老化廢食用油/SBS復合改性瀝青混合料路用性能研究

摘要：為研究廢食用油與SBS復合改性對老化瀝青混合料的性能影響，文章通過在不同老化狀態（短期老化、長期老化、雙倍長期老化）下制備不同摻量的廢食用油/SBS復合改性瀝青混合料（WSAM），采用漢堡車轍試驗、半圓彎曲（SCB）試驗和間接拉伸開裂試驗（IDEAL-CT），分別評價老化WSAM的高溫抗車轍性能、低溫抗裂性能和抗疲勞性能。試驗結果表明：SBS和廢食用油的復合改性改善了瀝青混合料的抗車轍性能；與基質瀝青混合料相比，在相同老化程度下，WSAM具有更好的低溫抗裂性；隨著老化程度的加深，WSAM的疲勞開裂性能顯著下降，但仍優于基質瀝青混合料；根據混合料路用性能結果，推薦的最佳改性劑摻量為5%廢食用油+6%SBS。

關鍵詞：道路工程；瀝青混合料；SBS；廢食用油；路用性能

中圖分類號：U416.217

0 引言

SBS改性瀝青作為一種性能優異的路面材料，已廣泛應用于瀝青路面的建設和養護［1-2］。在瀝青路面服役過程中，由于受高溫、降雨、光照和重載等因素的影響，SBS改性瀝青路面的耐久性能也不可避免地衰減［3-4］。隨著瀝青混合料老化程度的加深，瀝青材質更硬，且松弛能力下降，導致路面開裂的風險增加。目前關于老化SBS改性瀝青混合料的路用性能已經做了大量研究。如隋嚴春采用加速老化試驗對SBS改性瀝青混合料進行老化處理，研究了不同老化條件下混合料的路用性能［5］。張穎森等采用半圓彎曲試驗，比較了不同老化程度下SBS改性瀝青混合料的力學指標差異［6］。顧展飛等采用聚烯烴彈性體和SBS制備了復合改性瀝青混合料，進一步提高了SBS瀝青材料的抗老化性能［7］。以往的研究大多是針對SBS改性瀝青混合料的路用性能，而采用廢食用油對其路用性能影響的研究仍有不足。同時，國內目前的瀝青混合料試驗均是使用新拌瀝青混合料，而在瀝青路面實際服役過程中，不同老化狀態下的瀝青路面主要病害出現概率也不同。研究不同老化狀態下瀝青混合料的路用性能，有利于分析瀝青路面病害和控制路面施工質量。因此，本研究采用廢食用油與SBS進行復合改性，制備老化廢食用油/SBS復合改性瀝青混合料（WSAM），采用國外常用的瀝青混合料試驗，研究WSAM的路用性能并選擇SBS和廢食用油的最佳摻量。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

選擇中石化牌70#道路石油瀝青作為基質瀝青，瀝青性能指標如表1所示。粗細集料均為石灰巖集料，礦粉為石灰巖礦粉，集料與礦粉的技術指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）（以下簡稱《技術規范》）。廢食用油為某餐飲店使用過的花生油，其基本物理性質如表2所示。SBS為湖南某化工公司供應的線形SBS改性劑，嵌段比為30/70。

1.2 試件的制備

SBS的摻量設置為基質瀝青重量的6%和8%，廢食用油的摻量設置為基質瀝青重量的5%和10%。復合改性瀝青制備過程如下：將基質瀝青加熱至熔融態，將廢食用油緩慢倒入基質瀝青中，并在170 ℃的條件下手動攪拌5 min。隨后緩慢添加SBS，剪切溫度保持不變，采用高速剪切儀器高速剪切，將剪切速率設置為3 000 rpm，剪切時間設置為60 min。最后，加入穩定劑并將剪切速率降低至500 rpm剪切30 min，剪切完畢后將其放入150 ℃的烘箱發育3 h。在完成復合改性瀝青的制備后，將其進行老化處理，并根據馬歇爾配合比設計制備相應的瀝青混合料，試驗結果符合《技術規范》。如圖1所示為瀝青混合料的級配類型，如表3所示為瀝青混合料的馬歇爾試驗數據。

