■許祥云

（宜春市公路事業(yè)發(fā)展中心，宜春 336000）

隨著咖啡飲用人數(shù)逐年遞增， 我國2021 年咖啡豆進(jìn)口量同比增長104.3%，達(dá)到61770 t；且我國咖啡消費(fèi)量還在以每年15%～20%的幅度快速增長，遠(yuǎn)超全球2%的平均增速[1]。 咖啡殘?jiān)强Х葲_泡后的固體廢物副產(chǎn)品，每生產(chǎn)1 kg 咖啡就會(huì)產(chǎn)生0.9 kg 咖啡殘?jiān)黐2]?，F(xiàn)階段我國大量咖啡殘?jiān)唇?jīng)利用就被送往垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行填埋或焚燒，導(dǎo)致環(huán)境污染問題，因此亟需找到一種可大量使用咖啡殘?jiān)脑倮梅绞健uksiripattanapong 等[3]將咖啡殘?jiān)糜诼坊盍希?結(jié)果表明在咖啡殘?jiān)鼡搅繛?0%時(shí)，90 d 的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到2 MPa。 吉淳等[2]基于動(dòng)態(tài)剪切流變儀對(duì)短期老化前后不同摻量的咖啡殘?jiān)男詾r青抗老化性能進(jìn)行分析，研究顯示老化后的咖啡殘?jiān)男詾r青流變性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青，并推薦咖啡殘?jiān)跒r青中的摻量為9%。

綜上所述， 咖啡殘?jiān)鳛楣腆w廢物副產(chǎn)品具有潛在的公路工程應(yīng)用價(jià)值，但關(guān)于咖啡殘?jiān)男詾r青的實(shí)際路用性能尚缺少研究。 為推進(jìn)公路工程中碳中和政策的實(shí)際應(yīng)用，基于江西省某省道試驗(yàn)路，通過電鏡掃描試驗(yàn)獲取咖啡殘?jiān)奈⒂^形貌，通過針入度、延度、軟化點(diǎn)、儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)對(duì)咖啡殘?jiān)男詾r青的路用性能進(jìn)行分析，為咖啡殘?jiān)诠饭こ痰膶?shí)際應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

瀝青采用廣東佛山70＃ 基質(zhì)瀝青，表1 是瀝青的物理性能試驗(yàn)結(jié)果。 咖啡殘?jiān)鼇碜岳幚碚局械膹N余垃圾，將咖啡殘?jiān)?05℃下烘干至恒重。

表1 70# 基質(zhì)瀝青的物理性能

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 咖啡殘?jiān)男詾r青的制備

將加熱至流動(dòng)狀態(tài)的70＃ 基質(zhì)瀝青倒入容器皿中，容器皿放入恒溫油浴鍋中恒溫至165℃。待溫度穩(wěn)定后， 分別加入瀝青質(zhì)量5%、10%、15%以及20%的咖啡殘?jiān)?之后在高速剪切機(jī)的剪切速度為4000 r/min 下剪切40 min。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）電鏡掃描試驗(yàn)。 采用JSM-IT400 型號(hào)的掃描電鏡，將干燥后的咖啡殘?jiān)M(jìn)行研磨，在噴金后進(jìn)行電鏡掃描觀察。

（2）針入度試驗(yàn)。 依據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T0604-2011，在溫度25℃，荷載100 g 以及貫入時(shí)間5 s 的試驗(yàn)條件下測(cè)定不同摻量的咖啡殘?jiān)男詾r青的針入度。

（3）延度試驗(yàn)。 依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T0605-2011，在溫度10℃的試驗(yàn)條件下測(cè)定不同摻量的咖啡殘?jiān)男詾r青的延度。

（4）軟化點(diǎn)試驗(yàn)。 依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T0606-2011，將裝有試樣的試樣環(huán)以及支架、 鋼球和定位環(huán)放入5℃的水槽中恒溫15 min，打開軟化點(diǎn)儀，使杯中水溫每分鐘上升5℃，直至試樣下墜與底板表面接觸，記錄試驗(yàn)數(shù)值。

