咖啡渣改性瀝青制備及性能分析

摘 要：為研究咖啡渣對(duì)瀝青結(jié)合料性能的影響，將咖啡渣和基質(zhì)瀝青按照不同比例進(jìn)行混合，經(jīng)高速剪切后獲得咖啡渣改性瀝青，再對(duì)其在不同摻量（0%、2%、4%、6%）下的針入度、軟化點(diǎn)、延度等指標(biāo)進(jìn)行研究，對(duì)比短期老化前后瀝青試樣三大指標(biāo)、高溫流變性能及低溫變形能力。結(jié)果表明，與同制備工藝的基質(zhì)瀝青相比，咖啡渣改性瀝青延度、軟化點(diǎn)、蠕變速率和復(fù)數(shù)模量 增加，針入度和相位角減小，表明咖啡渣改性瀝青的高溫、低溫性能得到改善，車轍因子變化規(guī)律表明咖啡渣改性瀝青高溫性能得到很大改善。

關(guān)鍵詞：咖啡渣；改性瀝青；高溫性能；低溫性能

中圖分類號(hào)：TQ522.65 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2024）11-0102-04Performance analysis of coffee grounds modified asphaltFAN Xiuying，HUANG Rongwen，YANG Changhong，PEI Yinge（Yunnan Forestry Vocational and Technical College，Kunming 650224，China）

Abstract：To study the influence of coffee grounds on the performance of asphalt binders，coffee grounds and ma?trix asphalt were mixed in different proportions，and the modified asphalt of coffee grounds was obtained afterhigh-speed shearing，and then the penetration，softening point and ductility of the asphalt samples under differentdosages（0%，2%，4% and 6%）were studied，and the three indexes，high-temperature rheological properties andlow-temperature deformation ability of asphalt samples before and after short-term aging were compared. The resultsshowed that compared to the base asphalt prepared using the same process，the coffee ground-modified asphalt ex?hibited increased ductility，softening point，creep rate，and complex modulus，while penetration and phase angle de?creased，indicating that the high temperature and low temperature properties of the coffee grounds modified asphaltare improved，and the variation law of rutting factor shows that the high temperature performance of the coffeegrounds modified asphalt is greatly improved.

Key words：coffee grounds；modified asphalt；high temperature performance；low temperature performance

傳統(tǒng)的瀝青路面材料存在著高溫脆化、老化變質(zhì)、裂縫、疲勞損傷等問題 [1-2] 。為了解決復(fù)雜的道路問題，加入瀝青改性劑。但是改性劑生產(chǎn)及使用過程中會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)等問題 [3] ，加上石油瀝青所面臨的供求失衡，迫切需要找到具有良好低溫抗裂性和高溫抗變形性的瀝青材料 [4] 。如將硅藻土作為改性材料，發(fā)現(xiàn)添加硅藻土就能改善改性瀝青的高低溫性能。

將木材熱解產(chǎn)生的木炭作為改性劑進(jìn)行瀝青改性，可有效減緩瀝青的老化 [5] 。發(fā)現(xiàn)生物炭改性瀝青能夠降低基質(zhì)瀝青溫度敏感性，增強(qiáng)抗車轍能力、抗疲勞以及抗開裂能力 [6-7] 。

咖啡渣屬于生物質(zhì)材料，目前主要用于植物養(yǎng)料、除臭除味劑等方面 [8] 。研究了咖啡渣在吸附 Zn 2+ 、Pb 2+ 、Cu 2+ 和Cd 2+ 時(shí)的用量對(duì)吸附效果的影響 [9] 。對(duì)咖啡渣植生型大孔混凝土探究 [10] 。通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)和實(shí)際路段試驗(yàn)，評(píng)價(jià)咖啡渣改性瀝青混合料的路用性能 [11] 。本文將咖啡渣和基質(zhì)瀝青按照不同比例進(jìn)行混合，經(jīng)高速剪切后獲得咖啡渣改性瀝青，再對(duì)其在不同摻量（0%、2%、4%、6%）下的針入度、軟化點(diǎn)、延度等指標(biāo)進(jìn)行研究，分析咖啡渣對(duì)瀝青老化性能以及路用性能的影響規(guī)律。

