李軍發(fā)

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

石油資源與生物資源都是從生物質(zhì)原料中產(chǎn)生，兩種資源的性能存在很多相似性，且生物資源具有清潔環(huán)保及可再生等優(yōu)點(diǎn)。用生物資源替代石油資源不僅在技術(shù)上可行，而且符合可持續(xù)發(fā)展的要求[1-2]。生物油的來(lái)源大體可以分為兩類，一類是農(nóng)業(yè)或森林生產(chǎn)的廢棄物，如玉米秸稈、廢舊橡膠木、樹皮；一類是動(dòng)物的殘留物，如豬、牛糞、廢棄動(dòng)物油脂[3]。使用生物瀝青混合料鋪筑道路的面層，能夠降低道路成本、緩解石油資源日漸枯竭的壓力，但是由于生物瀝青自身性能的不足，導(dǎo)致其混合料強(qiáng)度低、高溫性能不足、水損害嚴(yán)重，這些使用缺點(diǎn)很大程度地限制了生物瀝青的推廣應(yīng)用。當(dāng)前使用水泥替代部分或全部礦粉是減小水損害、提高瀝青與集料黏附性的主要方法之一，也是國(guó)際公認(rèn)的最有效方法。21世紀(jì)以來(lái)，各國(guó)瀝青路面工程師和研究人員一直在研究生物油替代石油瀝青的可行性。Brian Hill通過(guò)對(duì)生物改性瀝青混合料進(jìn)行了深入的探討，論證了以木材、芒刺和玉米秸稈為基礎(chǔ)的生物油替代石油瀝青的可行性[4]。Daquan Sun利用廢棄食用油渣制備出的生物瀝青，并對(duì)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)黏度（RV）試驗(yàn)，結(jié)果表明此生物瀝青的最佳黏度在70號(hào)基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青之間[5]。Menglan Zeng等通過(guò)試驗(yàn)得出，在一定溫度下，隨著生物瀝青含量的增加，改性瀝青的滲透力會(huì)大大增加，軟化點(diǎn)也會(huì)有輕微的下降，說(shuō)明生物瀝青具有促進(jìn)軟化、提高溫度敏感性的作用[6]。Xu Yang等通過(guò)傅里葉變換紅外光譜（FTIR）試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著生物瀝青的摻加，改性生物瀝青會(huì)產(chǎn)生一些特殊的化學(xué)成分，進(jìn)而提高了生物瀝青混合料的低溫性能[7]。鄭曉光等探究了水泥填料對(duì)瀝青混合料性能影響，研究表明摻加水泥使瀝青混合料的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性都有了明顯提高，而對(duì)瀝青混合料的抗裂性尤其是低溫抗裂性影響不大[8]。杜少文等探究了水泥對(duì)乳化瀝青混合料的影響，研究表明隨著水泥摻量的增加，乳化瀝青混合料的力學(xué)性能和路用性能明顯提高，提高了乳化瀝青混合料的使用性能[9]。蔣應(yīng)軍、韓占闖等研究了水泥對(duì)冷再生混合料路用性能的影響，結(jié)果表明合理地改變水泥摻量可顯著提升冷再生混合料的路用性能[10]。馮璐研究了不同水泥摻量下乳化瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、低溫性能和疲勞性能的影響，研究表明冷再生混合料的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性隨水泥用量的增加而提高，而混合料低溫抗裂性能和疲勞性能隨水泥摻量的增加呈先增加后減小的趨勢(shì)[11]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者大都聚焦改性生物瀝青性能方面的研究，很少對(duì)改性生物瀝青混合料進(jìn)行研究，也沒(méi)有明確生物瀝青的最佳摻量，且改性生物瀝青混合料的高溫性能不足一直是其難以推廣應(yīng)用的原因[12]。因此，本文基于改性生物瀝青綜合性能最優(yōu)為原則，研究改性生物瀝青中生物油的最佳摻量，同時(shí)，研究了水泥摻量對(duì)生物瀝青混合料路用性能的影響。