1.3 試驗方法

采用旋轉薄膜烘箱試驗和壓力老化儀試驗，對瀝青分別進行短期老化、長期老化和雙倍長期老化處理。其中，短期老化和長期老化時間分別為75 min和20 h，雙倍長期老化時間為40 h。

通過漢堡車轍試驗研究復合改性瀝青混合料（以下簡稱WSAM）的抗車轍性能和抗水損性能。基于AASHTO T324規程，漢堡試驗試件尺寸為320 mm×260 mm×40 mm，施加705 N的荷載并保持水溫為50 ℃，試驗共進行20 000次加載后車轍儀器自動結束。車轍深度通過未加載時和通過20 000次加載時的表面標高差計算，得到車轍深度與碾壓次數曲線，并以此計算剝離拐點（SIP）。

采用半圓彎曲（SCB）試驗研究WSAM的低溫性能。將復合改性瀝青混合料馬歇爾試樣切成兩半，制備帶有缺口的半圓形試樣。SCB試樣的缺口長度為12.5 mm，寬度為1 mm。SCB試驗溫度為0 ℃，以12.5 mm/min的恒定速率施加位移載荷，利用載荷和位移的關系曲線，得到SCB試樣的斷裂能（Gf）與彈性指數（FI），如式（1）所示。斷裂能與彈性指數越高，表明瀝青混合料的低溫抗裂性越強。

FI=0.01×（Gf／m）（1）

式中：FI——彈性指數；

Gf——斷裂能（J/m2）；

m——載荷-位移曲線拐點斜率。

根據ASTM D8225-19規程，在15 ℃的溫度下采用間接拉伸開裂試驗（IDEAL-CT），研究WSAM的疲勞抗裂性能。加載速率為50 mm/min，對試樣施加恒定載荷，并根據荷載與位移曲線得到斷裂能（Gf）與抗裂指數（CTI），如式（2）所示。瀝青混合料的斷裂能和抗裂指數越高，表明該混合料的疲勞抗裂性能越好。

CTI=（t／62）×（I75／D）×（ER／m75）×106（2）

式中：CTI——抗裂指數；

ER——能量比；

t——試樣厚度（mm）；

I75——75%峰值荷載時的位移（mm）；

D——試樣直徑（mm）；

m75——75%峰值荷載時的曲線斜率（N/m）。

2 結果與討論

2.1 漢堡車轍試驗結果

不同老化狀態下的瀝青混合料漢堡車轍試驗結果如表4所示。表4顯示了對照組和WSAM的碾壓次數和車轍深度之間的關系。從表4可以看出，WSAM的最大車轍深度均低于對照組的車轍深度，這表明SBS與廢食用油的復合改性可提高瀝青混合料的抗車轍性能。

由表4還可知，在同一老化狀態下，3種WSAM中5%W+6%SBS的最大車轍深度最低，而并非10%W+8%SBS的最大車轍深度最低，這表明SBS和廢食用油存在最佳的摻量搭配。同時，由表4還可發現10%W+6%SBS的車轍深度低于10%W+8%SBS和5%W+6%SBS，說明SBS是提高瀝青混合料抗車轍性能的主要因素，而廢食用油對其高溫性能有負面影響。當廢食用油摻量從5%增加到10%時，對應的瀝青混合料的最大車轍深度也幾乎翻倍。當SBS摻量從6%增加到8%時，對應的瀝青混合料車轍深度降低。盡管廢食用油對瀝青混合料的抗車轍性有負面影響，但SBS的添加能抵消廢食用油對混合料高溫性能的影響。另外，還發現WSAM的試驗結果無剝落拐點，這表明WSAM的主要失效原因是車轍破壞，而并非發生水損害。