1 材料與方法

1. 1 原材料及測(cè)試

咖啡渣均取咖啡加工剩余物，所用瀝青為90#A基質(zhì)瀝青，其基本性能如表1所示。

1. 1. 1 掃描電子顯微鏡（SEM）測(cè)試通過導(dǎo)電膠將咖啡渣顆粒粘在測(cè)試臺(tái)上，利用離子濺射鍍膜機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行噴金操作后放入SEM測(cè)試腔室進(jìn)行測(cè)試。

1. 1. 2 熱重分析（TGA）測(cè)試

咖啡渣的穩(wěn)定性通過熱重分析儀進(jìn)行。稱取約10 mg樣品至于坩堝中，設(shè)置溫度范圍為30～700 ℃，在20 mL/min的氮?dú)饬髁肯虏捎?0min/℃的速率進(jìn)行升溫。

1. 2 結(jié)果與討論

1. 2. 1 咖啡渣的形貌

咖啡渣本身存在空隙結(jié)構(gòu)，孔洞呈現(xiàn)不規(guī)則形貌，在高倍率SEM下可看見咖啡渣表面較平滑。

1. 2. 2 咖啡渣的熱重分析

圖1為咖啡渣的熱重分析圖。

由圖1可知，在30～100 ℃觀察到第1次質(zhì)量損失，這是由于樣品水分蒸發(fā)的緣故，損失了3.25%。最大熱損失是在第2階段250～350 ℃，咖啡渣中多糖組分的熱解聚作用，在這一溫度范圍下咖啡渣損失44.49%。第3階段從350 ℃開始，這部分是由于木素緩慢熱解作用，在咖啡渣的分解速率圖上能清楚看到分解速率峰的出現(xiàn)。

1. 3 咖啡渣改性瀝青的制備

咖啡渣置于（60±1）℃的烘箱中2 h，將基質(zhì)瀝青置于135 ℃的烘箱加熱至流動(dòng)狀態(tài)，將高速剪切分散乳化機(jī)的恒溫油浴鍋預(yù)熱至160 ℃后倒入瀝青，并將剪切頭浸沒到瀝青中。當(dāng)基質(zhì)瀝青達(dá)到160 ℃并穩(wěn)定時(shí)，啟動(dòng)攪拌器低速剪切，逐步均勻倒入咖啡渣，將高速剪切分散乳化機(jī)的速度升至5 000 r/min，然后剪切1 h。待剪切完畢后，將咖啡渣改性瀝青放入135 ℃的恒溫烘箱中恒溫1 h后完成制備。本次試驗(yàn)樣品的編號(hào)及制備工藝見表2。

1. 4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）瀝青三大指標(biāo)測(cè)試。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，對(duì)短期老化前后的瀝青試樣進(jìn)行25 ℃針入度、軟化點(diǎn)及10 ℃延度測(cè)試；

（2）高溫流變性能測(cè)試。采用英國 MalvernCVO100 動(dòng)態(tài)剪切流變儀，以應(yīng)力控制方式，對(duì)短期老化前后各瀝青試樣相位角、復(fù)數(shù)模量進(jìn)行測(cè)定；

（3）低溫抗裂性能測(cè)試。采用半導(dǎo)體制冷低溫彎曲梁流變儀，通過PRENTEX 9300 PAV壓力老化容器的瀝青試樣，獲取蠕變勁度S和蠕變速率m值，評(píng)價(jià)咖啡渣改瀝青的低溫抗裂性能。

2 結(jié)果與分析

2. 1 瀝青三大指標(biāo)分析

瀝青樣品老化前后三大指標(biāo)變化規(guī)律見圖2。

從圖2（a）看出，針入度的變化是隨著咖啡渣摻量的增加先降低后升高，是因?yàn)榭Х仍械挠椭看蠹s在10%左右，油脂會(huì)稀釋瀝青，針入度增大。

以上數(shù)據(jù)表明咖啡渣的摻入增加了瀝青黏度，能夠有效地延緩基質(zhì)瀝青在加工過程中的熱氧老化作用。從圖2（b）看出，摻加咖啡渣的改性瀝青短期老化前后的延度比均比基質(zhì)瀝青大，在4%時(shí)延度比最大。瀝青的延度比越大，表明瀝青的抗老化性能越好。可看出咖啡渣的摻入可以提高瀝青延度比，改善瀝青低溫性能。從圖2（c）看出，摻加咖啡渣的改性瀝青軟化點(diǎn)除了摻量為4%外，均比基質(zhì)瀝青大，軟化點(diǎn)越高，說明瀝青高溫穩(wěn)定性越好，可看出咖啡渣的摻加在一定程度上可以改善瀝青短期老化后的高溫穩(wěn)定性。但老化前后咖啡渣改性瀝青與同制備工藝的基質(zhì)瀝青比，針入度比降低 2.97%～16.38%，軟化點(diǎn)增值增加，是因?yàn)闉r青三大指標(biāo)試驗(yàn)主要依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)和熟練程度。

