煤直接液化殘?jiān)蛷U食用油復(fù)合改性瀝青及混合料性能研究

陳建友

(青海省交通檢測(cè)有限公司，青海 西寧 810003)

0 引言

煤直接液化殘?jiān)?direct coal liquefaction residue，DCLR)和廢食用油(waste cooking oil，WCO)已經(jīng)成為我國(guó)工業(yè)和食品業(yè)主要廢棄物之一。DCLR是煤炭提純過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，其成分與道路石油瀝青相似[1]。WCO是高溫反復(fù)使用后形成的廢棄油脂，WCO主要成分為輕質(zhì)油分和芳香烴，這些也是石油瀝青主要成分之一[2]。因此，將DCLR和WCO摻入瀝青中用于修建瀝青路面是利用這兩種廢棄物的有效方法之一。據(jù)交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年約消耗石油瀝青2 200～2 400萬(wàn)噸[3]，如果實(shí)現(xiàn)DCLR和WCO雙重改性瀝青并用于鋪筑路面工程，每年可消耗大量的DCLR和WCO。

Yang等研究表明DCLR可替代特立尼達(dá)湖瀝青作為改性劑[1]，將DCLR摻入基質(zhì)瀝青后，瀝青的分子結(jié)構(gòu)、組分等并沒(méi)有發(fā)生變化[4]，并且相容性很好[5]，但是當(dāng)DCLR摻量超過(guò)一定含量時(shí)，瀝青與DCLR的相容性以及性能指標(biāo)都急劇下降[5]。劉雨晴等研究表明，WCO摻量宜不大于12%，過(guò)量的WCO會(huì)降低瀝青與集料之間的黏附性，降低瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，且對(duì)低溫性能也不利[2]。武昊發(fā)現(xiàn)隨著DCLR摻量提高，DCLR與瀝青的相容性降低，當(dāng)使用70#瀝青時(shí)，DCLR摻量宜低于8%[5]。DCLR可提升瀝青及瀝青混合料的高溫性能，但對(duì)低溫性能有所損害[6-9]，DCLR可提高瀝青的黏聚力、改善瀝青與集料的黏附性[9]，提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性能[10]。對(duì)DCLR改性瀝青研究難點(diǎn)主要在于如何消除其對(duì)低溫抗裂性能的損害，添加增容劑復(fù)合改性是目前主要的研究方向，如采用硅烷偶聯(lián)劑、苯甲醛、二甲苯、環(huán)氧大豆油等[11-12]，可有效提高DCLR改性瀝青的低溫延性。

WCO的主要成分是輕質(zhì)油分和芳香烴，目前國(guó)內(nèi)外道路工程行業(yè)主要用WCO作為再生劑使用。Dugan等[13]研究表明，廢植物油作為再生劑可顯著降低老化瀝青的黏度、低溫等級(jí)溫度以及抗疲勞開(kāi)裂能力。Devulapalli等[14]研究發(fā)現(xiàn)添加6%的WCO可顯著提高40%RAP再生瀝青混合料的凍融劈裂比。WCO4組分試驗(yàn)結(jié)果表明，WCO主要組分為飽和分、芳香分和膠質(zhì)，可以增加老化瀝青中的輕質(zhì)油分含量，降低瀝青質(zhì)含量，使膠體結(jié)構(gòu)趨向溶膠型，同時(shí)也可以改善再生瀝青混合料的低溫性能、水穩(wěn)定性能及疲勞性能[2]。曾飛等[15]采用WCO直接改性瀝青，發(fā)現(xiàn)WCO可顯著改善瀝青的低溫性能，但是對(duì)高溫性能不利。為克服添加WCO高溫性能不足的特點(diǎn)，通常選擇復(fù)合改性的方法提升高溫性能，如添加橡膠粉、SBS聚合物等[16-17]。

