生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青使用性能

曾夢瀾 祝文強 夏穎林 李君峰

摘? ?要：為研究生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青結合料使用性能，在60%范圍內對不同摻量（質量）生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青進行針入度、軟化點、延度、黏度和RTFO短期老化試驗，考察基質瀝青在生物瀝青和巖瀝青復合改性作用下各性能的變化. 試驗結果與分析表明：在保持生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青結合料與對照組基質瀝青結合料的25 ℃針入度一致時，巖瀝青與生物瀝青的比值和復合改性劑的摻量變化成正比例關系;復合改性瀝青針入度指數(shù)PI值增大，溫度敏感性得到改善;復合改性瀝青的高溫性能先略有降低而后一直提升，復合改性劑摻量約為15%時達到對照組基質瀝青水平;復合改性瀝青RTFO后殘留針入度比先略有減小而后一直增大，復合改性劑摻量約為20%時達到對照組基質瀝青水平，軟化點變化提升明顯;然而，瀝青的延度隨著復合改性劑的摻入而大幅降低，但瀝青混合料彎曲試驗對低溫性能的驗證顯示，復合改性劑的摻量不超過30%時，復合改性劑的摻入不會降低瀝青的低溫性能，反而有一定改善. 綜上所述，在20%～30%摻量范圍內，將復合改性劑替代部分石油瀝青不會降低瀝青的各類性能，甚至均有一定提高，且適應不同性能要求時摻量范圍上限或下限可適當放寬.

關鍵詞：生物瀝青;巖瀝青;復合改性;使用性能

中圖分類號：U416.217? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Abstract： This paper studied the performance of bio-asphalt and rock asphalt composite modified asphalt binder. To investigate the change of the properties of asphalt subjected to the composite modification of bio-asphalt and rock asphalt， tests on the penetration， softening point， ductility， viscosity and RTFO short-term aging of the bio-asphalt and rock asphalt composite modified asphalt binder with different content in the range of 60% were carried out. The test results and analysis indicate that when the 25 ℃ penetration of bio-asphalt and rock asphalt composite modified asphalt is consistent with the base asphalt binder， the ratio of rock asphalt to bio-asphalt are proportional to the content of composite modifier; The penetration index PI value of composite modified asphalt binder increases and the temperature sensitivity improves. The high temperature performance of composite modified asphalt decreases slightly first and then increases， and reaches its original level when the content of composite modifier is about 15%; The retained penetration of composite modified asphalt after RTFO decreases slightly first and then increases always， and finally reaches its original level when the content of composite modifier is about 20%， and the change of softening point increases obviously; However， the ductility of asphalt decreases significantly with the addition of the composite modifier. However， the bending test of asphalt mixture demonstrates that the addition of composite modifier does not decrease the low temperature performance of asphalt and improves it to some extent. In a whole， within the content from 20% to 30%， replacing some petroleum asphalt with compound modifier improves the performance of asphalt. Furthermore， the upper or lower content limit can be broadened appropriately when different performance requirements are to be met.

Key words： bio-asphalt;rock asphalt;composite modification;performance

隨著公路交通建設的突飛猛進和道路里程不斷增加，用于建設瀝青路面的石油瀝青需求量也在不斷增加.然而石油屬于不可再生資源，經(jīng)過量開采和大量消費后，石油資源必將逐漸枯竭，因此尋找一種可替代石油瀝青的可再生鋪筑材料迫在眉睫[1-3].生物瀝青作為一種可再生的新型瀝青替代品，近年來越來越受到學者們的重視. 當生物瀝青摻入石油瀝青中時，瀝青的低溫性能得到改善，然而對其高溫穩(wěn)定性及抗老化性能產(chǎn)生不利影響，這就不利于大幅度提高生物瀝青的摻配比例、減少石油瀝青用量[4].因而，有必要對生物瀝青改性瀝青進行復合改性.在眾多瀝青改性技術中，巖瀝青改性是現(xiàn)階段應用較廣泛、較成熟的技術之一，其應用不僅在很大程度上降低了道路病害產(chǎn)生的頻率，而且有效延長了瀝青路面的使用年限. 因而，利用巖瀝青改性技術能獲取高品質的改性瀝青. 但與此同時，巖瀝青改性瀝青存在著一定的局限性：巖瀝青改性瀝青顯著提高了基質石油瀝青的高溫性能及瀝青路面的抗車轍能力，但同時對瀝青的低溫性能產(chǎn)生了不利影響[5].本研究擬采用生物瀝青和巖瀝青兩種改性效果幾乎相反的改性劑對基質石油瀝青進行復合改性，其復合改性的效果作為摻入生物瀝青及巖瀝青復合改性劑的效果進行整體研究. 在本文的試驗研究中，在基質瀝青中摻入復合改性劑制成生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青結合料，然后對其進行針入度、軟化點、延度及RTFO短期老化方面的試驗，研究生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青的溫度敏感性、高溫性能、低溫性能及抗老化性能，為生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青的工程應用奠定理論基礎.