1 原材料及改性生物橡膠瀝青制備

1.1 原材料與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

1.1.1 橡膠瀝青

采用韓國(guó)雙龍（S-OIL牌）A級(jí)70號(hào)道路石油瀝青與40目膠粉自制橡膠瀝青。先將瀝青與摻量為20%的膠粉，在180℃下高速（5 000 r/min）攪拌1 h，并在180℃下發(fā)育2 h后，即制得橡膠瀝青，其試驗(yàn)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)表1。

表1 橡膠瀝青基本性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

1.1.2 生物瀝青

生物瀝青由渭南瑞源生物科技有限責(zé)任公司提供。生物瀝青是在305℃、10.3 MPa和80 min的條件下，將牲畜糞便快速熱裂解，并提煉而成。

1.1.3 礦料

本文所用的粗、細(xì)集料均為山西神池縣石灰?guī)r，礦粉為石灰?guī)r礦粉，每檔集料技術(shù)指標(biāo)均滿足要求。

1.1.4 水泥

水泥由禮泉海螺水泥有限責(zé)任公司提供，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 水泥基本技術(shù)指標(biāo)

1.2 改性生物橡膠瀝青的制備

因?yàn)樯镉途哂刑烊坏姆肿訕O性，與橡膠粉具有較強(qiáng)的相互作用，所以能較好地與橡膠瀝青相容。首先通過(guò)一個(gè)橫向連接的振動(dòng)鉆裝置將一定摻量的生物油與橡膠瀝青混合在一起，然后在銀石剪切機(jī)中以速率為2 000 r/min，溫度為135℃的條件剪切1 h，在此條件下保持一定的時(shí)間以促進(jìn)生物油和橡膠之間的相互作用。待剪切完成后將其放入攪拌器中，攪拌45 min左右，設(shè)置攪拌溫度為155℃～165℃，設(shè)置攪拌速率為400～600 r/min，攪拌完成后，澆筑瀝青模具。

2 生物瀝青摻量對(duì)瀝青膠漿性能影響

根據(jù)改性生物橡膠瀝青流變特質(zhì)，本文采用瀝青三大指標(biāo)、DSR試驗(yàn)、BBR試驗(yàn)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

2.1 生物瀝青摻量對(duì)三大指標(biāo)的影響

改性生物瀝青三大指標(biāo)隨生物瀝青摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）改變的影響見(jiàn)圖1。

圖1 不同生物瀝青摻量對(duì)改性生物橡膠瀝青三大指標(biāo)的影響

由圖1可知，瀝青針入度、延度隨生物瀝青摻量的增加而逐漸增加，軟化點(diǎn)則隨其摻量增加而逐漸降低，且老化前、后瀝青性能指標(biāo)變化趨勢(shì)基本一致，因此，得出生物瀝青的摻入可明顯改變橡膠瀝青的黏稠度，增大橡膠瀝青的可塑性。這是因?yàn)榕c常規(guī)瀝青相比，生物瀝青含水量較高、含氧量大、具有良好的流動(dòng)性，與橡膠瀝青結(jié)合后，使其黏度降低，針入度變大。

當(dāng)生物瀝青摻量增加到12%～16%時(shí)，針入度及延度的變化趨勢(shì)最大，摻量16%以后，針入度變化趨勢(shì)變緩，軟化點(diǎn)降低趨勢(shì)越來(lái)越大。說(shuō)明合理?yè)搅康纳餅r青可降低橡膠瀝青的黏稠度、提高其流動(dòng)性，生物瀝青超過(guò)一定量后，會(huì)降低瀝青的高溫穩(wěn)定性。

2.2 生物瀝青摻量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

DSR試驗(yàn)是通過(guò)測(cè)定瀝青的黏彈性性質(zhì)，也就是通過(guò)兩個(gè)指標(biāo)來(lái)反映瀝青性能：用疲勞因子G*·sinδ來(lái)反映材料耐疲勞性能，其值越小，說(shuō)明材料抗疲勞能力越強(qiáng)。用車轍因子G*／sinδ來(lái)評(píng)價(jià)高溫穩(wěn)定性，物理意義是損失剪切柔量的倒數(shù)，數(shù)值越大則損失剪切柔量越小，彈性成分越多，抗車轍能力越強(qiáng)[13]。

