摻水泥改性生物瀝青及混合料性能研究

李軍發

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

石油資源與生物資源都是從生物質原料中產生，兩種資源的性能存在很多相似性，且生物資源具有清潔環保及可再生等優點。用生物資源替代石油資源不僅在技術上可行，而且符合可持續發展的要求[1-2]。生物油的來源大體可以分為兩類，一類是農業或森林生產的廢棄物，如玉米秸稈、廢舊橡膠木、樹皮；一類是動物的殘留物，如豬、牛糞、廢棄動物油脂[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，導致其混合料強度低、高溫性能不足、水損害嚴重，這些使用缺點很大程度地限制了生物瀝青的推廣應用。當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，也是國際公認的最有效方法。21世紀以來，各國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通過對生物改性瀝青混合料進行了深入的探討，論證了以木材、芒刺和玉米秸稈為基礎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，并對其進行旋轉黏度（RV）試驗，結果表明此生物瀝青的最佳黏度在70號基質瀝青和SBS改性瀝青之間[5]。Menglan Zeng等通過試驗得出，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大大增加，軟化點也會有輕微的下降，說明生物瀝青具有促進軟化、提高溫度敏感性的作用[6]。Xu Yang等通過傅里葉變換紅外光譜（FTIR）試驗，發現隨著生物瀝青的摻加，改性生物瀝青會產生一些特殊的化學成分，進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定性和高溫穩定性都有了明顯提高，而對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]。蔣應軍、韓占闖等研究了水泥對冷再生混合料路用性能的影響，結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定性、水穩定性、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定性和水穩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[11]。

目前國內外學者大都聚焦改性生物瀝青性能方面的研究，很少對改性生物瀝青混合料進行研究，也沒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用的原因[12]。因此，本文基于改性生物瀝青綜合性能最優為原則，研究改性生物瀝青中生物油的最佳摻量，同時，研究了水泥摻量對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 原材料與技術標準

1.1.1 橡膠瀝青

采用韓國雙龍（S-OIL牌）A級70號道路石油瀝青與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℃下發育2 h后，即制得橡膠瀝青，其試驗結果及標準要求見表1。

表1 橡膠瀝青基本性質試驗結果

1.1.2 生物瀝青

生物瀝青由渭南瑞源生物科技有限責任公司提供。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、細集料均為山西神池縣石灰巖，礦粉為石灰巖礦粉，每檔集料技術指標均滿足要求。

1.1.4 水泥

水泥由禮泉海螺水泥有限責任公司提供，各項技術指標見表2。

表2 水泥基本技術指標

1.2 改性生物橡膠瀝青的制備

因為生物油具有天然的分子極性，與橡膠粉具有較強的相互作用，所以能較好地與橡膠瀝青相容。首先通過一個橫向連接的振動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間以促進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，設置攪拌溫度為155℃～165℃，設置攪拌速率為400～600 r/min，攪拌完成后，澆筑瀝青模具。

2 生物瀝青摻量對瀝青膠漿性能影響

根據改性生物橡膠瀝青流變特質，本文采用瀝青三大指標、DSR試驗、BBR試驗進行性能評價。

2.1 生物瀝青摻量對三大指標的影響

改性生物瀝青三大指標隨生物瀝青摻量（質量分數）改變的影響見圖1。

圖1 不同生物瀝青摻量對改性生物橡膠瀝青三大指標的影響

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，軟化點則隨其摻量增加而逐漸降低，且老化前、后瀝青性能指標變化趨勢基本一致，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。這是因為與常規瀝青相比，生物瀝青含水量較高、含氧量大、具有良好的流動性，與橡膠瀝青結合后，使其黏度降低，針入度變大。

當生物瀝青摻量增加到12%～16%時，針入度及延度的變化趨勢最大，摻量16%以后，針入度變化趨勢變緩，軟化點降低趨勢越來越大。說明合理摻量的生物瀝青可降低橡膠瀝青的黏稠度、提高其流動性，生物瀝青超過一定量后，會降低瀝青的高溫穩定性。

2.2 生物瀝青摻量對試驗結果的影響

DSR試驗是通過測定瀝青的黏彈性性質，也就是通過兩個指標來反映瀝青性能：用疲勞因子G*·sinδ來反映材料耐疲勞性能，其值越小，說明材料抗疲勞能力越強。用車轍因子G*／sinδ來評價高溫穩定性，物理意義是損失剪切柔量的倒數，數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[13]。

動態剪切試驗（DSR）以固定速率10 rad/s進行，考慮到夏季路面溫度，本文選擇70℃作為車轍因子試驗溫度，疲勞因子試驗溫度設定為25℃，DSR試驗結果如圖2所示。

