蓖麻油生物瀝青調和瀝青混合料使用性能研究

曾夢瀾，田偉，朱艷貴，李君峰

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

蓖麻油生物瀝青調和瀝青混合料使用性能研究

曾夢瀾?，田偉，朱艷貴，李君峰

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

為了評價蓖麻油生物瀝青調和瀝青混合料的使用性能，設計了具有5種蓖麻油生物瀝青摻量且級配均為AC-20C的瀝青混合料，根據各摻量最佳油石比制作試件并進行混合料使用性能試驗.根據試驗結果分析了不同摻量調和瀝青混合料的高溫穩定性、水穩定性、低溫抗裂性、路面設計參數等性能指標.分析表明，隨著生物瀝青摻量的增加，調和瀝青混合料的高溫穩定性、水穩定性、抗壓回彈模量逐漸降低，但在一定摻量范圍內滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的要求，此外水穩定性在加入消石灰后得到顯著改善.隨著生物瀝青摻量的增加，劈裂抗拉強度降低至一谷值后略有提高，低溫抗裂性得到改善.由此可見，將蓖麻油生物瀝青調和瀝青替代石油瀝青用于混合料，在一定摻量范圍內是可行的.

道路工程；生物瀝青；瀝青混合料；使用性能；試驗研究

隨著道路交通量及道路里程的持續增加與石油資源的日漸枯竭，尋找可再生資源來替代石油瀝青已經提上議事日程.

生物瀝青，作為一種可再生資源，來自于一些生物質材料，比如動物糞便、農作物秸稈、植物油廢料等，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[1].生物瀝青具有可再生、環保無污染以及價格低廉等特點.另一方面，如果能夠用生物瀝青部分替代并改性石油瀝青，不僅對生態環境起到了保護作用，也將促進瀝青路面服務水平和使用壽命的提高.國外學者對生物瀝青混合料進行了廣泛的研究，Wen等人[2-5]分別研究了由廢棄餐飲油、松木木屑、廢棄木材加工而成的生物瀝青的混合料性能.Hajj等[6]評估了生物瀝青的加入對再生瀝青混合料(RAP)性能的影響.Williams等[7]鋪筑試驗路并將相關技術申請了專利.國內研究尚處于起步階段，一般研究集中在結合料的物理和化學特性[8]，對混合料的研究和實際應用甚少.孫朝杰等[9-11]對生物瀝青混合料使用性能的研究，取得了一定進展.

生物瀝青來源種類較多，性能差異大，對不同來源的生物瀝青進行瀝青混合料研究，有助于對生物瀝青應用的拓展.本文作者與潘浩志等此前通過實驗室試驗，以蓖麻油生物瀝青作為改性劑，將其以不同比例加入基質石油瀝青，進行了結合料研究并取得了一定成果[12-13]，現在繼續進行混合料研究，探討蓖麻油植物瀝青對瀝青混合料使用性能的影響.

1 試驗材料

1.1 原材料

基質瀝青采用50號A級道路石油瀝青，基質瀝青的技術指標、技術要求和試驗結果見表1，其技術指標的試驗結果均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》[14]的技術要求.

生物瀝青采用河北省南宮市晟邦生物科技有限公司提供的蓖麻油植物瀝青，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，與傳統石油瀝青基本一致，只在顏色上稍顯偏淡[12].生物瀝青技術指標和試驗結果見表2.

表1 基質瀝青技術指標

表2 生物瀝青技術指標

本研究所采用的粗細集料均為石灰巖，填料為石灰巖礦粉，其主要技術指標的試驗結果均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的技術要求.

1.2 調和瀝青的制備

調和瀝青制備時，先將基質瀝青和生物瀝青加熱到105 ℃，然后按照預定的比例混合，在攪拌機中以1 500 r/min的轉速攪拌20 min.生物瀝青加入量分別為瀝青總量的0%，5%，10%，15%，20%.其中，基質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調和瀝青.

2 混合料設計與使用性能試驗

2.1 混合料設計

本研究按JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》進行混合料設計，以5種不同摻量的生物瀝青調和瀝青為結合料，與相同級配的集料制備成AC-20C瀝青混合料，集料級配組成見表3.

利用5種不同摻量生物瀝青調和瀝青的粘溫曲線，確定不同混合料的拌和與壓實溫度[15].

根據馬歇爾配合比設計方法得到生物瀝青摻量分別為0%，5%，10%，15%和20%的瀝青混合料的最佳瀝青含量分別為4.5%，4.6%，4.7%， 4.9%和5.0%.