2.2 SCB試驗結果

如圖2和圖3所示分別顯示了不同老化水平下瀝青混合料的斷裂能（Gf）和彈性指數（FI）。

由圖2可知，在短期老化狀態下，對照組和5%W+6%SBS的Gf值相似，而另外兩種瀝青混合料（10%W+6%SBS和10%W+8%SBS）的Gf值較低，這說明5%W+6%SBS與基質瀝青混合料的低溫抗裂性接近。同時，添加更高摻量的廢食用油或SBS聚合物（8%SBS和10%廢食用油）會降低試樣的Gf值。由圖2還可看出，高摻量下的SBS與廢食用油對提高瀝青混合料的低溫抗裂性效果不大。

由圖3可知，與基質瀝青混合料相比，所有WSAM在短期老化、長期老化、雙倍長期老化水平下的FI值分別高出約2倍、3倍和5倍。這表明摻入SBS和廢食用油均能提高瀝青混合料的低溫抗裂性。從圖3還可以看出，在3種老化狀態下，5%W+6%SBS和10%W+6%SBS的FI值相差不大，這說明廢食用油摻量的增加對瀝青混合料的低溫抗裂性影響不明顯。對于SBS改性劑對FI值的影響，通過比較10%W+6%SBS和10%W+8%SBS的FI值結果，可以發現SBS摻量的增加使瀝青混合料的抗裂性略有提高。

2.3 IDEAL-CT試驗結果

如圖4所示為IDEAL-CT試驗的試樣開裂后與開裂前的能量比結果。由圖4可以發現，在峰值加載作用下試樣出現裂紋后，由于SBS的彈性性質可以減緩瀝青混合料在疲勞開裂過程中的能量耗散，與基質瀝青混合料相比，所有WSAM在相同老化狀態下的能量比（ER）更高，這驗證了廢食用油和SBS復合改性的優勢。由圖4還可發現，對于長期老化和雙倍長期老化，無論SBS和廢食用油的摻量是多少，WSAM的能量比都相似。

如圖5所示顯示了瀝青混合料的CTI值。由圖5可知，經過短期老化處理后的WSAM的CTI值高于基質瀝青混合料。這說明WSAM在服役初期比基質瀝青混合料具有更高的抗疲勞性能，表明WSAM在短期老化狀態下抗裂性明顯提高。在長期老化狀態下，WSAM的CTI值低于基質瀝青混合料；在雙倍長期老化狀態下，WSAM的CTI值與基質瀝青混合料接近。該結果表明瀝青混合料的老化程度影響WSAM的抗裂性。綜上所述，SBS和廢食用油的使用提高了瀝青混合料早期的抗疲勞開裂性能，然而老化對改性劑的提升效果有負面影響。

3 結語

（1）漢堡車轍試驗結果表明，廢食用油的添加不利于瀝青混合料的高溫抗車轍性能，與其他瀝青混合料相比，5%的廢食用油+6%SBS摻配比例下的瀝青混合料具有更好的抗車轍性能。

（2）SCB試驗結果表明，老化程度的加深使瀝青混合料低溫抗裂性能下降，在相同老化程度下，廢食用油和SBS的復合改性能改善混合料的低溫開裂。

（3）IDEAL-CT試驗結果表明，在短期老化狀態下，SBS和廢食用油的添加改善了瀝青混合料早期的抗疲勞開裂性能；隨著混合料從短期老化過渡到長期老化，改性劑的改善效果和混合料抗疲勞性能明顯下降。

參考文獻

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［6］張穎森，高 穎，郭慶林，等.老化前后瀝青與瀝青混合料指標相關性分析［J］.河北工程大學學報（自然科學版），202 39（3）：70-76.

［7］顧展飛，趙學文，張 振，等.聚烯烴彈性體/苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物改性瀝青混合料的抗老化性能［J］.合成橡膠工業，202 45（5）：386-392.

收稿日期：2023-10-23

作者簡介：戴 明（1975—），碩士，高級工程師，主要從事公路、鐵路等工程的設計、施工及項目管理工作。