祝文強(qiáng)，曾夢瀾，吳國榮，夏穎林

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江西 南昌 330022)

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，公路交通建設(shè)突飛猛進(jìn)，新增的公路建設(shè)和后期養(yǎng)護(hù)等工作需耗費(fèi)許多的石油瀝青。鑒于石油資源屬于不可更新資源且必將耗盡，故需探尋一種可再生黏結(jié)材料作為石油瀝青的替代品[1-2]。

生物瀝青作為一種由生物質(zhì)能源經(jīng)快速裂解技術(shù)得到的類似石油瀝青的可再生材料，引起國內(nèi)外專家的廣泛重視。Wen等研究了HMA生物瀝青混合料的路用性能。研究表明，生物瀝青的摻入改善了瀝青混合料的低溫抗裂性，但同時(shí)對混合料的動(dòng)態(tài)壓縮模量、抗車轍性能和抗疲勞性能均產(chǎn)生不利影響[3]。Hajj等采用生物瀝青為再生劑，制備了再生瀝青混合料。為研究生物瀝青的摻入對混合料路用性能產(chǎn)生的效應(yīng)，分別在瀝青混合料中摻入0%，15%，50%的RAP，利用動(dòng)態(tài)模量和TSRST試驗(yàn)分析評價(jià)了混合料的使用性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，生物瀝青的摻入顯著改善了RAP混合料的水穩(wěn)定性和低溫抗裂性[4]。石油瀝青低溫性能的提高得益于生物瀝青的加入，但同時(shí)降低了高溫穩(wěn)定性和抗老化性能，限制了生物瀝青加入的質(zhì)量比例，難以達(dá)到大幅縮減使用石油瀝青的目的[3-6]。因此研究如何提高生物瀝青的高溫穩(wěn)定性等性能，將成為生物瀝青得以運(yùn)用的關(guān)鍵。

巖瀝青是一種以固體形態(tài)存在于自然界中的瀝青類物質(zhì)，它形成于石油在巖石的縫隙中，歷經(jīng)溫度、壓力、氧化和細(xì)菌等因素長達(dá)億萬年的共同作用。Ameri等采用伊朗巖瀝青為改性劑，摻入4%，8%，12%的伊朗巖瀝青對PG64-22和PG58-22兩種基質(zhì)石油瀝青進(jìn)行改性，然后對其進(jìn)行PG分級。試驗(yàn)結(jié)果顯示，伊朗巖瀝青的加入能明顯提高石油瀝青的高溫性能，然而對低溫性能產(chǎn)生不利影響[7]。巖瀝青的路用性能優(yōu)良，但僅采用巖瀝青對瀝青進(jìn)行改性存在著一定局限性，巖瀝青改性降低了瀝青的低溫性能[7-11]。

生物瀝青作為一種生物質(zhì)能源，在替代石油瀝青方面具有很大的優(yōu)勢，但其在高溫性能方面的缺陷制約生物瀝青的進(jìn)一步使用；巖瀝青是一種高溫穩(wěn)定性良好的天然瀝青，具有優(yōu)良的路用性能，有望彌補(bǔ)生物瀝青的缺陷。本研究擬選用兩種改性效果互補(bǔ)的生物瀝青和巖瀝青作為改性劑對石油瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，制備復(fù)合改性劑摻量為0～60%的復(fù)合改性瀝青混合料，研究復(fù)合改性劑的摻入對瀝青混合料路用性能的影響，確定復(fù)合改性劑適宜的摻量范圍，對可再生鋪筑材料的研究具有重要的意義。

1 試驗(yàn)材料

1.1 原材料

(1)基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青采用A級70#石油瀝青，技術(shù)指標(biāo)[12]見表1。

表1 石油瀝青技術(shù)指標(biāo)

(2)生物瀝青

生物瀝青選用蓖麻油植物瀝青，是由蓖麻油經(jīng)一系列的生產(chǎn)工藝制備而成，外觀上與石油瀝青十分相似，常溫下是深色固體。

(3)巖瀝青

巖瀝青采用歐洲巖瀝青，由于國內(nèi)暫無歐洲巖瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，表2中列出了青川巖瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[13]。

表2 巖瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Technical criterion of rock-asphalt