（5）儲(chǔ)存穩(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》中的T0661-2011，將咖啡殘?jiān)男詾r青用0.3 mm 篩過篩， 注入盛樣管中50 g，將盛樣管一端密閉后放入163℃烘箱中靜置48 h，加熱結(jié)束后放入冰箱冷凍4 h，分別取盛樣管上部1/3 處和下部1/3 處進(jìn)行軟化點(diǎn)試驗(yàn)，用軟化點(diǎn)差值表征瀝青的儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 電鏡掃描試驗(yàn)

研究表明咖啡殘?jiān)牧皆?.225 ～0.550 mm之間。 Sousa 等[4]基于比表面積分析儀的數(shù)據(jù)認(rèn)為，咖啡殘?jiān)目偪左w積與比表面積小于新鮮咖啡，因此可以將咖啡殘?jiān)曌饕环N無孔材料。 圖1 通過掃描電子顯微鏡（SEM）圖像的形式表征了咖啡殘?jiān)奈⒂^形態(tài)特征。 可以看出，50 倍放大后的咖啡殘?jiān)鶆蚍植?，不存在顆粒團(tuán)聚的現(xiàn)象。Mendes 等[5]的研究表明，咖啡殘?jiān)谋砻嫘螒B(tài)特征與其提取過程有關(guān)。 將圖像繼續(xù)放大至500 倍，可以看到咖啡殘?jiān)砻鏌o明顯的孔隙結(jié)構(gòu)。 此外，咖啡殘?jiān)w粒呈鋸齒狀、褶皺狀，并具有不規(guī)則的形狀和粗糙的表面。 這一表面特征可以使得咖啡殘?jiān)c瀝青之間具有良好的粘結(jié)性能。

圖1 咖啡殘?jiān)⒂^形態(tài)

2.2 針入度試驗(yàn)

針入度表征了瀝青抵抗變形的能力，由圖2 可以看出，隨著咖啡殘?jiān)膿搅恐饾u增大，針入度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，這表明咖啡殘?jiān)募尤胩岣吡嘶|(zhì)瀝青的剛性，從而使得咖啡殘?jiān)男詾r青抵抗變形的能力有一定的提升?？Х葰?jiān)鼡搅吭?%以內(nèi)，改性瀝青的針入度值滿足70＃ 基質(zhì)瀝青的技術(shù)要求范圍。 隨著咖啡殘?jiān)鼡搅吭黾又?0%及以上，改性瀝青的針入度進(jìn)入《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中50＃ 基質(zhì)瀝青的技術(shù)要求范圍。 究其原因，咖啡殘?jiān)且环N表面棱角性豐富、密度較小且比表面積較大的材料；在摻量較小時(shí)，咖啡殘?jiān)跒r青中呈分散狀態(tài)；隨著摻量增大，咖啡殘?jiān)饾u接近臨界體積分?jǐn)?shù)，在瀝青中形成骨架結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致瀝青剛度顯著提高。 如圖3 所示，Wu 等[6]通過大量的填料與改性劑的研究證明了這一點(diǎn)。

圖2 咖啡殘?jiān)男詾r青針入度值

圖3 填料臨界體積分?jǐn)?shù)示意圖

2.3 延度試驗(yàn)

延度表征了瀝青的低溫抗裂能力，延度值越大瀝青的韌性越好。 由圖4 可知，隨著咖啡殘?jiān)膿搅吭龃?，改性瀝青的延度顯著下降，這表明咖啡殘?jiān)募尤虢档土藶r青的低溫性能。 隨著摻量達(dá)到15%及以上，咖啡殘?jiān)男詾r青的15℃延度小于規(guī)范要求。 究其原因，隨著摻量增大，咖啡殘?jiān)跒r青中接近臨界體積分?jǐn)?shù)；咖啡殘?jiān)跒r青中的分布并不均勻以及咖啡殘?jiān)c瀝青剛度不一致，會(huì)導(dǎo)致改性瀝青在延度試驗(yàn)拉伸過程中，發(fā)生應(yīng)力集中引發(fā)瀝青更早拉斷。 吉淳等[2]從微觀相貌的角度研究表明，咖啡殘?jiān)^大的比表面積會(huì)引發(fā)改性瀝青相態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，過大的摻量會(huì)導(dǎo)致瀝青極易發(fā)生脆性斷裂。