表3 AC-20C瀝青混合料的集料級配組成

不同摻量生物瀝青調和瀝青混合料的馬歇爾試驗的穩定度、流值、馬歇爾模數見圖1.從圖1可以看出，隨著生物瀝青摻量的增加，瀝青混合料的穩定度逐漸減小，流值逐漸增大，馬歇爾模數逐漸減小.

圖1 不同摻量調和瀝青混合料的馬歇爾試驗指標Fig.1 Marshall properties of bioasphalt blended mixture in different content

2.2 混合料使用性能試驗

根據已經確定的最佳瀝青含量制作混合料試件并進行使用性能試驗.按JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[16]進行車轍試驗(T0719—2011)、馬歇爾試驗與浸水馬歇爾試驗(T0709—2011)、凍融劈裂試驗(T0729—2000)、彎曲試驗(T0715—2011)、單軸壓縮試驗(T0713—2000)、劈裂試驗(T0716—2011).

3 試驗結果分析

3.1 高溫穩定性

瀝青路面高溫穩定性是指瀝青混合料在荷載作用下抵抗永久變形的能力.瀝青路面產生的推移、擁包、搓板、車轍、泛油等損壞形式都是瀝青混合料高溫穩定性較差的結果[17].車轍試驗結果可以評價瀝青混合料高溫穩定性.

不同摻量生物瀝青調和瀝青混合料的車轍試驗動穩定度見圖2.從圖2可以看出，瀝青混合料的動穩定度隨著生物瀝青摻量的增加而逐漸降低，且降幅明顯.摻量分別為0%，5%，10%，15%，20%的瀝青混合料的動穩定度分別為3 316，2 404，1 320，787和492次/mm.與基質瀝青混合料相比，調和瀝青混合料的動穩定度分別減少了27.5%，60.2%，76.3%和85.2%.說明生物瀝青的摻入降低了混合料抵抗車轍的能力，但是當生物瀝青摻量小于12%時滿足夏炎熱區的相應要求[14].

綜上所述，生物瀝青的摻入降低了瀝青混合料的高溫承載能力和抵抗變形能力.但是，當生物瀝青摻量小于12%時滿足夏炎熱區的相應要求.

圖2 不同摻量調和瀝青混合料的動穩定度Fig.2 Dynamic stability of bioasphalt blended mixture in different content

3.2 水穩定性

水損害是指進入路面孔隙中的水不斷產生動水壓力或真空負壓抽吸的反復循環作用，水分逐漸滲入瀝青與集料的界面上，使瀝青黏附性降低，瀝青混合料產生掉粒、松散，繼而形成坑槽、推擠變形等損壞現象[18].瀝青混合料的水穩定性是指其抵抗水損害的能力. 浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗結果可以評價瀝青混合料水穩定性.

不同摻量生物瀝青調和瀝青混合料的水穩定性試驗結果見圖3和圖4.從圖3和圖4可以看出，隨著生物瀝青摻量的增加，集料與瀝青的粘附性迅速下降，進而使水穩定性顯著降低.為了改善水穩定性，以消石灰抗剝落劑替代礦粉，生物瀝青摻量分別為5%，10%，15%，20%的調和瀝青混合料的浸水殘留穩定度從基質瀝青混合料的98.4%分別降低到95.1%，88.2%，67.8%，46.7%.此外，調和瀝青混合料的凍融劈裂殘留強度比也逐漸降低，生物瀝青摻量分別為5%，10%，15%，20%的調和瀝青混合料的凍融劈裂殘留強度比從基質瀝青混合料的96.2%分別降低到92.4%，76.4%，63.2%，58.6%.從圖3和圖4可以看出，在加入消石灰抗剝落劑后，浸水殘留穩定度與凍融劈裂殘留強度比有顯著提升，而且當生物瀝青摻量小于12%時滿足潮濕區的相應要求[14].

綜上所述，當生物瀝青摻入過多時，集料和瀝青的黏附性和抗剝離性顯著降低，混合料的抗水損害能力明顯下降.但是，當加入消石灰抗剝落劑后，水穩定性明顯改善. 當生物瀝青摻量小于12%時滿足潮濕區的相應要求.