綜上，咖啡渣的摻入可改善瀝青的低溫性能、短期老化后高溫穩(wěn)定性，因操作人員經(jīng)驗(yàn)等，三大指標(biāo)不能作為評(píng)價(jià)咖啡渣改性瀝青的主要衡量因素。

2. 2 高溫流變性能分析

采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀法，對(duì)相同制備工藝的基質(zhì)瀝青和不同咖啡渣摻量的改性瀝青老化前后的瀝青試樣進(jìn)行試驗(yàn) [12] ，分別在64、70、76、80 ℃條件下測(cè)定各瀝青樣品短期老化前高溫流變性能，測(cè)試結(jié)果如表3。

由表3可知，咖啡渣改性瀝青與同制備工藝的基質(zhì)瀝青一樣，復(fù)數(shù)模量隨著溫度升高呈下降趨勢(shì)，同樣具有溫度敏感性。復(fù)數(shù)剪切模量隨著咖啡渣摻量的增加呈增加趨勢(shì)，表明咖啡渣的添加降低了基質(zhì)瀝青溫度敏感性程度，提高了抵抗高溫變形的能力，6%的咖啡渣摻量最為顯著。

為了更好地展現(xiàn)隨著咖啡渣摻量變化，咖啡渣改性瀝青的高溫流變性能，將64 ℃條件下的相位角、復(fù)數(shù)剪切模量、車轍因子繪制成圖3。

由圖3（a）可以看出，老化前，咖啡渣改性瀝青的相位角小于同制備工藝的基質(zhì)瀝青，說明咖啡渣的摻加提高了基質(zhì)瀝青的彈性模量。短期老化后，咖啡渣改性瀝青的相位角均比基質(zhì)瀝青相位角大，相比基質(zhì)瀝青相位角提高0.12%～0.48%，但咖啡渣摻量為6%時(shí)相位角相比2%和4%時(shí)降低，降低程度很小，由此表明咖啡渣的摻加降低了老化后瀝青的彈性，減小了瀝青的變形恢復(fù)。由圖3（b）可以看出，短期老化前咖啡渣改性瀝青的復(fù)數(shù)模量隨著咖啡渣摻量的增加呈增加趨勢(shì)，在6%摻量時(shí)達(dá)到最大。

表明咖啡渣的添加降低了基質(zhì)瀝青溫度敏感性程度，提高了抵抗高溫變形的能力，6%的咖啡渣摻量最為顯著。短期老化后，除了摻量為6%的改性瀝青外，其他的復(fù)數(shù)模量均比基質(zhì)瀝青大。由圖3（c）可以看出，短期老化前，車轍因子均比基質(zhì)瀝青高，隨咖啡渣摻量的增大而增大，摻量為6%時(shí)達(dá)到最大，所以咖啡渣的摻入可以提高老化前瀝青的高溫性能。短期老化后，車轍因子隨咖啡渣摻量的增大先增加后減小，且除了摻量為6%的改性瀝青，其他均比基質(zhì)瀝青大，由此表明摻量為2%和4%的改性瀝青可以提高瀝青的高溫性能。綜上，摻加咖啡渣后，瀝青高溫下抵抗永久變形、抗車轍能力得到了提高。