本研究采用不同粒徑的石灰?guī)r作為粗細(xì)集料，粗、細(xì)集料依照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2015)[14]進(jìn)行試驗(yàn)檢測，得到的主要指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[12]的規(guī)定。

1.2 復(fù)合改性瀝青的制備

把巖瀝青依照設(shè)定的質(zhì)量百分比加入至石油瀝青中，然后倒入攪拌機(jī)中，在攪拌機(jī)中設(shè)置好參數(shù)，時(shí)間為30 min，溫度為155～165 ℃，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，攪拌完成后停止。接下來采用高速剪切機(jī)進(jìn)行剪切，時(shí)間為1 h，溫度為155～165 ℃，轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，剪切完成后停止。靜置一段時(shí)間，在瀝青的溫度下降至145 ℃時(shí)，摻入設(shè)定質(zhì)量的生物瀝青，時(shí)間為0.5 h，轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，攪拌完成后停止，至此制備完成。本研究的復(fù)合改性劑加入量分別占瀝青總質(zhì)量的0%，15%，30%，45%及60%。其中復(fù)合改性劑含量為0%的作為平行試驗(yàn)的對照組，制備過程完全相同。通過試驗(yàn)測得0%摻量的復(fù)合改性瀝青25度針入度為62.1/0.1 mm，以此針入度作為生物瀝青-巖瀝青復(fù)合改性瀝青制樣成功的標(biāo)準(zhǔn)，最終得到不同摻量復(fù)合改性劑時(shí)巖瀝青與生物瀝青摻配比例及針入度值見表3。

表3 巖瀝青與生物瀝青的摻配比例Tab.3 Blending ratio of rock-asphalt and bio-asphalt

2 混合料設(shè)計(jì)與使用性能試驗(yàn)

2.1 混合料設(shè)計(jì)

瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[12]進(jìn)行。選擇AC-20C的瀝青混合料進(jìn)行研究，表4顯示了該混合料的級配。在石油瀝青中分別加入5種不同質(zhì)量的復(fù)合改性劑制成復(fù)合改性瀝青結(jié)合料，集配選取AC-20C，制備復(fù)合改性瀝青混合料。

表4 AC-20C瀝青混合料級配Tab.4 Gradation of asphalt mixture AC-20C

為明確不同摻量復(fù)合改性瀝青混合料的拌和及壓實(shí)溫度，分別測得不同摻量復(fù)合改性瀝青135 ℃，150 ℃及175 ℃的黏度，并繪制了黏溫曲線，通過黏溫曲線得出了復(fù)合改性瀝青混合料的拌和及壓實(shí)溫度。在明確的拌和及壓實(shí)溫度下制作不同摻量的復(fù)合改性瀝青混合料相應(yīng)瀝青用量的馬歇爾試件。通過Marshall配合比設(shè)計(jì)方法并參考相關(guān)文獻(xiàn)確定了摻量為0%，15%，30%，45%和60%改性瀝青混合料的最佳瀝青用量依次為4.6%，4.7%，4.9%，5.1%和5.2%[15-16]。

2.2 混合料使用性能試驗(yàn)

在Marshall設(shè)計(jì)方法得出的最佳瀝青用量下，制備改性瀝青混合料及研究其路用性能。主要包括：高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性，試驗(yàn)依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)[17]的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 高溫穩(wěn)定性

在高溫條件下，瀝青混合料抵抗流動(dòng)變形的能力稱為高溫穩(wěn)定性，對于空氣的溫度達(dá)到25～30 ℃以上，瀝青路表面的溫度達(dá)到40～50 ℃以上，可以認(rèn)定為“高溫”[18]。夏季高溫時(shí)間長，在汽車荷載作用下容易發(fā)生車轍變形等瀝青路面病害。本研究采用實(shí)驗(yàn)室常用的車轍試驗(yàn)及Marshall穩(wěn)定度試驗(yàn)評價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

圖1 不同摻量復(fù)合改性AC-20C的Marshall試驗(yàn)指標(biāo)Fig.1 Marshall test indicators of co-modified AC-20C with different contents

圖2 不同摻量復(fù)合改性AC-20C的動(dòng)穩(wěn)定度Fig. 2 Dynamic stabilities of co-modified AC-20C with different contents