1? ?試驗材料

1）基質瀝青：基質瀝青采用70號A級道路石油瀝青，基質瀝青的技術指標[6]見表1.

2）生物瀝青：本研究采用的生物瀝青為蓖麻油植物瀝青，其原料是蓖麻子，蓖麻子經(jīng)加工獲取蓖麻油后，剩余的下腳油再經(jīng)過一系列的物理化學工藝處置，最終獲得植物瀝青. 外觀上，這種蓖麻油植物瀝青與石油瀝青基本類似，常溫下為黑色固體，顏色稍偏淡.

3）巖瀝青：巖瀝青采用歐洲巖瀝青，但由于國內暫無歐洲巖瀝青技術標準，表2中列出了青川巖瀝青技術標準[7].

2? ?實驗室試驗

2.1? ?復合改性瀝青的制備

瀝青的稠度綜合反映了瀝青結合料的內黏性和彈性抵抗變形能力，通常僅限于體現(xiàn)不高于60 ℃條件時瀝青的黏稠程度[8].巖瀝青對基質瀝青進行改性時，使得巖瀝青改性瀝青變硬，稠度變大;而生物瀝青對基質瀝青進行改性時，使得生物瀝青改性瀝青變軟，稠度變小. 針入度反映了瀝青的稠度大小和軟硬程度，是我國選擇瀝青標號的主要依據(jù). 為確保采用復合改性劑替代部分石油瀝青后，復合改性瀝青的瀝青標號仍保持不變，以方便其工程應用. 因此本次試驗在進行瀝青復合改性研究中，保持改性瀝青的25 ℃針入度為不變量，以對照組基質瀝青25 ℃針入度為標準，通過保持生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青與對照組基質瀝青的25 ℃針入度一致，來確定復合改性劑不同摻量時巖瀝青與生物瀝青的摻配比例，從而制備生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青結合料.

把巖瀝青依照預定的摻配比例摻入基質瀝青中，然后在160 ℃溫度下用攪拌機以1 500 r/min的轉速攪拌30 min，使得巖瀝青和基質瀝青充分混合. 然后在155～165 ℃溫度下用高速剪切儀以3 000 r/min的轉速剪切1 h. 剪切完成后，待剪切儀中的溫度降至145 ℃時，再按照預定的摻配比例加入生物瀝青，以1 500 r/min的轉速攪拌30 min. 本研究設定復合改性劑摻量為瀝青總量的10%、20%、30%、40%、50%和60%. 其中對照組基質瀝青采用與改性瀝青同樣的制備過程，得到零摻量試樣. 經(jīng)過瀝青針入度試驗，得到對照組零摻量試樣的25 ℃針入度為62.1（0.1 mm），以25 ℃針入度為62.1（0.1 mm）（可允許小范圍內有一定波動）為生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青制樣成功的標準. 復合改性劑摻量分別為10%～60%時，調整每種摻量下巖瀝青與生物瀝青的摻配比例，制得每種摻量下巖瀝青與生物瀝青多種摻配比例的復合改性瀝青，然后進行25 ℃針入度試驗. 經(jīng)過多次探索性針入度試驗，最終得到生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青25 ℃針入度值最接近62.1（0.1 mm）時，不同摻量復合改性劑的巖瀝青與生物瀝青摻配比例，試驗結果見表3.