2. 3 低溫性能

對(duì)不同摻量咖啡渣改性瀝青進(jìn)行BBR測(cè)試。分別對(duì)-6、-12、-18 ℃條件下的瀝青小梁試件進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算出對(duì)應(yīng)的彎曲蠕變勁度模量和蠕變速率，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，對(duì)于同種咖啡渣改性瀝青，溫度越低，其彎曲蠕變勁度模量越大，表明瀝青逐漸變硬，而蠕變速率逐漸降低，說明瀝青的低溫變形以及應(yīng)力消散能力逐漸降低。隨著咖啡渣摻量的增加，相同溫度咖啡渣改性瀝青的低溫蠕變勁度模量值隨咖啡渣摻量先增大后減小，表面瀝青逐漸變軟，而對(duì)應(yīng)的蠕變速率值逐漸增加，說明咖啡渣改性瀝青的低溫變形能力逐漸增強(qiáng)。

為了更好地展現(xiàn)隨著咖啡渣摻量變化，咖啡渣改性瀝青的低溫彎曲蠕變勁度模量以及蠕變速率的變化規(guī)律，將-12 ℃條件下的彎曲蠕變勁度模量以及蠕變速率繪制成曲線圖，如圖4所示。

由圖4可知，隨著咖啡渣摻量的增加，咖啡渣改性瀝青的彎曲勁度模量隨著咖啡渣摻量的增加先增大后減小，彎曲勁度模量和蠕變速率均大于同制備工藝的基質(zhì)瀝青。瀝青的蠕變勁度模量越小，蠕變速率越大，瀝青的低溫變形以及應(yīng)力消散能力越好。綜上，咖啡渣摻量為6%時(shí)瀝青的低溫變形以及應(yīng)力消散能力最好。

3 結(jié)語

（1）咖啡渣改性瀝青三大指標(biāo)方面，咖啡渣的摻入可以改善瀝青的低溫性能、短期老化后的高溫穩(wěn)定性，因操作人員的經(jīng)驗(yàn)等，三大指標(biāo)不能作為評(píng)價(jià)咖啡渣改性瀝青的主要衡量因素；

（2）咖啡渣改性瀝青高溫性能，摻加咖啡渣后，瀝青高溫下抵抗永久變形、抗車轍能力得到了提高；

（3）咖啡渣改性瀝青低溫性能，隨著咖啡渣摻量的增加，瀝青的蠕變勁度越小，蠕變速率越大，瀝青的低溫變形以及應(yīng)力消散能力越好。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 石德瑞，胡珂，肖思敏，等. 具有自修復(fù)功能的微膠囊聚氨酯改性瀝青的制備及其性能[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)，2021，24（4）：957-963.

[2] 李志成，曹智勇，孔祥福. 瀝青路面損傷機(jī)理及疲勞壽命預(yù)測(cè)方法研究進(jìn)展[J].道路與交通研究，2020，38（5）：15-22.

[3] 趙亞龍，張辰. 瀝青改性劑的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 路橋技術(shù)，2020，54（3）：100-104.

[4] 林楠，郭鋒，趙興寨. 多種類瀝青及復(fù)合改性材料常規(guī)-流變性能相關(guān)性分析[J]. 粘接，2021，47（7）：50-53.

[5] 王葉丹，劉勇，陶敬林. 硅藻土改性瀝青膠漿力學(xué)性能及老化機(jī)理研究[J]. 公路工程，2023，48（1）：123-129.

[6] ZHAO S，HUANG B S，YE X P，et al. Utilizing bio-char asa bio-modifier for asphalt cement：A sustainable applica?tionofbio-fuelbyproduct[J].Fuel，2014，133（10）：52-62.

[7] 孔秋艷. 現(xiàn)代建筑中土木工程新型材料的應(yīng)用[J]. 粘接，2020，43（9）：82-85.

[8] 吉淳，趙雙，彭超，等. 基于流變參數(shù)的咖啡渣炭改性瀝青抗老化性能分析[J]. 森林工程，2020，36（5）：106-111

[9] UTOMO H D，HUNTER K A. Particle concentration effect：Adsorption of divalent metalions on coffee grounds [J] . Bio?resource Technology，2010（5）：1482-1 485.

[10] 任杰，孫水裕，韓大健，等. 咖啡渣制備活性炭工藝及其吸附性能[J] . 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（11）：4127- 4136.

[11] 黃澤林，魯俊強(qiáng)，李冬. 咖啡渣在道路工程中的應(yīng)用研究

[J]. 山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，36（3）：91-95.

[12] 程承，陶桂祥，王琦，等. 木質(zhì)素改性瀝青高溫性能試驗(yàn)

[J]. 林業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，4（1）：141-147.