DOP對SBS改性生物瀝青混合料的路用性能研究★

何東坡 王晨宇

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

近年來，日常工作和生產中產生的生物資源引起了道路工作者的關注。生物資源來自于實際生產，并在經過物理和化學處理后即可以制備具有混合料性能的生物瀝青，因此受到了廣泛的學術關注。最常見的生物資源是生物油。大多數(shù)生物油是從動植物廢料(糞便，蔬菜秸稈等)的壓榨萃取和快速熱裂解中獲得的。生物油的主要成分是高分子碳化合物，易降解，對環(huán)境無污染，來源廣泛，為研究提供了廣泛的材料基礎。由于生物油是從各種廢物中提取的，且過濾過程并不復雜，因此生物瀝青的價格低于傳統(tǒng)復合瀝青的價格，生產成本約為每噸1 000元～2 000元。因此，在道路工程中使用生物油瀝青混合料意義重大，可以減少能源壓力，節(jié)省不可回收的能源并降低工程成本。

根據(jù)國內外科學家的研究，生物瀝青在高溫下化學性能更佳。具有較大的粘附性，但生物瀝青的延展性較低，說明低溫下存在硬脆的缺陷，無法承受較大的塑性變形。為了提高生物油大量代替的瀝青在低溫下的分解能力，查閱資料，找到化學工業(yè)中常用的鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)。在工業(yè)應用中，DOP分子可以增加聚合物分子之間的距離，增加聚合物的粘度，并降低聚合物的加工溫度。將DOP加入SBS改性生物瀝青中，制備了改性瀝青混合料，研究了其路用性能。

1 原材料與配合比設計

1.1 試驗材料

試驗選用盤錦生產的4%SBS改性瀝青。生物質重油來源于黑龍江省巴彥縣農村，原料為秸稈與木屑，經過物化處理后，常溫下呈黑褐色固體。DOP(鄰苯二甲酸二辛酯)來自于山東優(yōu)索化工科技。粗集料采用石灰?guī)r碎石，集料規(guī)格分別為10 mm～20 mm碎石、5 mm～10 mm碎石、3 mm～5 mm碎石。 細集料采用機制砂，規(guī)格為0 mm～2.36 mm。填料采用石灰?guī)r礦粉。對原材料進行配合比設計必要項目試驗檢測，具體檢測結果如表1～表4所示。

表1 SBS改性瀝青基本性能指標

表2 集料性能指標

表3 DOP性能指標

表4 生物油基本性能指標

1.2 改性劑摻量的確定

結合相關研究資料表明，DOP作為改性劑對不同瀝青基團的轉化影響的規(guī)律,推薦DOP添加量為2.5%～3%。SBS改性劑在實際鋪筑瀝青混合料路面時摻量一般為3%～5%。因此選取DOP/SBS改性生物瀝青中SBS的摻量為生物瀝青質量的4%，DOP的摻量為生物瀝青質量的2%。

1.3 配合比設計

試驗中選用AC-16級配，在級配范圍內取中值，級配的組成見表5。

表5 級配取值

運用馬歇爾試驗來確定40%改性生物瀝青混合料的最佳油石比，瀝青所占比重按0.5%的間隔分為4%,4.5%,5%,5.5%和6%。通過馬歇爾擊實儀制備馬歇爾試驗試件，對各個油石比下的馬歇爾試件的各項物理指標進行測定，測定結果如表6所示。并按照規(guī)范計算出最佳用油量。

表6 不同油石比下各項物理指標

根據(jù)試驗結果，按照JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術規(guī)范的要求，最佳油石比的確定過程包括確定OAC1和OAC2。首先，求取相應于密度最大值、穩(wěn)定度最大值、目標空隙率(或中值)、瀝青飽和度范圍中值的油石比，取四者的平均值作為OAC1。如果在所選擇的油石比范圍未能涵蓋瀝青飽和度的要求范圍，取前三者的平均值作為OAC1。對于所選擇試驗的油石比范圍，密度或穩(wěn)定度沒有出現(xiàn)峰值時，直接以目標空隙率所對應的油石比OAC1，但需驗證其位于OACmin～OACmax范圍內。其次，以各項指標均符合技術標準(不含VMA)的油石比范圍OACmin～OACmax的中值作為OAC2。最后，將OAC1和OAC2的中位數(shù)作為目標值。這個目標值即為最佳油石比OAC，并結合施工經驗、設計目標等級、交通與氣候條件，最終確定40%改性生物瀝青混合料的OAC=5.4%。按最佳油石比制備馬歇爾試件進行試驗，混合料的各項技術指標見表7。