對(duì)比DCLR和WCO改性瀝青后的性能變化可以發(fā)現(xiàn)，兩者改性瀝青性能優(yōu)缺點(diǎn)正好互補(bǔ)。DCLR中主要含有瀝青質(zhì)，瀝青混合料的高溫性能得到改善，低溫性能變差，而WCO主要含有油分和芳香分，改善瀝青混合料的低溫性能。因此，如果將DCLR和WCO對(duì)瀝青復(fù)合改性，既可以彌補(bǔ)單一改性瀝青性能的缺陷，還可以增加廢棄物的使用量。何亮證明環(huán)氧大豆油可以提高DCLR改性瀝青的低溫性能[11]，證實(shí)DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青具有可行性。基于此，本研究對(duì)DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青性能進(jìn)行探索，首先對(duì)DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青的溫度敏感性、高低溫性能和流變性能進(jìn)行測(cè)試分析，其次對(duì)DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行驗(yàn)證，為后續(xù)DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青的進(jìn)一步研究作參考。

1 驗(yàn)原材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

1.1.1 基質(zhì)瀝青

基質(zhì)瀝青采用SK70#基質(zhì)瀝青，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)測(cè)出其主要技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。

表1 基質(zhì)瀝青基本性能指標(biāo)Tab.1 Basic performance indicators of asphalt

1.1.2 DCLR

DCLR來(lái)源于某能源股份有限公司，其基本性質(zhì)如表2所示。

表2 DCLR基本性質(zhì)Tab.2 Basic properties of DCLR

1.1.3 WCO

WCO來(lái)源于某油條店多次煎炸后的大豆油，其基本性質(zhì)見(jiàn)表3。

表3 WCO基本性質(zhì)Tab.3 Basic properties of WCO

1.1.4 集料

粗細(xì)集料均為石灰?guī)r，集料根據(jù)粒徑分為0～3，3～5，5～10 mm和10～15 mm這4擋。以2.36 mm為粗細(xì)集料的分界線，粗集料的技術(shù)指標(biāo)如表4所示，細(xì)集料和礦粉的技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

表4 粗集料的技術(shù)指標(biāo)Tab.4 Technical indicators of coarse aggregate

表5 細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)Tab.5 Technical indicators of fine aggregate

1.2 改性瀝青制備工藝

參考已有的研究結(jié)果，本研究選取摻量5% DCLR和5% WCO改性瀝青，以及5% DCLR+5% WCO復(fù)合改性瀝青，以此探討改性后瀝青與瀝青混合料的性能。研究表明，如果將DCLR直接加入基質(zhì)瀝青中，有少量DCLR沉淀在底部，而首先將DCLR加熱到熔融狀態(tài)，再改性瀝青，可明顯提高改性瀝青質(zhì)量穩(wěn)定性[6]。因此，本研究制備改性瀝青時(shí)，首先將DCLR加熱至熔融狀態(tài)，再倒入基質(zhì)瀝青中高速剪切。DCLR改性瀝青的制備過(guò)程如圖1(a)所示。WCO改性瀝青的制備過(guò)程如圖1(b)所示。DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青的制備過(guò)程如圖1(c)所示。

圖1 改性瀝青制備工藝Fig.1 Preparation technology of modified asphalt

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.3.1 瀝青膠結(jié)料性能試驗(yàn)