圖1顯示，隨著復(fù)合改性劑摻量的增大，復(fù)合改性瀝青混合料的穩(wěn)定度和Marshall模數(shù)先降低至谷值后逐漸增大，谷值對應(yīng)的摻量為最不利摻量，復(fù)合改性瀝青混合料的流值一直減小。復(fù)合改性劑摻量為15%，30%，45%和60%的復(fù)合改性瀝青混合料穩(wěn)定度分別是0%摻量瀝青混合料的76%，94%，107%和119%，當(dāng)摻量約為35%時(shí)，復(fù)合改性瀝青混合料的穩(wěn)定度與0%摻量瀝青混合料的水平相當(dāng)；復(fù)合改性劑摻量為15%，30%，45%和60%的復(fù)合改性瀝青混合料Marshall模數(shù)分別是對照組基質(zhì)瀝青混合料的79%，125%，176%和206%，當(dāng)摻量約為20%時(shí)，復(fù)合改性瀝青混合料的Marshall模數(shù)與對照組基質(zhì)瀝青混合料的水平相當(dāng)；摻量為15%，30%，45%和60%的復(fù)合改性瀝青混合料的流值分別比對照組基質(zhì)瀝青混合料降低了3.3%，25%，39%和42%。所述表明:復(fù)合改性劑摻量不超過最不利摻量時(shí)，其摻入將會(huì)降低瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，但下降幅度不大。然后隨著復(fù)合改性劑摻量的繼續(xù)增大，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性逐漸得到提高。

圖2顯示，隨著復(fù)合改性劑摻量的增大，復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度先降低至谷值后逐漸提高，谷值對應(yīng)的摻量為最不利摻量。復(fù)合改性劑摻量為15%，30%，45%和60%的復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度分別是0%摻量瀝青混合料的39%，112%，357%和640%，當(dāng)摻量約為25%時(shí)，復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與0%摻量瀝青混合料的水平相當(dāng)，且摻量越多，動(dòng)穩(wěn)定度提高速率越快。這表明復(fù)合改性劑摻量約為25%時(shí)，改性瀝青混合料的抗車轍能力與0%摻量瀝青混合料的水平基本相當(dāng)，當(dāng)復(fù)合改性劑摻量的繼續(xù)加大，混合料的抗車轍能力得到增強(qiáng)，且摻量越多，增強(qiáng)越顯著。

綜上所述，復(fù)合改性瀝青混合料的Marshall穩(wěn)定度、Marshall模數(shù)和動(dòng)穩(wěn)定度隨著復(fù)合改性劑摻量的增加均先降低至谷值后逐漸增加，且摻量越多增速越快，谷值對應(yīng)的摻量為最不利摻量。表明當(dāng)復(fù)合改性劑摻量超過最不利摻量時(shí)，復(fù)合改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到提升，且摻量越大，提升效果越明顯。這是由于生物瀝青與巖瀝青對瀝青混合料產(chǎn)生的不同影響，復(fù)合改性劑在最不利摻量范圍內(nèi)，生物瀝青降低了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，當(dāng)復(fù)合改性劑占比提高，巖瀝青的占比也逐步提高，復(fù)合改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到穩(wěn)步提高。

3.2 水穩(wěn)定性

瀝青混合料的水穩(wěn)定性是指瀝青結(jié)合料和集料形成黏附層后，在有水分侵蝕的情況下，混合料抵抗水分對瀝青結(jié)合料進(jìn)行置換而引起瀝青剝離的能力。采用水穩(wěn)定性不良的混合料鋪筑的路面常常會(huì)出現(xiàn)松散、掉?，F(xiàn)象，最終引起瀝青路面產(chǎn)生坑槽和推擠變形等病害[18]。擬進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來研究混合料的水穩(wěn)定性。

圖3顯示，摻入復(fù)合改性劑后，復(fù)合改性瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度明顯下降。采用1%消石灰代替部分礦粉后再進(jìn)行浸水Marshall試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3，對照組石油瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度為97.7%，分別加入了15%，30%，45%和60%復(fù)合改性劑的混合料浸水殘留穩(wěn)定度依次為85.1%，88.2%，91.4%和95.2%。圖中顯示，消石灰的使用可使復(fù)合改性瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度得到明顯提高，且均滿足瀝青混合料水穩(wěn)定性的檢驗(yàn)技術(shù)要求[12]。