動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)（DSR）以固定速率10 rad/s進(jìn)行，考慮到夏季路面溫度，本文選擇70℃作為車轍因子試驗(yàn)溫度，疲勞因子試驗(yàn)溫度設(shè)定為25℃，DSR試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同生物瀝青摻量下改性生物橡膠瀝青DSR測(cè)試結(jié)果

由圖2可知，改性生物橡膠瀝青的車轍因子及疲勞因子隨生物瀝青的摻入均有所降低。這是由于生物瀝青富含大量的氧元素，使得生物油的穩(wěn)定性比石油差很多，與橡膠瀝青混合后，導(dǎo)致其強(qiáng)度下降，故而改性生物橡膠瀝青的抗車轍性能有所降低。當(dāng)生物瀝青摻量超過(guò)16%時(shí)，車轍因子下降的更加明顯，而疲勞因子降速變緩。這是因?yàn)檫^(guò)多摻量的生物瀝青加快了橡膠瀝青G*的降低趨勢(shì)，進(jìn)而明顯加速降低了改性生物橡膠瀝青的抗車轍性能；當(dāng)生物瀝青摻入量超過(guò)一定比例時(shí)，疲勞因子降速變緩，說(shuō)明生物瀝青不會(huì)一直改善橡膠瀝青的抗疲勞性能，生物瀝青存在最佳用量。

綜上通過(guò)分析生物瀝青摻量對(duì)抗車轍性能及疲勞性能的改善情況，可知生物瀝青最佳摻量不宜超過(guò)16%。

2.3 生物瀝青摻量對(duì)BBR試驗(yàn)結(jié)果的影響

BBR試驗(yàn)是美國(guó)重大公路研究項(xiàng)目成果之一，是用來(lái)測(cè)試分析瀝青材料低溫性能的試驗(yàn)方法。對(duì)測(cè)試結(jié)果彎曲勁度模量S、蠕變速率m進(jìn)行分析，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青混合料低溫性能的評(píng)價(jià)。該研究成果表明，彎曲勁度模量S的大小體現(xiàn)了瀝青結(jié)合料的荷載抵抗能力，S越大，其脆性越大，路面開(kāi)裂也更容易發(fā)生；蠕變速率m的大小則表征了瀝青的低溫應(yīng)力抗積累能力，m值越大瀝青結(jié)合料的低溫抗裂性能越好[14]。本文選定試驗(yàn)溫度為-12℃。通過(guò)氣動(dòng)加載方式對(duì)試樣進(jìn)行加載。改性生物橡膠瀝青彎曲勁度模量S以及蠕變速率m試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同生物瀝青摻量下改性生物橡膠瀝青BBR測(cè)試結(jié)果

由圖3可知，改性生物橡膠瀝青的S值隨生物瀝青摻量的增加而減小，當(dāng)生物瀝青摻量超過(guò)一定量后，S值下降趨勢(shì)明顯變緩；改性生物橡膠瀝青的m值隨生物瀝青摻量的增加而增大，當(dāng)生物瀝青摻量超過(guò)一定量后，S值上升趨勢(shì)明顯變緩，且S、m值隨生物瀝青摻量變化的拐點(diǎn)同為16%。這表明橡膠瀝青的硬度變小，彈性形變能力增強(qiáng)都與生物瀝青的摻入有關(guān)，生物瀝青的摻入有效地降低了低溫條件下路面溫縮應(yīng)力的聚集，進(jìn)而低溫抗裂性能得到提高。同時(shí)，由圖3摻量16%的拐點(diǎn)可知，當(dāng)生物瀝青的摻加達(dá)到一定量時(shí)，對(duì)改性生物橡膠瀝青低溫抗裂性能的提升并不顯著。