圖2 不同生物瀝青摻量下改性生物橡膠瀝青DSR測試結果

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，使得生物油的穩定性比石油差很多，與橡膠瀝青混合后，導致其強度下降，故而改性生物橡膠瀝青的抗車轍性能有所降低。當生物瀝青摻量超過16%時，車轍因子下降的更加明顯，而疲勞因子降速變緩。這是因為過多摻量的生物瀝青加快了橡膠瀝青G*的降低趨勢，進而明顯加速降低了改性生物橡膠瀝青的抗車轍性能；當生物瀝青摻入量超過一定比例時，疲勞因子降速變緩，說明生物瀝青不會一直改善橡膠瀝青的抗疲勞性能，生物瀝青存在最佳用量。

綜上通過分析生物瀝青摻量對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16%。

2.3 生物瀝青摻量對BBR試驗結果的影響

BBR試驗是美國重大公路研究項目成果之一，是用來測試分析瀝青材料低溫性能的試驗方法。對測試結果彎曲勁度模量S、蠕變速率m進行分析，即可實現對瀝青混合料低溫性能的評價。該研究成果表明，彎曲勁度模量S的大小體現了瀝青結合料的荷載抵抗能力，S越大，其脆性越大，路面開裂也更容易發生；蠕變速率m的大小則表征了瀝青的低溫應力抗積累能力，m值越大瀝青結合料的低溫抗裂性能越好[14]。本文選定試驗溫度為-12℃。通過氣動加載方式對試樣進行加載。改性生物橡膠瀝青彎曲勁度模量S以及蠕變速率m試驗結果如圖3所示。

圖3 不同生物瀝青摻量下改性生物橡膠瀝青BBR測試結果

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，當生物瀝青摻量超過一定量后，S值下降趨勢明顯變緩；改性生物橡膠瀝青的m值隨生物瀝青摻量的增加而增大，當生物瀝青摻量超過一定量后，S值上升趨勢明顯變緩，且S、m值隨生物瀝青摻量變化的拐點同為16%。這表明橡膠瀝青的硬度變小，彈性形變能力增強都與生物瀝青的摻入有關，生物瀝青的摻入有效地降低了低溫條件下路面溫縮應力的聚集，進而低溫抗裂性能得到提高。同時，由圖3摻量16%的拐點可知，當生物瀝青的摻加達到一定量時，對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 水泥摻量對混合料路用性能影響

試驗級配采用瀝青路面最常用的AC-16懸浮密實型級配（見表3），改性生物橡膠瀝青中生物瀝青摻量為16%，水泥摻量（占瀝青混合料的質量百分數）設定為0、2%、4%以及6%。

表3 AC-16混合料級配

3.1 高溫性能

60℃條件下，對不同水泥摻量的瀝青混合料進行高溫抗車轍試驗，分析不同水泥用量下對改性生物橡膠瀝青混合料高溫穩定性的影響，試驗結果見表4。

表4 車轍試驗結果

由表4試驗結果可看出，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，當水泥摻量為2%時，動穩定度得到明顯的提高，遠高于瀝青混合料規范要求，并且混合料高溫性能隨水泥劑量的增加而提高，說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。這主要是因為瀝青呈弱酸性（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生化學反應，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。很好地彌補了改性生物瀝青混合料高溫性能不足的問題。

水泥摻量并不是越多越好，當水泥摻量超過4%后，水泥劑量對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

進行低溫小梁彎曲試驗，試驗溫度為-10℃，分析不同水泥摻量對瀝青混合料低溫性能的影響，試驗結果見表5。

表5 低溫小梁彎曲實驗結果

由表5試驗結果可知，當水泥摻量為0%～4%時，隨著水泥摻量的增加，瀝青混合料的彎拉強度變化不明顯；當水泥摻量為4%～6%時，瀝青混合料的彎拉強度略有降低，因此可得水泥對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濟性及對其他路用性能的影響，建議水泥摻量為3%～4%。

3.3 水穩定性能

進行凍融劈裂實驗，分析不同水泥摻量對AC-16瀝青混合料水穩定性能的影響，試驗結果見表6。

表6 凍融劈裂實驗結果

由表6試驗結果可知，雖然凍融循環前的劈裂強度變化不大，但凍融劈裂強度比（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，水泥與瀝青接觸會發生化學反應，形成的化合物具有較強的吸附性，進而增大了膠漿與集料的黏結力。由此也就提高了瀝青混合料的水穩定性。

4 結論

a）生物瀝青能改善橡膠瀝青的各項性能，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，當生物瀝青摻量為16%時，改性生物橡膠瀝青綜合性能最優。

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其低溫抗裂性能無顯著影響，很好地彌補了改性生物瀝青混合料高溫性能不足的問題。

c）合理摻量的水泥可以提升瀝青膠漿的黏附作用，進而有利于提升改性生物瀝青混合料的水穩定性。

d）全面分析水泥摻量對瀝青混合料路用性能的影響，推薦水泥摻量為3%～4%。