圖3 不同摻量復(fù)合改性AC-20C的浸水殘留穩(wěn)定度Fig.3 Immersion residual stabilities of co-modified AC-20C with different contents

圖4顯示，摻入復(fù)合改性劑后，復(fù)合改性瀝青混合料的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比同樣迅速下降。采用1%消石灰代替部分礦粉后再進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4，加入了15%，30%，45%和60%復(fù)合改性劑的混合料凍融劈裂強(qiáng)度比從對照組石油瀝青混合料的96.0%依次下降至73.0%，75.9%，78.3%和80.3%。圖中顯示，摻入1%消石灰后，復(fù)合改性瀝青混合料的凍融劈裂殘留強(qiáng)度比明顯增強(qiáng)，復(fù)合改性劑摻量超過25%時(shí)，符合瀝青混合料施工技術(shù)規(guī)范中關(guān)于水穩(wěn)定性的規(guī)定[12]。

圖4 不同摻量復(fù)合改性AC-20C的凍融間接拉伸強(qiáng)度比Fig.4 Freeze-thaw indirect tensile strength ratios of co-modified AC-20C with different contents

綜上所述，復(fù)合改性瀝青混合料的浸水Marshall殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比相對于對照組基質(zhì)瀝青混合料的顯著降低，表明復(fù)合改性劑的摻入降低了瀝青混合料的水穩(wěn)定性。這是由于生物瀝青的水穩(wěn)定性較差，即使復(fù)合改性劑中巖瀝青對混合料的水穩(wěn)定性有正面影響，也難以消除生物瀝青對混合料的水穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響。以消石灰替代1%的礦粉，水穩(wěn)定性得到顯著提高，復(fù)合改性劑摻量超過25%時(shí)，符合瀝青混合料施工技術(shù)規(guī)范關(guān)于水穩(wěn)定性的規(guī)定[12]。

3.3 低溫抗裂性

路面的橫向開裂多數(shù)是由于瀝青路面的溫度收縮裂縫引起的，在寒冷區(qū)域比較常見。瀝青路面產(chǎn)生低溫開裂的原因有兩種：一種是因?yàn)闇囟燃眲〗档?，混合料層的抗拉?qiáng)度不足以承受面層溫縮產(chǎn)生的應(yīng)力，從而致使路面橫向開裂；第二種是因?yàn)闇囟绕诹芽p，混合料經(jīng)歷長期的溫度循環(huán)作用，其應(yīng)力松弛能力逐漸下降，極限拉伸應(yīng)變變小，當(dāng)溫度應(yīng)力超過瀝青混合料容許拉應(yīng)力時(shí)，瀝青路面將產(chǎn)生溫度收縮裂縫。本研究擬進(jìn)行小梁低溫彎曲試驗(yàn)對混合料的低溫性能進(jìn)行評價(jià)。

圖5顯示，隨著復(fù)合改性劑摻量的增大，復(fù)合改性瀝青混合料的彎拉應(yīng)變先增加至峰值后逐漸降低，峰值對應(yīng)的為最佳摻量。摻量為15%，30%，45%和60%的復(fù)合改性瀝青混合料破壞彎拉應(yīng)變分別是對照組基質(zhì)瀝青混合料的108%，98%，81.6%和72.2%。圖6顯示，復(fù)合改性瀝青混合料的低溫勁度模量隨復(fù)合改性劑摻量的增加先降低后升高。摻量為15%，30%，45%和60%的復(fù)合改性瀝青混合料的低溫勁度模量分別是對照組基質(zhì)瀝青混合料的94%，98%，118%和142%。綜上所述，復(fù)合改性劑的摻量在最佳摻量范圍內(nèi)，瀝青混合料的低溫抗裂性得到改善，反之，復(fù)合改性劑的摻入對瀝青混合料的低溫抗裂性產(chǎn)生不利影響，摻量不超過40%時(shí)滿足冬溫區(qū)的相應(yīng)技術(shù)要求[12]。這是由于生物瀝青與巖瀝青對瀝青混合料產(chǎn)生的不同影響，復(fù)合改性劑在最佳摻量范圍內(nèi)，生物瀝青提高了瀝青混合料的低溫抗裂性，隨著復(fù)合改性劑摻量的增加，巖瀝青的占比也逐步提高，對復(fù)合改性瀝青混合料的低溫抗裂性產(chǎn)生不利影響。