2.2? ?改性瀝青性能測試

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）進行針入度、軟化點、延度、黏度和老化試驗[9].采用試驗規(guī)程T0604—2011試驗方法進行針入度試驗;采用試驗規(guī)程T0606—2011試驗方法進行軟化點試驗;采用試驗規(guī)程T0605—2011試驗方法進行延度試驗;采用試驗規(guī)程T0625—2011試驗方法進行黏度試驗;采用試驗規(guī)程T0610—2011試驗方法進行老化試驗.

3? ?試驗結果分析

3.1? ?針入度試驗結果

本次試驗研究以對照組基質瀝青25 ℃針入度為標準，保持改性瀝青與對照組基質瀝青25 ℃針入度一致，通過表3可確定復合改性劑各種摻量下巖瀝青與生物瀝青的摻配比例. 其摻配比例的比值與復合改性劑摻量的變化關系如圖1所示.

圖1顯示，隨著復合改性劑摻量的逐漸增加，巖瀝青與生物瀝青摻配比例的比值也逐漸增大，其比值大小與復合改性劑摻量變化呈良好的正比例關系，經(jīng)線性回歸后可確定公式為y = 0.010 4x. 因此復合改性劑任何摻量時，均可確定生物瀝青和巖瀝青的摻配比例，故保持改性瀝青25 ℃針入度不變的試驗條件具有通用性.

瀝青結合料感溫性能常用針入度指數(shù)PI值進行評價，一般認為，PI值越大，溫度變化對瀝青結合料的性能影響越小，感溫性能越好[10].針入度指數(shù)PI值按照JTG E20-2011規(guī)程中T0604-2011“瀝青針入度試驗方法”中的針入度指數(shù)公式法進行計算. 將5 ℃、15 ℃以及25 ℃三個溫度下測得的針入度值取對數(shù)，然后與溫度進行線性回歸，如式（2），可求得針入度溫度指數(shù)Alg Pen，再將其代入式（1），即可計算得到針入度指數(shù)PI值[9].生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青的針入度指數(shù)PI值隨復合改性劑摻量的變化如圖2所示.

式中：T為針入度試驗溫度;1g P為針入度值的對數(shù);K為方程的常數(shù)項a;Alg Pen為方程的系數(shù)b.

圖2顯示，隨著復合改性劑摻量的增加，復合改性瀝青的PI值逐漸增大，當復合改性劑摻量從0%增加到60%時，PI值由-1.3增加到1.4，增量顯著. 表明摻入復合改性劑后瀝青的溫度敏感性降低，瀝青性能受到溫度變化的影響減小，復合改性瀝青的感溫性能得到極大改善. 另外，當復合改性劑摻量為50%和60%時，改性瀝青的PI值分別為1.1和1.4. 根據(jù)《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40—2004）的技術要求，道路A級石油瀝青的PI值一般在-1.5～1.0之間，但對改性瀝青的PI值暫無規(guī)范要求，一般不宜超過2.0[11].

3.2? ?軟化點試驗結果

軟化點描述的是瀝青從黏塑性狀態(tài)轉變?yōu)轲ち鳡顟B(tài)的臨界溫度，本質上反映的是一種瀝青的條件黏度. 瀝青的高溫性能一般用軟化點的高低進行評價. 由于高溫會影響到瀝青結合料的黏彈性，使得瀝青變軟，因而所采用的瀝青軟化點越高，高溫性能也就越好. 生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青的軟化點隨復合改性劑的摻量變化如圖3所示.

圖3顯示，當復合改性劑的摻量為10%時，軟化點相對于對照組基質瀝青略有降低，但是隨著復合改性劑摻量的繼續(xù)增加，軟化點不斷提高，復合改性劑摻量約為15%時提高至對照組基質瀝青水平，且摻量越多，軟化點提高速率越快. 復合改性劑摻量為10%、20%、30%、40%、50%和60%時改性瀝青的軟化點分別是對照組基質瀝青98%、100.6%、102%、110%、126%和150%. 表明復合改性劑摻量約為15%時復合改性瀝青的高溫性能與對照組基質瀝青基本保持不變，隨著復合改性劑摻量繼續(xù)增加，瀝青的高溫性能逐漸得到提高，且摻量越多，提高越顯著.