圖3 不同摻量調和瀝青混合料的浸水殘留穩定度Fig.3 Retained marshall stability of bioasphalt blended mixture in different content

圖4 不同摻量調和瀝青混合料的凍融劈裂強度比Fig.4 Indirect tensile strength ratio of bioasphalt blended mixture in different content

3.3 低溫抗裂性

低溫對瀝青混合料強度的影響主要是影響其抗拉強度和變形能力，從而造成低溫開裂[17].瀝青混合料彎曲試驗結果可以評價瀝青混合料低溫抗裂性.

不同摻量生物瀝青調和瀝青混合料的低溫破壞彎拉應變見圖5.從圖5可以看出，低溫破壞彎拉應變隨著生物瀝青的摻量的增加而增大.生物瀝青摻量分別為5%，10%，15%，20%的調和瀝青混合料的破壞彎拉應變由基質瀝青混合料的2 172 με分別增大到2 228，2 695，2 796和2 818 με，增漲幅度分別為2.6%，24.1%，28.7%，29.7%.而瀝青混合料的低溫彎拉勁度模量隨著生物瀝青摻量的增加而逐漸降低.由基質瀝青混合料的3 766.91 MPa分別降低到3 573.32，3 235.72，2 871.64，2 477.3 MPa.

綜上所述，生物瀝青調和瀝青混合料的低溫抗裂性能隨生物瀝青摻量增加而逐漸改善，不僅滿足規范要求，而且有較多盈余[14].

圖5 不同摻量調和瀝青混合料的低溫破壞彎拉應變Fig.5 Low temperature flexural tensile strain of bioasphalt blended mixture in different content

3.4 路面設計參數

我國瀝青路面結構設計方法采用雙圓垂直均布荷載作用下的層狀彈性體系理論，以路表回彈彎沉值和結構層底拉應力為設計指標進行路面結構厚度設計[19].計算路表回彈彎沉值時，以抗壓回彈模量為設計參數，瀝青混合料的試驗溫度為20 ℃；計算路面材料層層底拉應力時，以抗壓回彈模量和劈裂強度為設計參數，瀝青混合料的試驗溫度為15 ℃.

不同摻量生物瀝青調和瀝青混合料的單軸壓縮試驗結果見表4和表5.從表4和表5可以看出，隨著生物瀝青摻量的增加，瀝青混合料在兩個不同溫度下抗壓強度均逐漸降低后略有提高，抗壓回彈模量隨著生物瀝青摻量的增加而降低.

表4 瀝青混合料15 ℃單軸壓縮試驗結果

表5 瀝青混合料20 ℃單軸壓縮試驗結果

不同摻量生物瀝青調和瀝青混合料的劈裂試驗結果見表6.從表6可以看出，隨著生物瀝青摻量的增加，瀝青混合料的15 ℃劈裂強度逐漸降低后又略有提高，生物瀝青摻量分別為5%,10%,15%,20%的調和瀝青混合料的劈裂強度與基質瀝青混合料相比分別降低了0.188,0.828,0.767,0.721 MPa.15 ℃劈裂破壞拉伸應變隨著生物瀝青的摻量的增加呈現出先增后減趨勢，破壞勁度模量隨生物瀝青摻量的增加呈現出先減后增的趨勢.

綜上所述，生物瀝青調和瀝青的剛度和強度整體趨勢均有所下降，抵抗變形和荷載的能力降低.

3.5 生物瀝青使用建議與推薦摻量范圍

此前研究表明，因蓖麻油生物瀝青有稀釋作用，蓖麻油生物瀝青摻量每增加10%，針入度(25 ℃,5 s,100 g)約增加20(0.1 mm)[12]，稠度變化是引起性能下降的主要原因.因此建議選用針入度較低的基質瀝青使調和后的針入度滿足使用要求，從而改善高溫性能，并加入抗剝落劑改善水穩定性.

本文所研究的蓖麻油生物瀝青調和瀝青混合料不針對特定的使用地區，但為推薦蓖麻油生物瀝青的最佳摻量范圍，假定使用地為夏炎熱冬溫潮濕區.根據JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》[14]，推薦蓖麻油生物瀝青摻量的上限為12%.對于夏熱冬溫半干區，蓖麻油生物瀝青的最佳摻量范圍的上限可進一步放寬.

