植物基生物瀝青混合料水穩(wěn)定性研究

張?jiān)略?/p>

摘 要：為探究植物基生物質(zhì)重油對瀝青混合料水穩(wěn)定的影響，基于表面能理論，通過躺滴法獲取SK90#基質(zhì)瀝青及其與生物質(zhì)重油混合的生物瀝青的表面自由能，并計(jì)算兩種瀝青與已知表面能參數(shù)的集料之間粘附功。同時，分別通過浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，從宏觀角度分析生物質(zhì)重油對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：植物基生物質(zhì)重油能在一定程度上提高瀝青的表面能及其與集料之間的粘附功；添加生物質(zhì)重油后，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比均有所提高。

關(guān)鍵詞：植物基生物質(zhì)重油；水穩(wěn)定性；表面能；浸水馬歇爾；凍融劈裂

中圖分類號：U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）15-0043-02

Abstract： In order to investigate the effect of plant based biomass heavy oil on the water stability of asphalt mixture， the surface free energy （SFE）of SK90# matrix asphalt and its bio-asphalt mixed with biomass heavy oil was obtained by lying drop method based on surface energy theory. The adhesion work between the two asphalts and the aggregates with known surface energy parameters is calculated. At the same time， the effects of biomass heavy oil on the water stability of asphalt mixture were analyzed from the macro point of view by immersion Marshall test and freeze-thaw splitting test respectively. The results show that the plant based biomass heavy oil can improve the surface energy of asphalt and its adhesion to aggregate to a certain extent， and the residual stability and splitting strength ratio of asphalt mixture are improved after adding biomass heavy oil.

Keywords： plant based biomass heavy oil； water stability； surface free energy； immersion Marshall； freeze-thaw splitting

1 概述

大量的農(nóng)作物秸稈、滯銷蔬菜等植物基材料被棄置，不僅會導(dǎo)致資源浪費(fèi)，還會造成一定程度的環(huán)境污染。通過收集植物基材料，采用物理化學(xué)方法提煉出生物質(zhì)重油，并將其摻配到瀝青結(jié)合料中，是解決上述問題的有效途徑[1-2]。

目前，評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的方法主要有浸水馬歇爾、凍融劈裂以及浸水車轍等試驗(yàn)方法，但這些方法普遍存在理論依據(jù)不充分、現(xiàn)場再現(xiàn)性差等問題[3]。因此，尋求一種理論依據(jù)更充分，更接近現(xiàn)場水損害實(shí)際情況的評價方法十分必要。近年來，國內(nèi)外學(xué)者提出基于表面自由能理論來表征瀝青與集料的粘附性，進(jìn)而評價瀝青混合料水穩(wěn)定性[4-5]。

因此，本文采用接觸角法，得到生物質(zhì)重油摻加前后瀝青的表面能，并分別與已知表面能參數(shù)的集料計(jì)算出瀝青-集料體系的粘附功。同時，在同一級配下分別對兩種瀝青對應(yīng)的混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，并分析宏觀指標(biāo)（殘留穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度比）與粘附功的相關(guān)性。

2 理論分析

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用KRUS的DSA1型接觸角儀測定蒸餾水、甘油、甲酰胺等3種試液與瀝青之間的接觸角。試驗(yàn)前，向SK90#基質(zhì)瀝青中摻入占瀝青質(zhì)量8%的植物基生物質(zhì)重油制得生物瀝青，再分別將適量的基質(zhì)瀝青和生物瀝青滴于載玻片表面，將載玻片置平加熱后，制得表面光滑的瀝青試樣。此外，本文依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）的規(guī)范要求，分別對同一級配和集料類型下兩種不同瀝青（SK90#基質(zhì)瀝青和生物瀝青）的混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)。