對(duì)基質(zhì)瀝青、DCLR改性瀝青、WCO改性瀝青和5%DCLR/5%WCO復(fù)合改性瀝青的溫度敏感性、高溫性能、低溫性能以及流變性能進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法包括：(1)針入度試驗(yàn)：分別測(cè)試15 ℃，25 ℃和30 ℃瀝青試樣的針入度，測(cè)試方法參照規(guī)范(JTGE20—2011)，以針入度指數(shù)PI評(píng)價(jià)瀝青的溫度敏感性，以當(dāng)量軟化點(diǎn)T800評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能，以當(dāng)量脆點(diǎn)T1.2評(píng)價(jià)瀝青的低溫性能，測(cè)試方法參照規(guī)范(JTGE20—2011)。(2)軟化點(diǎn)試驗(yàn)：測(cè)試初始溫度為5 ℃，水溫上升速度為5 ℃/min，測(cè)試方法參照規(guī)范(JTGE20—2011)，以軟化點(diǎn)評(píng)價(jià)瀝青的熱穩(wěn)定性能。(3)延度試驗(yàn)：試驗(yàn)溫度為10 ℃，拉伸速度為5 cm/min，測(cè)試方法參照規(guī)范(JTGE20—2011)，以延度評(píng)價(jià)瀝青的延展性能。(4)動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)：當(dāng)試驗(yàn)溫度為52，58，64，70 ℃時(shí)，試驗(yàn)方法參照規(guī)范(AASHTO T 315—2020)[18]，以復(fù)數(shù)剪切模量G*、相位角δ和抗車(chē)轍因子G*/sinδ評(píng)價(jià)瀝青的高溫流變性能。當(dāng)試驗(yàn)溫度為19，22，25，28，31 ℃時(shí)，試驗(yàn)方法參照規(guī)范(AASHTO T 315—2020)[18]，以疲勞因子G*·sinδ評(píng)價(jià)瀝青的中溫流變性能。(5)彎曲梁流變?cè)囼?yàn)：試驗(yàn)溫度為-6，-12和-18 ℃，試驗(yàn)方法參照規(guī)范(AASHTO T313—2005)[19]，以勁度模量S和蠕變速率m評(píng)價(jià)瀝青的低溫流變性能。

1.3.2 瀝青混合料性能試驗(yàn)

以AC-13級(jí)配中值為設(shè)計(jì)級(jí)配，如圖2所示。分別以4種瀝青制作瀝青混合料，測(cè)試其路用性能。試驗(yàn)前，先以馬歇爾設(shè)計(jì)法獲得基質(zhì)瀝青混合料、DCLR改性瀝青混合料、WCO改性瀝青混合料和5%DCLR/5%WCO復(fù)合改性瀝青混合料的OAC1分別為4.83%，5.48%，4.55%和5.02%，OAC2分別為5.12%，5.14%，4.97%和5.27%，確定的最佳油石比分別為5.0%，5.3%，4.8%和5.1%，然后對(duì)4種瀝青混合料的路用性能進(jìn)行測(cè)試。由于制作混合料時(shí)，集料加熱溫度較高，WCO的輕質(zhì)組分容易揮發(fā)，降低了復(fù)合改性瀝青中WCO的摻量，同時(shí)為驗(yàn)證WCO摻量是否超過(guò)峰值反而降低瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，因而增加5%DCLR+7%WCO復(fù)合改性和5%DCLR+9%WCO復(fù)合改性瀝青混合料性能的測(cè)試。為書(shū)寫(xiě)方便，3種復(fù)合改性瀝青混合料分別以5D+5W，5D+7W，5D+9W表示，其中數(shù)字表示摻量的百分比，字母D表示DCLR，字母W表示W(wǎng)CO。5D+7W和5D+9W復(fù)合改性瀝青混合料的油石比與5D+5W復(fù)合改性瀝青混合料相同。

圖2 瀝青混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配Fig.2 Design gradation of asphalt mixture

路用性能試驗(yàn)方法包括：(1)高溫穩(wěn)定性：以車(chē)轍試驗(yàn)作為瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法，測(cè)試方法參照規(guī)范(JTG E20—2011)，以動(dòng)穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。(2)低溫抗裂性能：以低溫小梁彎曲試驗(yàn)作為瀝青混合料低溫抗裂性能的試驗(yàn)方法，測(cè)試方法參照規(guī)范(JTG E20—2011)，以破壞應(yīng)變作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。(3)水穩(wěn)定性能：以浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)作為瀝青混合料水穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法，測(cè)試方法參照規(guī)范(JTG E20—2011)，分別以馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 瀝青膠結(jié)料性能試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 常規(guī)性能指標(biāo)