圖4 咖啡殘?jiān)男詾r青延度值

2.4 軟化點(diǎn)試驗(yàn)

瀝青的軟化點(diǎn)表征了瀝青在夏季高溫季節(jié)的抗變形能力， 軟化點(diǎn)值越大瀝青的高溫穩(wěn)定性越好。 由圖5 可知，隨著咖啡殘?jiān)鼡搅康脑龃螅男詾r青的軟化點(diǎn)顯著增加。 5%摻量的咖啡殘?jiān)然|(zhì)瀝青，其軟化點(diǎn)值提升4.2%。 隨著摻量增加，軟化點(diǎn)的值進(jìn)一步增大。 Junqing 等[7]的研究表明，廢棄的碳材料同比商業(yè)碳材料，表面的鋸齒形態(tài)顯著增加。 而這一特性使得咖啡殘?jiān)谔砑又翞r青中后，瀝青的黏度顯著增加，進(jìn)而提高了軟化點(diǎn)值。

圖5 咖啡殘?jiān)男詾r青軟化點(diǎn)值

2.5 儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)

瀝青的軟化點(diǎn)差值反映了改性瀝青在運(yùn)輸過程中的離析程度，軟化點(diǎn)差值越大說明改性材料與瀝青的相容性越差。 由圖6 可知，隨著咖啡殘?jiān)膿搅吭黾?，改性瀝青的軟化點(diǎn)差值逐漸增大。 在咖啡殘?jiān)鼡搅啃∮?0%時(shí)，改性瀝青的軟化點(diǎn)差小于2.5℃，滿足規(guī)范要求。隨著摻量達(dá)到15%，軟化點(diǎn)差值大于《公路工程瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對(duì)聚合物改性瀝青的2.5℃的要求。 這是因?yàn)樵嚇釉?63℃的烘箱靜置的過程中，均勻分散在瀝青中的咖啡殘?jiān)鼤?huì)逐漸沉淀至底部。 廢棄咖啡殘?jiān)菑U棄碳材料中的一種，F(xiàn)eng 等[8]研究顯示不同粒徑的廢棄碳材料由于范德華力的影響，在摻量過大時(shí)極易形成團(tuán)聚，從而使其在瀝青中易發(fā)生沉淀導(dǎo)致離析。

圖6 咖啡殘?jiān)男詾r青儲(chǔ)存穩(wěn)定性

3 結(jié)論

咖啡殘?jiān)捎糜跒r青的改性，但關(guān)于其改性瀝青的實(shí)際路用性能研究較少，本文通過電鏡掃描、針入度、延度、軟化點(diǎn)以及儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)，對(duì)咖啡殘?jiān)奈⒂^形貌及其改性瀝青的路用性能進(jìn)行分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）咖啡殘?jiān)奈⒂^形貌分布均勻，不存在顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。 咖啡殘?jiān)谋砻鏌o明顯的孔隙結(jié)構(gòu)，且呈現(xiàn)鋸齒狀、褶皺狀，并具有不規(guī)則的形狀和粗糙的表面。 咖啡殘?jiān)谋砻嫣卣魇沟每Х葰堅(jiān)c瀝青之間的粘結(jié)性能良好。

（2）咖啡殘?jiān)@著提高了基質(zhì)瀝青的高溫性能，并降低了低溫性能。 咖啡殘?jiān)跒r青中的摻量小于5%時(shí)，針入度值與基質(zhì)瀝青同一等級(jí)?？Х葰?jiān)跒r青中的摻量小于10%時(shí)，延度值與基質(zhì)瀝青同一等級(jí)。 隨著咖啡殘?jiān)鼡搅吭黾樱浕c(diǎn)值逐漸增大。

（3）咖啡殘?jiān)跒r青中的摻量小于10%時(shí)，其儲(chǔ)存穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。 綜合三大指標(biāo)與儲(chǔ)存穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果，推薦咖啡殘?jiān)跒r青中的摻量不超過10%。