圖5 不同摻量復(fù)合改性AC-20C的破壞彎拉應(yīng)變Fig.5 Failure flexural strains of co-modified AC-20C with different contents

圖6 不同摻量復(fù)合改性AC-20C的破壞彎拉勁度模量Fig.6 Failure flexural stiffness moduli of co-modified AC-20C with different contents

3.4 復(fù)合改性劑推薦摻量范圍

本研究探究的生物瀝青-巖瀝青復(fù)合改性瀝青混合料不限定在某個(gè)區(qū)域，但需要確定復(fù)合改性劑的適宜摻量范圍。假設(shè)生物瀝青-巖瀝青復(fù)合改性瀝青混合料的應(yīng)用所在地區(qū)是夏炎熱冬溫潮濕區(qū)，同時(shí)本次改性的目的是尋求一種可替代道路石油瀝青的可再生鋪筑材料，因此不必將提高石油瀝青的各類性能作為改性的主要目的，將生物瀝青-巖瀝青復(fù)合改性瀝青混合料以普通瀝青混合料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)推薦復(fù)合改性劑的適宜摻量范圍更為凸顯本次研究的意義。按照規(guī)范JTG F40—2004，普通瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度宜大于或等于1 000次/mm，浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度宜大于或等于80%，凍融劈裂試驗(yàn)殘留強(qiáng)度比宜大于或等于75%，低溫彎曲破壞應(yīng)變宜大于或等于2 000 με[12]。故而，推薦復(fù)合改性劑的適宜摻量范圍是25%～40%，且適應(yīng)不同性能要求時(shí)，復(fù)合改性劑適宜摻量范圍的可適當(dāng)放寬。

4 結(jié)論

本研究以70#石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，生物瀝青和巖瀝青為改性劑，在保持瀝青的25 ℃針入度不變時(shí)，制備了復(fù)合改性劑摻量為0%，15%，30%，45%和60%的生物瀝青-巖瀝青復(fù)合改性瀝青結(jié)合料，設(shè)計(jì)了級配為AC-20C的瀝青混合料進(jìn)行使用性能試驗(yàn)。研究得出的主要結(jié)論如下：

(1)復(fù)合改性瀝青混合料的Marshall穩(wěn)定度、Marshall模數(shù)和動(dòng)穩(wěn)定度隨著復(fù)合改性劑摻量的增大均先降低至谷值后逐漸增加，且摻量越多增速越快，谷值對應(yīng)的摻量為最不利摻量，即當(dāng)復(fù)合改性劑摻量超過最不利摻量時(shí)，復(fù)合改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性得到提升，且摻量越大，提升效果越明顯。

(2)復(fù)合改性瀝青混合料的浸水Marshall殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比相對于對照組基質(zhì)瀝青混合料的顯著降低，即復(fù)合改性劑的加入削弱了混合料的水穩(wěn)定性。以消石灰替代1%的礦粉后，水穩(wěn)定性得到顯著提高，復(fù)合改性劑摻量超過25%時(shí)，符合瀝青混合料施工技術(shù)規(guī)范中關(guān)于水穩(wěn)定性的規(guī)定。

(3)隨著復(fù)合改性劑摻量的增大，復(fù)合改性瀝青混合料的彎拉應(yīng)變先增加至峰值后逐漸降低，峰值對應(yīng)的摻量為最佳摻量，即復(fù)合改性劑的摻量在最佳摻量范圍內(nèi)，瀝青混合料的低溫抗裂性得到改善，反之，復(fù)合改性劑的摻入對瀝青混合料的低溫抗裂性產(chǎn)生不利影響，摻量不超過40%時(shí)滿足冬溫區(qū)的相應(yīng)技術(shù)要求。

(4)歸納總結(jié)生物瀝青-巖瀝青復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能，在夏炎熱冬溫潮濕區(qū)，確定復(fù)合改性劑的適宜摻量范圍為25%～40%，且適應(yīng)不同性能要求時(shí)，復(fù)合改性劑適宜摻量范圍的可適當(dāng)放寬。