經(jīng)過(guò)DCLR，WCO和DCLR/WCO復(fù)合改性后的瀝青的針入度、延度和軟化點(diǎn)如表5所示。從表5可以看出，加入DCLR后，瀝青的針入度和延度分別降低了21.4%和72.9%，軟化點(diǎn)升高了11.9%，說(shuō)明添加DLCR后瀝青的標(biāo)號(hào)降低；加入WCO后，瀝青的針入度和延度分別增大了38.9%和35.7%，軟化點(diǎn)降低了14.9%，說(shuō)明添加WCO后瀝青的標(biāo)號(hào)提升，這與曾飛等[15]試驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似。對(duì)比DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青和DCLR改性瀝青可以發(fā)現(xiàn)，針入度和延度分別增加了43.0%和18.4%，軟化點(diǎn)降低了14.8%；對(duì)比DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青和WCO改性瀝青可以發(fā)現(xiàn)，針入度和延度分別減少了19.1%和43.2%，軟化點(diǎn)增加了12.1%，由此證實(shí)了DCLR和WCO具有調(diào)和作用，并且摻量5%的DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青接近于70#瀝青的指標(biāo)要求。

圖3 瀝青的性能指標(biāo)Fig.3 Performance indicators of asphalt

2.1.2 感溫性能

以針入度指數(shù)PI評(píng)價(jià)瀝青的溫度敏感性，針入度指數(shù)PI越大，瀝青的溫度敏感性越小。經(jīng)過(guò)DCLR，WCO和DCLR/WCO復(fù)合改性后的瀝青的針入度指數(shù)PI如圖4所示。從圖4可以看出，添加WCO后，瀝青的針入度指數(shù)與基質(zhì)瀝青相比有所降低，說(shuō)明WCO增大了瀝青的感溫性能，其原因是WCO中的油分較多，降低了瀝青的分子量，分子量小的物質(zhì)活化能更低，更容易受溫度的影響。添加DCLR之后，瀝青的針入度指數(shù)相比基質(zhì)瀝青增大，說(shuō)明DCLR降低了瀝青的感溫性能，其原因可能是DCLR中的瀝青質(zhì)增加了瀝青的分子量，分子量大的物質(zhì)活化能更大，降低了其受溫度的影響。添加DCLR/WCO復(fù)合改性后，瀝青的針入度指數(shù)介于DCLR和WCO改性瀝青之間，比基質(zhì)瀝青稍高，說(shuō)明兩種改性劑可以相互調(diào)和配制感溫性能與基質(zhì)瀝青相當(dāng)?shù)臑r青。從圖4還可以看出，DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青針入度指數(shù)在-2～2范圍內(nèi)，屬于溶凝膠型結(jié)構(gòu)，可以作為道路瀝青使用[20]，說(shuō)明將DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青用于鋪筑瀝青路面是可行的。

圖4 瀝青的針入度指數(shù)Fig.4 Penetration index of asphalt

2.1.3 高溫性能

采用當(dāng)量軟化點(diǎn)T800評(píng)價(jià)瀝青的高溫性能，4種瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)如圖5所示。曾夢(mèng)瀾等[21]研究表明，當(dāng)量軟化點(diǎn)與PG高溫等級(jí)有很好的相關(guān)性，當(dāng)量軟化點(diǎn)越高，其高溫性能越好。從圖5可以看出，添加WCO后，瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)降低了約7.8%，高溫性能降低，其原因是WCO油中的輕質(zhì)組分含量較高，充當(dāng)了瀝青膠體之間的潤(rùn)滑劑，降低了瀝青的黏聚力，因而高溫性能下降。當(dāng)添加DCLR后，瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)增大了約6.4%，高溫性能提高，其原因是添加DCLR后瀝青向凝膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，瀝青膠體之間的潤(rùn)滑作用減弱，黏聚力增大，因而高溫性能提升。當(dāng)DCLR/WCO復(fù)合改性后，瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)與基質(zhì)瀝青相當(dāng)，說(shuō)明其高溫性能與70#瀝青相當(dāng)。

圖5 瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)Fig.5 Equivalent softening point of asphalt

沈金安[22]根據(jù)地區(qū)氣候特點(diǎn)提出了瀝青最低當(dāng)量軟化點(diǎn)要求，對(duì)照DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青的當(dāng)量軟化點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，雖然當(dāng)量軟化點(diǎn)相比DCLR改性瀝青有所降低，但5%摻量的DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青高溫性能依然滿足夏炎熱地區(qū)的使用要求。