4 結 論

為研究蓖麻油生物瀝青調和瀝青混合料的使用性能，首先制備了最大摻量為20%的生物瀝青調和瀝青，然后進行了AC-20C不同摻量調和瀝青混合料配合比設計，再根據各摻量最佳瀝青含量制作試件并進行混合料使用性能試驗.根據試驗結果分析了不同摻量調和瀝青混合料的馬歇爾穩定度、流值、馬歇爾模數、動穩定度、浸水殘留穩定度、凍融劈裂殘留強度比、彎拉應變、破壞勁度模量、15 ℃和20 ℃抗壓回彈模量、15 ℃劈裂強度等技術參數，評價了蓖麻油生物瀝青調和瀝青混合料的高溫穩定性、水穩定性、低溫抗裂性、剛度和強度.試驗結果分析表明：

1)隨著生物瀝青摻量的增加，瀝青混合料的動穩定度逐漸減小，說明生物瀝青的摻入降低了瀝青混合料的高溫穩定性，但是當生物瀝青摻量小于12%時滿足夏炎熱區的相應要求.

2)瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩定度和凍融劈裂殘留強度比均隨著生物瀝青摻量的增加而降低.說明生物瀝青的摻入降低了瀝青混合料的水穩定性.但是當加入消石灰抗剝落劑后，水穩定性明顯改善，當生物瀝青摻量小于12%時滿足潮濕區的相應要求.

3)瀝青混合料的低溫彎拉破壞應變隨生物瀝青摻量的增加而增大.說明生物瀝青調和瀝青混合料的低溫抗裂性能隨生物瀝青摻量增加而逐漸改善，不僅滿足規范要求，而且有較多盈余.

4)瀝青混合料的抗壓回彈模量隨生物瀝青摻量的增加而降低.說明生物瀝青的摻入降低了瀝青混合料的剛度和抗變形能力.瀝青混合料的劈裂強度隨生物瀝青摻量的增加而呈現出先減小后增大的趨勢，但是相比基質瀝青混合料均有降低.說明生物瀝青的摻入降低了混合料的強度和抵抗荷載的能力.

5)生物瀝青的加入雖然在一定程度上降低了混合料的高溫性能和水穩定性，但是低溫性能得到顯著改善，因此建議選用針入度較低的基質瀝青改善高溫性能并加入消石灰抗剝落劑改善水穩定性.綜合考慮調和瀝青混合料的高溫穩定性、水穩定性和低溫抗裂性等指標，在夏炎熱冬溫潮濕區，推薦生物瀝青的摻量上限為12%.在夏熱冬溫半干區，生物瀝青的摻量上限可進一步放寬.

[1] 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.

WANG Hainian，GAO Junfeng，YOU Zhanping，etal. Advances in bio-binder application on road pavement[J]. Journal of Wuhan University of Technology，2014，36(7):55-60. (In Chinese)

[2] 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.

[3] COOPER S B，MOHAMMAD L N，ELSEIFI M A. Evaluation of asphalt mixtures containing renewable binder technologies[J]. International Journal of Pavement Research & Technology，2013，6(5):570-575.

[4] MOHAMMAD L N，ELSEIFI M A，COOPER S B,etal. Laboratory evaluation of asphalt mixtures containing bio-binder technologies[C]//Airfield and Highway Pavement Conference.Reston:American Society of Civil Engineers,2013:128-152.

[5] YANG X，YOU Z，DAI Q，etal. Mechanical performance of asphalt mixtures modified by bio-oils derived from waste wood resources[J]. Construction & Building Materials，2014，51(31):424-431.

[6] HAJJ E Y，SOULIMAN M I，ALAVI M Z，etal. Influence of hydrogreen bioasphalt on viscoelastic properties of reclaimed asphalt mixtures[J].Journal of the Transportation Research Board，2013(2):13-22.

[7] WILLIAMS R C，BROWN R C. Bio-oil formulation as an asphalt substitute:9200161[P]. 2015-12-01.

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

WANG Hainian，GAO Junfeng，ZHAO Xin,etal. Rheological properties on bio-binder based on DSR and RV[J].Journal of Hunan University: Natural Sciences,2015,42(6):26-33.(In Chinese)

[9] 孫朝杰. 廢舊油脂類生物瀝青路用性能研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學交通科學與工程學院，2014：58-59.

SUN Zhaojie.Pavement performance of waste oil-based bioasphalt[D].Harbin: School of Transportation Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,2014：58-59. (In Chinese)

[10] 黃海龍. 生物瀝青及其混合料路用性能研究[D]. 北京：北京建筑大學土木與交通工程學院，2015：61-64.

HUANG Hailong. Research on the pavement performances of bio-asphalt and its mixture[D].Beijing:School of Civil and Transportation Engineering，Beijing University of Civil Engineering and Architecture，2015：61-64. (In Chinese)

[11] 靳超.植物瀝青路用性能研究[D].呼和浩特：內蒙古工業大學土木工程學院，2015：59-60.