表7 最佳油石比下混合料技術指標

2 路用性能試驗結果分析

2.1 高溫性能

高溫車轍試驗中將制備好的板狀試件放入60 ℃的恒溫室中保溫5 h，試驗輪與試件表面的接觸壓強0.7 MPa，試驗時間1 h。試驗結束后通過求得的瀝青混合料動穩(wěn)定度值來評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。實驗結果見表8。

表8 高溫穩(wěn)定性能結果

選取的參考值是改性瀝青混合料規(guī)范值。表8表明瀝青混合料的高溫性能滿足技術規(guī)范中炎熱的夏季區(qū)域2-2的規(guī)范要求。DOP的添加表明對改性生物瀝青的高溫性能有破壞作用，這與對改性生物復合瀝青的高溫性能的研究結果一致。沒有DOP摻量的改性生物瀝青混合料與 2.5% DOP摻量的改性生物瀝青混合料相比，其動穩(wěn)定度降低了16.7%，表明DOP的添加顯著削弱了復合生物瀝青混合料的高溫性能。

2.2 低溫性能

采用低溫小梁彎曲試驗來評價三種瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗采用規(guī)格為長250 mm±2.0 mm，寬30 mm±2.0 mm，高35 mm±2.0 mm的小梁，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min，對小梁跨中部位施加集中荷載，直至試件破壞，計算試件破壞時的抗彎拉強度、最大彎拉應變及彎曲勁度模量。試驗結果如表9所示。

表9 低溫穩(wěn)定性能結果

與不加DOP改性生物瀝青混合料相比，加DOP的改性生物瀝青混合料的極限拉應變提高了17.1%，表明DOP的摻入提高了改性生物瀝青混合料的低溫抗裂性能，且影響顯著。沒有加入DOP的改性生物瀝青混合料的低溫性能依然能滿足混合料的施工要求。

2.3 水穩(wěn)定性能

用于評估瀝青混合料水穩(wěn)定性的測試方法包括浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗。浸水馬歇爾試驗通過浸入水中的混合料的力學性能的削弱程度來評估瀝青混合物的水穩(wěn)定性。凍融劈裂試驗首先將混合料進行冷凍再融凍，然后進行劈裂試驗，并使用分裂強度比評估混合料的水穩(wěn)定性。實驗結果如表10所示。

表10 水穩(wěn)定性能試驗結果

根據(jù)浸水馬歇爾試驗，摻有DOP的改性生物瀝青混合物和不含DOP的改性生物瀝青混合物的殘余穩(wěn)定度均符合《施工技術規(guī)范》的要求。與不加DOP的改性生物瀝青混合料相比，含2.5%DOP的改性生物瀝青混合料的殘余穩(wěn)定度提高了7.8%，表明添加DOP顯著改善了生物瀝青混合料的水穩(wěn)性能。根據(jù)凍融劈裂試驗，不含DOP的改性生物瀝青混合料的凍融強度比低于DOP改性生物瀝青混合料的凍融強度比，但降低幅度較小。在凍融循環(huán)條件下凍融劈裂強度比均大于標準值，與0%DOP改性的生物瀝青混合料相比，2.5%DOP改性的生物瀝青混合料的凍融劈裂強度比提高了3.1%，說明DOP的添加有利于改善生物瀝青混合料水穩(wěn)定性能。

3 結論

1)改性生物瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性隨DOP的加入降低，但性能指標仍滿足規(guī)范要求。2)加入DOP能顯著提高改性生物瀝青混合料的低溫抗裂性和水穩(wěn)定性能。