2.1.4 低溫性能

采用當(dāng)量脆點(diǎn)評(píng)價(jià)瀝青的低溫抗裂性能，4種瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)如圖6所示。曾夢(mèng)瀾等[21]研究表明，當(dāng)量脆點(diǎn)與PG低溫等級(jí)相關(guān)性很好，當(dāng)量脆點(diǎn)越低，其低溫等級(jí)越低，抗裂性能越好。從圖6可以看出，添加WCO后，其當(dāng)量脆點(diǎn)降低了約7.7%，低溫性能變好，原因是WCO中的飽和分和芳香分含量較高[2]，增加了瀝青膠團(tuán)之間的潤(rùn)滑作用，低溫抗裂性能提升。當(dāng)添加DCLR后，瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)增大了約9.6%，低溫性能降低，其原因是添加DCLR后瀝青向凝膠結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，瀝青變脆，低溫性能下降。當(dāng)DCLR/WCO復(fù)合改性后，瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)與基質(zhì)瀝青相當(dāng)，說(shuō)明DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青的低溫性能與基質(zhì)瀝青相當(dāng)。

圖6 瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)Fig.6 Equivalent brittle point of asphalt

沈金安[22]根據(jù)地區(qū)氣候特點(diǎn)提出瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)要求，對(duì)照DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青的當(dāng)量脆點(diǎn)可以發(fā)現(xiàn)，雖然當(dāng)量脆點(diǎn)相比WCO改性瀝青有所提高，但5%摻量的DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青低溫性能依然可以滿足冬寒區(qū)的使用要求。

2.1.5 流變性能

(1)高溫流變性能

4種瀝青的高溫復(fù)數(shù)模量和相位角如圖7所示。從圖7可以看出，4種瀝青的復(fù)數(shù)模量均隨溫度升高而降低，相位角均隨溫度升高而下降。添加WCO后，瀝青的復(fù)數(shù)模量降低，相位角增大，說(shuō)明增加WCO使得瀝青流動(dòng)性增強(qiáng)，黏性成分增多。添加DCLR后，瀝青的復(fù)數(shù)模量增大，相位角降低，說(shuō)明添加DCLR使得瀝青的流動(dòng)性降低，彈性成分增加。添加DCLR/WCO復(fù)合改性后，復(fù)數(shù)模量比基質(zhì)瀝青稍高，相位角比基質(zhì)瀝青稍小。

圖7 瀝青的高溫復(fù)數(shù)模量和相位角Fig.7 High temperature complex modulus and phase angle of asphalt

采用抗車(chē)轍因子G*/sinδ評(píng)價(jià)瀝青的高溫抗變形能力，車(chē)轍因子越大，瀝青高溫抗變形能力越強(qiáng)[18]，4種瀝青的車(chē)轍因子如圖8所示。從圖8可以發(fā)現(xiàn)，添加WCO后，瀝青的抗車(chē)轍因子降低，說(shuō)明其高溫抗變形能力降低，而添加DCLR后，瀝青的抗車(chē)轍因子提高，說(shuō)明其高溫抗變形能力增強(qiáng)，這些試驗(yàn)結(jié)果與當(dāng)量軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果類(lèi)似。當(dāng)添加DCLR/WCO復(fù)合改性后，其抗車(chē)轍因子介于DCLR改性瀝青與WCO改性瀝青之間，且比基質(zhì)瀝青稍高，說(shuō)明其抗變形能力比基質(zhì)瀝青稍好。

