽深度和動穩(wěn)定度的試驗結(jié)果如圖4所示.

圖4 不同類型瀝青混合料的60 min轍槽深度和動穩(wěn)定度

由圖4可以看出，隨著生物質(zhì)重油摻量的增加，生物瀝青混合料的60 min轍槽深度逐漸增大，動穩(wěn)定度逐漸降低，這與生物瀝青結(jié)合料基本技術(shù)指標(biāo)的變化情況較為一致.此外，與基質(zhì)瀝青50#混合料的動穩(wěn)定度相比，生物瀝青S110、S115和S120混合料的動穩(wěn)定度分別降低了4.8%、17.7%和21.1%，但其指標(biāo)均可以滿足50#瀝青在其適用地區(qū)不小于1 000次/mm的規(guī)范要求.這表明，生物質(zhì)重油的加入使得生物瀝青混合料的高溫性能有一定程度的降低，但仍能夠滿足相應(yīng)的使用要求.

3 結(jié)論

文中通過高溫分級試驗和多應(yīng)力蠕變恢復(fù)試驗，對不同生物質(zhì)重油摻量和溫度下生物瀝青的PG高溫分級、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃?、蠕變恢?fù)率和應(yīng)力敏感性進行了研究，并采用車轍試驗對生物瀝青混合料高溫性能進行了驗證，得出以下結(jié)論.

(1)隨著生物質(zhì)重油摻量的增加，生物瀝青的原樣瀝青的高溫等級有所降低，但依舊能夠滿足高溫性能要求；綜合等車轍因子臨界溫度對生物瀝青的原樣瀝青能夠較好地劃分等級，且區(qū)分效果明顯.

(2)生物瀝青的蠕變恢復(fù)率較基質(zhì)瀝青和S100瀝青大，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃枯^基質(zhì)瀝青和S100瀝青?。簧镔|(zhì)重油摻量的加入能夠在一定程度上增加老化后瀝青的抗車轍能力；隨著溫度的升高，生物瀝青的蠕變恢復(fù)率逐漸減小，不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃恐饾u增大，溫度的升高降低了生物瀝青的抗變形能力.

(3)生物瀝青的應(yīng)力敏感性隨著生物質(zhì)重油摻量的變化不呈現(xiàn)明顯的規(guī)律，但生物質(zhì)重油摻量為10%時，生物瀝青應(yīng)力敏感性較基質(zhì)瀝青和其他摻量的生物瀝青低；生物瀝青的應(yīng)力敏感性隨溫度的升高而增大.

(4)生物質(zhì)重油的加入使得生物瀝青混合料的高溫性能有一定程度的降低，但仍能夠滿足規(guī)范中相應(yīng)的使用要求.

(5)基于AASHTO MP 19標(biāo)準(zhǔn)的高溫性能分級，可將64 ℃作為低摻量生物瀝青高溫分級的基準(zhǔn)溫度；對高摻量生物瀝青的高溫分級基準(zhǔn)溫度有待進一步研究.

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