3.3? ?延度試驗結果

低溫條件下瀝青路面的開裂形式一般表現(xiàn)為：瀝青混合料中的瀝青膜首先被拉伸破壞，然后整個瀝青混合料產(chǎn)生開裂破壞，因此瀝青低溫條件下的變形能力在一定程度上反映了瀝青混合料的低溫抗裂性能[12].本次試驗采用延度指標對生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青的低溫性能進行研究. 本研究中，對復合改性瀝青進行了15 ℃的延度試驗. 其中零摻量試樣采用與改性瀝青同樣的制備工藝后，在15 ℃時延度值為93.8 cm，與未經(jīng)過加工工藝的原樣基質瀝青相比，延度有一定程度的降低. 生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青的延度隨復合改性劑摻量的變化如圖4所示.

圖4顯示，瀝青的延度隨著復合改性劑摻量的增加而大幅下降，表明瀝青的延展性降低. 然而，本研究中造成瀝青延度大幅下降的原因，可能是由于復合改性劑的物理組成所致，復合改性劑中含有大量礦物質顆粒，當瀝青受到拉伸時，礦物質顆粒在瀝青內部產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，造成瀝青局部拉裂. 因此采用延度變化來評價生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青的低溫性能還有待進一步研究，需從瀝青混合料等方面對低溫性能進行綜合評價，下面采用瀝青混合料彎曲試驗對瀝青的低溫性能進行深入研究[13].

3.4? ?混合料彎曲試驗結果

為了綜合評價復合改性劑對基質石油瀝青低溫性能的影響，采用瀝青混合料彎曲試驗進行驗證. 瀝青混合料級配為AC-20C，評價指標為試件在-10 ℃條件下破壞時最大彎拉應變（εB）. 一般認為，最大彎拉應變越大，越不容易開裂，其低溫性能越好. 對復合改性劑摻量為0%、15%、30%、45%、60%的改性瀝青混合料分別進行小梁低溫彎曲試驗，最大彎拉應變隨復合改性劑摻量的變化如圖5所示.

圖5顯示，當復合改性劑摻量為15%時，復合改性瀝青混合料的彎拉應變相對于對照組基質瀝青有所提高，然而隨著復合改性劑摻量的繼續(xù)增加，混合料的彎拉應變逐漸降低. 摻量為15%、30%、45%和60%的瀝青混合料破壞彎拉應變分別為

2 535με、2 303με、1 915με和1 696με，分別是對照組基質瀝青的108%、98%、81.6%和72.2%. 表明復合改性劑摻量不超過30%時，不會對瀝青的低溫性能產(chǎn)生不利影響，甚至有一定改善.

3.5? ?黏度試驗結果

瀝青的黏度用來表現(xiàn)瀝青的黏滯性，體現(xiàn)了瀝青材料在外力作用下抵抗剪切變形的能力. 瀝青結合料及瀝青混合料的高溫性能與瀝青的黏度有較好的相關性，故瀝青的黏度可用來估計瀝青混合料的高溫抗車轍能力，瀝青黏度越大，在外力作用下產(chǎn)生的剪切變形越小，彈性恢復性能越好，殘留的永久變形越小，抗車轍能力越強[14-15]. 另外，依據(jù)《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40—2004）和Superpave瀝青結合料規(guī)范，為滿足施工和易性的要求，改性瀝青在溫度為135 ℃時黏度不能超過3 Pa·s.生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青的黏度隨復合改性劑摻量的變化如圖6所示.

圖6顯示，在同一溫度下，隨著復合改性劑摻量的增加，生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青的黏度呈增大的趨勢，摻量為20%～60%時增速明顯加快. 以135 ℃黏度為例，復合改性劑摻量為20%、30%、40%、50%和60%的改性瀝青，其黏度分別比基質瀝青提高了24%、54%、98%、144%和242%. 表明復合改性劑的摻入提高了瀝青在高溫條件下抵抗剪切變形的能力，且摻量越多，提高越顯著. 另外，復合改性瀝青的135 ℃黏度值均不大于3 Pa·s，滿足我國現(xiàn)行技術規(guī)范和Superpave瀝青結合料規(guī)范的要求.