JIN Chao. The study of the road performance of pant asphalt[D]. Hohhot:College of Civil Engineering，Inner Mongolia University of Techology，2015：59-60. (In Chinese)

[12] 曾夢瀾，潘浩志，田振,等.老化對生物瀝青改性瀝青結合料使用性能的影響[J]. 公路工程，2016，41(2):28-32.

ZENG Menglan，PAN Haozhi，TIAN Zhen，etal. Aging effects on performance of asphalt binder modified with bioasphalt[J]. Highway Engineering,2016，41(2):28-32.(In Chinese)

[13] 潘浩志. 生物瀝青改性瀝青結合料使用性能研究[D]. 長沙：湖南大學土木工程學院，2016：55-56.

PAN Haozhi. Evaluating performance of bioasphalt modified asphalt binder[D].Changsha:College of Civil Engineering，Hunan University，2016：55-56. (In Chinese)

[14] JTG F40—2004 公路瀝青路面施工技術規范[S].北京：人民交通出版社，2004：8-31.

JTG F40—2004 Technical specifications for construction of highway asphalt pavements[S]. Beijing:China Communi-cations Press，2004:8-31. (In Chinese)

[15] 吳超凡，曾夢瀾，王茂文,等. 添加Sasobit溫拌瀝青混合料的拌合與壓實溫度確定[J]. 湖南大學學報:自然科學版，2010，37(8)：1-5.

WU Chaofan，ZENG Menglan，WANG Maowen，etal. Determination of the mixing and compaction temperatures for warm mix asphalt with Sasobit[J].Journal of Hunan University: Natural Sciences，2010，37(8):1-5. (In Chinese)

[16] JTG E20—2011 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S]．北京：人民交通出版社，2011：186-298.

JTG E20—2011 Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering[S].Beijing:China Communications Press，2011:186-298. (In Chinese)

[17] 黃曉明.瀝青與瀝青混合料[M].南京：東南大學出版社，2002：207-240.

HUANG Xiaoming.Asphalt and asphalt mixture[M]. Nanjing: Southeast University Press，2002：207-240. (In Chinese)

[18] 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， 2001：414-453.

SHEN Jinan. Performance of asphalt and asphalt mixture[M]. Beijing:China Communications Press，2001: 414-453. (In Chinese)

[19] 黃曉明.路基路面工程[M].4版.北京：人民交通出版社股份有限公司，2014：310-400.

HUANG Xiaoming. Road subgrade and pavement engineering[M]. 4th ed.Beijing: China Communications Press Co,Ltd，2014:310-400. (In Chinese)

Study on Performance of Castor Oil-based BioasphaltBlended Asphalt Mixture

ZENG Menglan?，TIAN Wei，ZHU Yangui，LI Junfeng

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

In order to investigate the performance of castor oil-based bioasphalt blended asphalt mixture，design of AC-20C blended asphalt mixture with 5 different percentages of bioasphalt was conducted. Performance tests were then carried out on the specimens with optimum asphalt contents of respective percentages of bioasphalt. Based on the test results，the properties such as high temperature stability，moisture damage resistance，low temperature cracking resistance，and pavement structure design parameters were analyzed. The analyses indicate that with increasing percentage of bioasphalt，the high temperature stability，moisture damage resistance and compressive resilient modulus of the blended asphalt mixture decrease，but they satisfy the requirements of JTG F40-2004 within a certain range of percentage. The moisture damage resistance is significantly improved by adding hydrated lime. With increasing percentage of bioasphalt，the indirect tensile strength of the blended asphalt mixture decreases to the minimum value and then increases slightly，while the low temperature cracking resistance of the blended asphalt mixture increases. Hence，the use of castor oil-based bioasphalt as partial replacement to petroleum based asphalt in asphalt mixture is feasible.

road engineering; bioasphalt; asphalt mixture; performance; experimental study

U414

A

1674-2974(2017)11-0177-06

10.16339/j.cnki.hdxbzkb.2017.11.021

2016-07-30

湖南省交通運輸廳科技進步與創新計劃項目(201110)，2011 Advance and Innovation Project in Science and Technology,Hunan Department of Transportation(201110)

曾夢瀾(1954—)，男，湖南漢壽人，湖南大學教授，博士生導師

?通訊聯系人，E-mail: menglanzeng@hnu.edu.cn