綜上可知，生物瀝青的最佳摻量為16%。

3 水泥摻量對(duì)混合料路用性能影響

試驗(yàn)級(jí)配采用瀝青路面最常用的AC-16懸浮密實(shí)型級(jí)配（見(jiàn)表3），改性生物橡膠瀝青中生物瀝青摻量為16%，水泥摻量（占瀝青混合料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）設(shè)定為0、2%、4%以及6%。

表3 AC-16混合料級(jí)配

3.1 高溫性能

60℃條件下，對(duì)不同水泥摻量的瀝青混合料進(jìn)行高溫抗車轍試驗(yàn)，分析不同水泥用量下對(duì)改性生物橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表4試驗(yàn)結(jié)果可看出，水泥劑量的摻入可大大提高改性生物橡膠瀝青混合料的高溫性能，當(dāng)水泥摻量為2%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度得到明顯的提高，遠(yuǎn)高于瀝青混合料規(guī)范要求，并且混合料高溫性能隨水泥劑量的增加而提高，說(shuō)明水泥可顯著提升改性生物橡膠瀝青混合料的抗車轍性能。這主要是因?yàn)闉r青呈弱酸性（含有少量亞砜與羧酸），瀝青混合料中均勻分布的水泥顆粒與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，相互交織形成的水泥瀝青膠漿，可以較大程度地降低瀝青的感溫性，從而促使瀝青混合料在高溫狀態(tài)下的勁度模量值減小程度變低，使其在車輛荷載作用下形變量減小，故而提升改性生物橡膠瀝青混合料抗車轍性能。很好地彌補(bǔ)了改性生物瀝青混合料高溫性能不足的問(wèn)題。

水泥摻量并不是越多越好，當(dāng)水泥摻量超過(guò)4%后，水泥劑量對(duì)混合料抗車轍性能的提升效果明顯降低，故推薦水泥摻量為3%～4%。

3.2 低溫性能

進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-10℃，分析不同水泥摻量對(duì)瀝青混合料低溫性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 低溫小梁彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表5試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)水泥摻量為0%～4%時(shí)，隨著水泥摻量的增加，瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度變化不明顯；當(dāng)水泥摻量為4%～6%時(shí)，瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度略有降低，因此可得水泥對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性能影響并不明顯，可以用部分水泥或全部替代礦粉，考慮到水泥材料的經(jīng)濟(jì)性及對(duì)其他路用性能的影響，建議水泥摻量為3%～4%。

3.3 水穩(wěn)定性能

進(jìn)行凍融劈裂實(shí)驗(yàn)，分析不同水泥摻量對(duì)AC-16瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 凍融劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表6試驗(yàn)結(jié)果可知，雖然凍融循環(huán)前的劈裂強(qiáng)度變化不大，但凍融劈裂強(qiáng)度比（TSR）隨著水泥摻量的增加而顯著提高，因此摻加水泥能顯著提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。其原因是由于瀝青呈弱酸性（含有少量亞砜與羧酸），而水泥為堿性材料，水泥與瀝青接觸會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成的化合物具有較強(qiáng)的吸附性，進(jìn)而增大了膠漿與集料的黏結(jié)力。由此也就提高了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

a）生物瀝青能改善橡膠瀝青的各項(xiàng)性能，降低了橡膠瀝青的黏度，顯著地提升了橡膠瀝青的低溫抗裂性和抗疲勞性能，當(dāng)生物瀝青摻量為16%時(shí)，改性生物橡膠瀝青綜合性能最優(yōu)。

b）摻加水泥可以顯著提升生物瀝青混合料的抗車轍性能而對(duì)其低溫抗裂性能無(wú)顯著影響，很好地彌補(bǔ)了改性生物瀝青混合料高溫性能不足的問(wèn)題。

c）合理?yè)搅康乃嗫梢蕴嵘秊r青膠漿的黏附作用，進(jìn)而有利于提升改性生物瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

d）全面分析水泥摻量對(duì)瀝青混合料路用性能的影響，推薦水泥摻量為3%～4%。