3.6? ?老化試驗結果

RTFO老化試驗是一種模擬瀝青材料短期老化的方式，通常利用瀝青老化后的質量損失、軟化點增量及殘留針入度比等指標來評價瀝青抗老化性能. 本試驗通過研究復合改性瀝青與對照組基質瀝青老化后的質量損失、軟化點增量及殘留針入度比來分析復合改性劑的摻入對基質瀝青抗老化性能的影響.

圖7所示為RTFO短期老化后復合改性瀝青的質量變化.圖7顯示，瀝青的質量損失隨復合改性劑摻量增多而增大，但均滿足規(guī)范JTG F40—2004的技術要求. 然而，這是由于復合改性劑的物理組成中含有大量的揮發(fā)性物質和礦物質成分，造成了絕大部分的質量損失. 因此瀝青的質量損失隨著復合改性劑摻量的增加而增大并不能說明瀝青的抗老化性能降低.

復合改性瀝青RTFO短期老化后的軟化點變化見圖8. 圖8顯示，復合改性瀝青結合料短期老化后軟化點變化均隨復合改性劑的摻量增加而提高. 當復合改性劑的摻量從0增加到60%時，軟化點變化從4.7 ℃提高到18.6 ℃，提升了13.9 ℃，軟化點變化提升明顯. 在軟化點變化提升這方面，短期老化對生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青結合料產(chǎn)生有利影響，瀝青的高溫穩(wěn)定性得到提高.

圖9所示為復合改性瀝青25 ℃殘留針入度比. 圖9顯示，隨著復合改性劑的摻入，瀝青的殘留針入度比先略有減小后不斷增大，復合改性劑摻量約為20%時達到對照組基質瀝青水平，當復合改性劑摻量超過40%時，殘留針入度比的增大速率加快. 表明復合改性劑摻入超過20%時，復合改性瀝青的抗老化能力從對照組基質瀝青的水平隨著復合改性劑摻量增加一直提高，且摻量越多，抗老化能力提高越顯著.

4? ?結? ?論

本次試驗研究通過瀝青針入度試驗、軟化點試驗、延度試驗、黏度試驗和RTFO老化試驗，評價了生物瀝青及巖瀝青復合改性瀝青的溫度敏感性、高溫性能、低溫性能及抗老化性能，并采用混合料彎曲試驗驗證低溫性能. 試驗結果與分析顯示：

1）在保持復合改性瀝青與對照組基質瀝青的25 ℃針入度一致時，巖瀝青與生物瀝青摻配比例的比值與復合改性劑摻量變化具有y = 0.010 4x的正比例關系，因此試驗條件的保持具有通用性.

2）隨著復合改性劑摻量的增加，針入度指數(shù)PI值和黏度均不斷增大，且摻量越多，增量越顯著. 表明復合改性劑的摻入可顯著改善瀝青的溫度敏感性和增強抵抗變形能力.

3）復合改性劑摻量超過15%時，復合改性瀝青的高溫性能從對照組基質瀝青水平隨著摻量的增加一直得到提高，且摻量越多，提高越顯著.

4）延度隨著復合改性劑的摻入而大幅降低，但采用瀝青混合料彎曲試驗驗證顯示，復合改性劑摻量不超過30%時，復合改性劑的摻入不會對瀝青的低溫性能產(chǎn)生不利影響，甚至有一定改善.

5）復合改性劑摻量超過20%時，復合改性瀝青的抗老化能力從對照組基質瀝青水平隨著摻量的增加一直得到提高，且當摻量超過40%時，提高更為顯著.

6）復合改性劑摻量在20%～30%的范圍內，復合改性劑的摻入提高了瀝青的高溫性能和抗老化能力，改善了溫度敏感性，同時對瀝青的低溫性能有一定改善，且適應不同性能要求時摻量范圍上限或下限可適當放寬.

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收稿日期：2018-05-08

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

作者簡介：曾夢瀾（1954—），男，湖南漢壽人，湖南大學教授，博士

通訊聯(lián)系人，E-mail：menglanzeng@hnu.edu.cn