圖8 瀝青的抗車(chē)轍因子Fig.8 Anti-rutting factor of asphalt

(2)中溫流變性能

以疲勞因子G*·sinδ評(píng)價(jià)瀝青的中溫流變性能，疲勞因子越小，說(shuō)明瀝青在中溫變形耗散能量越多，產(chǎn)生越多微裂紋，其抗疲勞性能越差。4種瀝青的疲勞因子如圖9所示。從圖9可以看出，添加WCO后，其疲勞因子較基質(zhì)瀝青變小，說(shuō)明瀝青的抗疲勞性能變好，原因是一方面WCO中的輕質(zhì)組分更多，降低了瀝青的復(fù)數(shù)模量；另一方面輕質(zhì)組分增加了瀝青了黏性成分，耗散能量的能力更強(qiáng)。添加DCLR后，其抗疲勞因子較基質(zhì)瀝青增大，其抗疲勞性能降低，原因是DCLR中含有更多的瀝青質(zhì)，增加了瀝青的模量，同時(shí)芳香分等輕質(zhì)組分也少，瀝青的黏性成分降低，所以耗散能量的能力降低；添加DCLR/WCO復(fù)合改性后，其疲勞因子介于DCLR改性瀝青與WCO改性瀝青之間，比基質(zhì)瀝青稍高，說(shuō)明其抗疲勞性能比基質(zhì)瀝青稍差，雖然如此，但是在整個(gè)測(cè)試溫度范圍內(nèi)(除19 ℃)，都滿足規(guī)范(AASHTO T 315—2020)對(duì)疲勞因子不超過(guò)5 000 kPa的要求[18]。

圖9 瀝青的疲勞因子Fig.9 Fatigue factor of asphalt

(3)低溫流變性能

采用彎曲勁度模量S和蠕變速率m評(píng)價(jià)瀝青的低溫流變性能，低溫勁度模量越小，蠕變速率越大，其低溫性能越好[19]。4種瀝青的彎曲勁度模量S和蠕變速率m如圖10所示。從圖10可以看出，添加WCO后，瀝青的勁度模量變小，蠕變速率增大，說(shuō)明其低溫流變變好，有利于低溫抗裂性能，其原因同樣與WCO含有更多的飽和分和芳香分有關(guān)。添加DCLR后，瀝青的勁度模量增大，蠕變速率變小，說(shuō)明其低溫抗裂性能變差，其原因也與DCLR中含有更多的瀝青質(zhì)有關(guān)。添加DCLR/WCO復(fù)合改性后，瀝青的勁度模量比DCLR改性瀝青更低，蠕變速率更大，說(shuō)明其低溫抗裂性能得到改善。參照規(guī)范(AASHTO M 320—2010)確定DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青和基質(zhì)瀝青的臨界溫度[23]，可以得到DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青的臨界溫度為-13.8 ℃，基質(zhì)瀝青的臨界溫度為-15.3 ℃，雖然復(fù)合改性后臨界溫度增高，但兩者低溫等級(jí)相同都是-22 ℃。

圖10 瀝青的勁度模量和蠕變速率Fig.10 Stiffness modulus and creep rate of asphalt

2.2 瀝青混合料性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 高溫性能

采用動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)6種瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出，與基質(zhì)瀝青混合料相比，添加WCO后，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度約下降了27.6%，說(shuō)明高溫性能下降，其原因是WCO中的輕質(zhì)組分過(guò)多，降低了瀝青在高溫時(shí)的黏聚力，致使WCO改性后高溫抗車(chē)轍能力不足；當(dāng)添加DCLR之后，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了47%，說(shuō)明其高溫性能提升，其原因是DCLR中的瀝青質(zhì)含量較多，高溫時(shí)瀝青的黏聚力較大，高溫的抗車(chē)轍能力提高。當(dāng)DCLR/WCO復(fù)合改性后，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度介于WCO和DCLR改性瀝青混合料之間，說(shuō)明復(fù)合改性后可以調(diào)和兩種廢棄物對(duì)瀝青混合料高溫性能的影響，并且其動(dòng)穩(wěn)定度相比于基質(zhì)瀝青混合料均得到提高。對(duì)比3種DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度可以發(fā)現(xiàn)，隨著WCO含量的增加，動(dòng)穩(wěn)定度逐漸降低，5D+7W的動(dòng)穩(wěn)定度比5D+5W下降了5.1%，下降幅度較小，原因是因?yàn)榛旌狭习韬瓦^(guò)程中集料加熱溫度較高，WCO中有較多的輕質(zhì)組分揮發(fā)，所以動(dòng)穩(wěn)定度下降幅度較小；而5D+9W的動(dòng)穩(wěn)定度比5D+5W下降了28%，降低幅度較大，也就是說(shuō)雖然揮發(fā)的輕質(zhì)組分較多，但是過(guò)量的WCO會(huì)造成高溫性能的大幅下降，也說(shuō)明了復(fù)合改性時(shí)5%DCLR摻量下的WCO摻量不宜過(guò)大，否則WCO對(duì)高溫性能的削弱作用會(huì)超過(guò)DCLR對(duì)高溫性能的提升作用，造成瀝青混合料高溫性能可能不足的問(wèn)題。

