廢膠粉/植物油復(fù)合改性瀝青及其混合料性能研究

為研究多源廢棄材料對(duì)瀝青性能的影響，文章以廢膠粉摻量、植物油摻量和剪切時(shí)間作為試驗(yàn)影響條件，制備不同摻量下的廢膠粉/植物油復(fù)合改性瀝青（RVA）；采用針入度、軟化點(diǎn)、多重應(yīng)力蠕變與恢復(fù)（MSCR）試驗(yàn)和彎曲梁流變儀（BBR）試驗(yàn)測(cè)試RVA的高、低溫性能；基于響應(yīng)曲面法，對(duì)最佳制備方案下的廢膠粉/植物油復(fù)合改性瀝青混合料（RVAM）進(jìn)行車轍試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)。結(jié)果表明：廢膠粉可以提高瀝青的高溫性能，而植物油能改善瀝青的低溫性能；采用響應(yīng)曲面法建立了滿足性能指標(biāo)與試驗(yàn)制備條件的函數(shù)模型，得到最佳制備方案為15.7%的廢膠粉+9.8%植物油+63.1 min的剪切時(shí)間；與基質(zhì)瀝青混合料相比，RVAM具有較高的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。

改性瀝青；廢膠粉；植物油；響應(yīng)曲面法；路用性能

U416.03A090274

作者簡(jiǎn)介：

韋丁彰（1986—），工程師，主要從事公路工程管理工作。

0" 引言

瀝青路面因其低噪、行車舒適等特點(diǎn)已被廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，而伴隨著車輛荷載和交通量的增加，瀝青路面也易出現(xiàn)車轍、疲勞開裂、水損害等病害［1］。從材料組成上看，瀝青作為瀝青混合料的關(guān)鍵組分，其性能直接影響瀝青路面的服役水平。在道路石油瀝青中摻入改性劑能顯著改善其路用性能，而常規(guī)的改性劑生產(chǎn)成本較高，生產(chǎn)過程復(fù)雜，因此需開發(fā)新型環(huán)保瀝青改性劑以滿足綠色公路建設(shè)的需求［2］。

在國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略的背景下，多源廢棄材料用于瀝青路面的可行性已受到廣泛關(guān)注。廢棄材料往往價(jià)格低廉、可再生、就地取材、來源廣泛，包括廢膠粉、廢塑料、廢油、鋼渣粉等［3-4］。廢膠粉作為目前熱門的固廢瀝青材料，可以改變?yōu)r青的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而提高瀝青的高溫性能、彈性性能和低溫性能等，特別是高溫性能［5］。同時(shí)，廢油屬于工業(yè)和生活中常見的廢棄材料，包括植物油、玉米秸稈油、廢食用油、蓖麻油等，目前在道路工程領(lǐng)域也得到了廣泛的研究［6-8］。有研究表明，在瀝青中摻入生物油可以顯著增強(qiáng)瀝青及其混合料的低溫性能，而生物油會(huì)削弱瀝青的高溫性能，這將使其在路面工程中的應(yīng)用更加困難［9-10］。因此，可考慮通過復(fù)合改性技術(shù)來提升瀝青混合料的路用性能［11］。

因此，本文研究采用廢膠粉和植物油作為改性劑，以廢膠粉摻量、植物油摻量和剪切時(shí)間作為試驗(yàn)影響因素，采用響應(yīng)曲面法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，制備不同摻量和剪切時(shí)間下的廢膠粉/植物油復(fù)合改性瀝青（RVA）并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試；基于響應(yīng)曲面法，得到最佳制備方案下的廢膠粉摻量、植物油摻量和剪切時(shí)間，并以此制備RVAM并評(píng)價(jià)其高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性。

1" 試驗(yàn)材料與方案

1.1" 原材料

選用埃索牌A-70石油瀝青作為基質(zhì)瀝青，對(duì)其主要性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

選用天津某化工公司生產(chǎn)的廢膠粉和植物油作為改性劑，植物油在室溫下為黃色液體，其主要性能指標(biāo)如表2所示?；旌狭纤眉蠟樾鋷r，按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E422005）標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足規(guī)范要求。

1.2" 改性瀝青制備

（1）將盛有500 g基質(zhì)瀝青的燒杯放在電爐上加熱1 h，溫度控制在135 ℃左右，使瀝青完全流動(dòng)。

（2）在10 min內(nèi)緩慢加入固定摻量的廢膠粉（10%、15%、20%），并用高速剪切儀在轉(zhuǎn)速為5 000 r/min的情況下剪切20 min，再在10 min內(nèi)緩慢加入固定摻量的植物油（5%、10%、15%）。

（3）待改性劑完全加入后，按預(yù)先設(shè)定的剪切時(shí)間（45 min、60 min、75 min）制備試樣。

1.3" 配合比設(shè)計(jì)

RVAM采用AC13C型級(jí)配，其級(jí)配曲線如圖1所示。采用室內(nèi)馬歇爾試驗(yàn)方法，測(cè)試RVAM的體積參數(shù)，確定基質(zhì)瀝青混合料和RVAM的最佳瀝青含量分別為5.01%和5.13%。在最佳瀝青含量下制備車轍板試件，以供后續(xù)開展瀝青混合料路用性能試驗(yàn)。