4 結(jié)果及分析

4.1 瀝青表面自由能計(jì)算

通過三種試液的表面能參數(shù)及其與瀝青之間的接觸角，根據(jù)公式（3）求得兩種瀝青結(jié)合料的表面自由能及其分量值，結(jié)果如表1所示。

需要說明的是，為減少試驗(yàn)誤差，每種試液分別在各瀝青試樣表面不同位置測試5次，求取平均值作為該試液與瀝青的接觸角值。此外，由于液體和瀝青材料表面自由能對溫度較為敏感，接觸角試驗(yàn)應(yīng)確保處于25±0.5℃環(huán)境進(jìn)行。

由表1可知，摻加生物質(zhì)重油后，瀝青的總表面能和非極性分量顯著增大，增加幅度分別為65.2%和80.9%，而極性分量有所降低。其中，生物質(zhì)重油摻加后，瀝青中酸極性分量降低最為顯著，下降幅度高達(dá)96.6%，而堿極性分量減小了17.1%。由上述試驗(yàn)結(jié)果可推測，生物質(zhì)重油能有效改善瀝青結(jié)合料的內(nèi)聚性能，進(jìn)而有利于瀝青-集料體系整體抗水損害性能的提高。

4.2 瀝青-集料粘附功計(jì)算

為便于分析植物基生物質(zhì)重油對瀝青混合料粘附性的影響，選用同一種石灰?guī)r集料，利用公式（3）計(jì)算集料與不同瀝青之間的粘附功。結(jié)果如表2所示。

相同級配條件下，生物瀝青-集料的粘附功值相比機(jī)制瀝青-集料體系的粘附功更大，生物質(zhì)重油摻加后粘附功增加幅度為10.3%。試驗(yàn)結(jié)果表明，生物瀝青的抗剝落能力相比基質(zhì)瀝青更強(qiáng)，其瀝青混合料對水損害的敏感性相對要小。其原因可能是，植物基生物質(zhì)重油中富含瀝青輕質(zhì)組分，適量的生物質(zhì)重油有效地改善了瀝青的膠體結(jié)構(gòu)，使得其中的瀝青質(zhì)、膠體等大分子成分充分地分散，進(jìn)而增強(qiáng)了瀝青于集料之間的粘附強(qiáng)度。

4.3 水穩(wěn)定性宏觀試驗(yàn)結(jié)果

兩種瀝青混合料對應(yīng)的浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)所得結(jié)果如圖1所示。殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比分別為上述兩種試驗(yàn)所得的瀝青混合料水穩(wěn)定性宏觀指標(biāo)，其值越大，表明瀝青混合料的水穩(wěn)定性更好。

由圖1可知，生物瀝青混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度滿足規(guī)范要求（>75%），其殘留穩(wěn)定度較SK90#基質(zhì)瀝青混合料提高5.23%。由凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果可知，生物瀝青混合料劈裂強(qiáng)度比也滿足規(guī)范要求（>70%），其殘留強(qiáng)度比相對SK90#基質(zhì)瀝青混合料提高11.16%。水穩(wěn)定性宏觀指標(biāo)變化均表明，生物瀝青混合料較SK90#基質(zhì)瀝青混合料具有更好的宏觀水穩(wěn)定性。

此外，比較表2與圖1所示結(jié)果可知，生物瀝青-集料體系粘附功與生物瀝青混合料水穩(wěn)定性指標(biāo)表現(xiàn)出一致的變化趨勢，說明基于表面自由能理論的粘附指標(biāo)可用于評價植物基生物瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

（1）摻加植物基生物質(zhì)重油后，瀝青的總表面能和非極性分量值顯著增大，而極性分量減小。

（2）對同一集料而言，相比基質(zhì)瀝青，生物瀝青與集料的粘附功更大。

（3）同一級配和集料類型下，生物瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度比均比基質(zhì)瀝青混合料大，表明前者具有更好的水穩(wěn)定性。

（4）摻加生物質(zhì)重油前后，瀝青-集料的粘附功與水穩(wěn)定性宏觀指標(biāo)的變化趨勢一致，表明表面能理論適用于對生物質(zhì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的評價。

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