圖11 瀝青混合料高溫性能Fig.11 High temperature properties of asphalt mixtures

2.2.2 低溫抗裂性能

采用低溫小梁的破壞應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià)6種瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。從圖12可以看出，添加WCO后，瀝青混合料的破壞應(yīng)變比基質(zhì)瀝青混合料提升了約23.6%，說(shuō)明其低溫抗裂性能提高，原因是WCO降低了瀝青混合料的模量，提高了瀝青混合料的應(yīng)力松弛性能，因此瀝青混合料量的柔韌變形能力更好。添加DCLR后，瀝青混合料的破壞應(yīng)變只有約1 600 με，比基質(zhì)瀝青混合料的破壞應(yīng)變小，已經(jīng)不能滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)對(duì)瀝青混合料破壞應(yīng)變的要求，原因是DCLR在瀝青中不完全相容，微觀層面上DCLR改性瀝青存在一些聚集的DCLR小顆粒[12]，這些DCLR小顆粒容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成破壞應(yīng)變下降。當(dāng)WCO和DCLR復(fù)合改性后，瀝青混合料的低溫破壞應(yīng)變比DCLR改性瀝青混合料分別提高了11%，19%和28%，其原因是WCO中的芳烴油，可以促進(jìn)DCLR顆粒與基質(zhì)瀝青的相容性，減少了DCLR顆粒的聚集，讓DCLR細(xì)化且分散更加均勻[12]，應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱。對(duì)比3種DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，破壞應(yīng)變隨著WCO摻量增加而增大，分別增大了6.9%和15.2%，都滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)對(duì)冬冷區(qū)瀝青混合料破壞應(yīng)變不低于2 000 με的要求，說(shuō)明就低溫性能而言，有進(jìn)一步增加DCLR含量以達(dá)到消耗更多廢棄物的潛力。

圖12 瀝青混合料的低溫性能Fig.12 Low temperature properties of asphalt mixtures

2.2.3 水穩(wěn)定性能

采用馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比作為6種瀝青混合料水穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。從圖13可以看出，當(dāng)以馬歇爾殘留穩(wěn)定度為水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，摻加WCO后，其殘留穩(wěn)定度相比于基質(zhì)瀝青混合料提升了約7.8%，說(shuō)明其抗水損害的能力提升，同時(shí)也說(shuō)明選取5%的WCO摻量合理，因?yàn)楫?dāng)WCO摻量超過(guò)某一含量后會(huì)降低瀝青與集料的黏附性[2]；當(dāng)摻加DCLR改性后，其殘留穩(wěn)定度相比于基質(zhì)瀝青混合料增大了約8.3%，抗水損害能力提高，其原因是DCLR可提高瀝青與集料之間的黏附性，同時(shí)也可提高瀝青之間的黏聚力[9-10]，因此瀝青混合料的水穩(wěn)定性能提高；當(dāng)WCO/DCLR復(fù)合改性后，5D+5W的殘留穩(wěn)定度比基質(zhì)瀝青混合料提高約10.7%。但是隨著復(fù)合改性瀝青中WCO含量的提高，5D+7W的殘留穩(wěn)定度與5D+5W相當(dāng)，5D+9W相比5D+5W下降了約3.3%。也就是說(shuō)，隨著WCO含量的提高，復(fù)合改性瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度有下降的趨勢(shì)，由此說(shuō)明復(fù)合改性后WCO的摻量不宜高于7%，否則對(duì)抗水損害性能不利。

圖13 瀝青混合料的水穩(wěn)定性能Fig.13 Water stability of asphalt mixture

當(dāng)以凍融劈裂強(qiáng)度比為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，與基質(zhì)瀝青混合料相比，添加WCO后，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比提升了約1.5%，說(shuō)明其抗水損害的能力提升，此結(jié)果與殘留穩(wěn)定度評(píng)價(jià)結(jié)果類(lèi)似；當(dāng)添加DCLR之后，瀝青混合料的凍融劈裂比同樣增大了4.3%，說(shuō)明其抗水損害能力同樣提高；當(dāng)WCO和DCLR復(fù)合改性后，5D+5W，5D+7W，5D+9W相比于基質(zhì)瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比分別提高了5.8%，4.6%和1.8%，且都滿足《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)對(duì)瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比不低于75%的要求。對(duì)比3種復(fù)合改性混合料的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，凍融劈裂強(qiáng)度比隨著WCO的提高同樣有下降的趨勢(shì)，說(shuō)明過(guò)多的WCO對(duì)復(fù)合改性后瀝青混合料的水穩(wěn)定性能不利，這是因?yàn)閃CO中過(guò)多的油分會(huì)降低瀝青與集料之間的黏附性的緣故。

3 結(jié)論

本研究以DCLR和WCO復(fù)合改性瀝青作為研究對(duì)象，對(duì)比了WCO，DCLR和DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青的性能以及混合料路用性能，并與基質(zhì)瀝青進(jìn)行了對(duì)比。得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)以5%摻量的DLCR改性瀝青后，其針入度和延度約下降了21.4%和72.9%，軟化點(diǎn)升高了11.9%，瀝青標(biāo)號(hào)降低；當(dāng)以5%摻量的WCO改性瀝青后，針入度和延度分別增大了38.9%和35.7%，軟化點(diǎn)降低了14.9%，瀝青標(biāo)號(hào)提高；當(dāng)以5%DCLR和5%WCO復(fù)合改性瀝青后，其針入度、軟化點(diǎn)和延度與70#基質(zhì)瀝青相當(dāng)。

(2)與基質(zhì)瀝青相比，當(dāng)DLCR改性后，針入度指數(shù)降低，當(dāng)量軟化點(diǎn)增大了約6.4%，當(dāng)量脆點(diǎn)增大了約9.6%，復(fù)數(shù)模量增大，相位角減小，抗車(chē)轍因子增大，疲勞因子降低，低溫勁度模量和蠕變速率降低；當(dāng)WCO改性后，針入度指數(shù)增加，當(dāng)量軟化點(diǎn)降低了約7.8%，當(dāng)量脆點(diǎn)降低了約7.7%，復(fù)數(shù)模量降低，相位角增大，抗車(chē)轍因子減小，疲勞因子增大，低溫勁度模量和蠕變速率增大；當(dāng)DCLR/WCO復(fù)合改性后，中溫抗疲勞性能稍差，其高溫性能滿足夏炎熱地區(qū)的使用要求、低溫性能滿足冬寒區(qū)的使用要求。

(3)與基質(zhì)瀝青混合料相比，DLCR改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度提高了47.1%，破壞應(yīng)變降低了18.6%，殘留穩(wěn)定度提升了8.3%，凍融劈裂比提升了4.3%；WCO改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度約下降了27.6%，破壞應(yīng)變提升了23.6%，殘留穩(wěn)定度提升了7.8%，凍融劈裂比提升了1.5%；5D+5W復(fù)合改性瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能均能滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

(4)隨著DCLR/WCO復(fù)合改性瀝青混合料中WCO的提高，動(dòng)穩(wěn)定度分別下降了5.1%和28.2%，高溫性能下降，說(shuō)明在5%DCLR摻量下WCO摻量不宜過(guò)高；低溫破壞應(yīng)變分別增大了6.9%和15.2%，低溫抗裂性能提升；馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均有下降趨勢(shì)，5D+9W的殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比與5D+5W相比分別下降了約3.3%和3.7%，說(shuō)明在5%DCLR摻量下WCO摻量不宜超過(guò)7%，否則對(duì)水穩(wěn)定性不利。