1.4" 試驗(yàn)方法

響應(yīng)曲面法是通過建立響應(yīng)值與影響因素變量之間的關(guān)系，得到二者的非線性多元數(shù)據(jù)關(guān)系，并得到最優(yōu)影響因素的組合。最小二乘法是響應(yīng)曲面法的基本原理，即事先假設(shè)響應(yīng)值z(mì)與影響因素變量xi符合式（1），并可得到最優(yōu)狀態(tài)下的預(yù)測(cè)響應(yīng)值，如式（2）所示：

z=fx1，x2…，xk+ε（1）

z0=β0+12X′0b（2）

本文以瀝青試驗(yàn)結(jié)果作為響應(yīng)值，廢膠粉含量、植物油含量和剪切時(shí)間作為影響因素變量，共制備17組RVA，試驗(yàn)方案如表3所示。針對(duì)每個(gè)方案試樣測(cè)試其針入度、軟化點(diǎn)、不可恢復(fù)蠕變?nèi)崃浚↗nr）、恢復(fù)率（R）、蠕變速率（m）和蠕變勁度（S），根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出最優(yōu)改性劑用量及最佳剪切時(shí)間。

2" 結(jié)果與討論

2.1" 常規(guī)性能

圖2和圖3所示為RVA的針入度和軟化點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可知，當(dāng)剪切時(shí)間一定時(shí)，RVA的針入度隨著植物油摻量的增加而顯著增加，而廢膠粉摻量和剪切時(shí)間對(duì)其針入度的影響較小。這說明植物油的摻入惡化了RVA的溫度敏感性，但其溫度敏感性仍可通過調(diào)整廢膠粉摻量和剪切時(shí)間來改善。

由圖3可知，當(dāng)剪切時(shí)間一定時(shí)，隨著廢膠粉摻量的增加，RVA的軟化點(diǎn)先升高后降低，而隨著植物油摻量的增加，其軟化點(diǎn)的變化趨勢(shì)相反。這說明廢膠粉的摻入提高了RVA的高溫性能，而植物油對(duì)其高溫性能有負(fù)面影響。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，剪切時(shí)間對(duì)RVA的軟化點(diǎn)的影響并不顯著。

2.2" 高溫性能

圖4和圖5所示為RVA的MSCR試驗(yàn)結(jié)果，分別為0.1 kPa和3.2 kPa應(yīng)力水平下RVA的Jnr和R值。其中，Jnr值越低，R值越高，瀝青的永久抗變形能力越強(qiáng)，即高溫抗車轍性能越好。由圖4可知，兩種應(yīng)力水平下RVA的Jnr值隨廢膠粉摻量、植物油摻量和剪切時(shí)間的變化規(guī)律相似。剪切時(shí)間一定時(shí)，RVA的Jnr值隨著廢膠粉摻量的增加而減小，隨著植物油摻量的增加而增大。表明廢膠粉改善了RVA的抗車轍變形能力，而植物油對(duì)其高溫性能有不利影響，但其影響程度低于廢膠粉的改善作用。此外，在任何應(yīng)力水平下，隨著剪切時(shí)間的增加，RVA的Jnr值先減小而后增大，說明存在一個(gè)最佳剪切時(shí)間，使RVA具有最佳的高溫性能。

由圖5可知，兩種應(yīng)力水平下RVA的R值隨廢膠粉摻量、植物油摻量和剪切時(shí)間的變化相似。在相同剪切時(shí)間情況下，RVA的R值隨廢膠粉摻量的增加而增大，而隨植物油摻量的增加而減小，且隨植物油摻量的變化幅度小于廢膠粉摻量的變化幅度。這說明廢膠粉的加

入提高了RVA的彈性應(yīng)變恢復(fù)率，而植物油的摻入降低了其彈性恢復(fù)率，但影響不顯著。同時(shí)還可發(fā)現(xiàn)無論在何種應(yīng)力水平下，剪切時(shí)間越長(zhǎng)，RVA的R值越大，這是因?yàn)榧羟袝r(shí)間越長(zhǎng)，廢膠粉和植物油在瀝青中的分散效果越好、均勻性越高。

2.3" 低溫性能

圖6和圖7所示為RVA的BBR試驗(yàn)結(jié)果。由圖6和圖7可知，在剪切時(shí)間和廢膠粉摻量相同的情況下，隨著植物油摻量的增加，RVA的S值逐漸減小，而m值顯著增加且增加速度逐漸放緩。這說明植物油的摻入可顯著改善RVA的低溫性能。同時(shí)，廢膠粉的摻入會(huì)增強(qiáng)植物油的低溫改善效果，這是由于廢膠粉和植物油的相互作用。此外，當(dāng)植物油或廢膠粉摻量相同時(shí)，隨著剪切時(shí)間的增加，RVA的S值先減小后增大，m值先增大后減小，這一現(xiàn)象也說明剪切時(shí)間能優(yōu)化RVA的低溫性能。

2.4" 擬合模型

基于響應(yīng)曲面法模型，采用二次函數(shù)對(duì)瀝青試驗(yàn)指標(biāo)與試驗(yàn)制備條件進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如下頁表4所示。其中，a為廢膠粉摻量，b為植物油摻量，c為剪切時(shí)間。由表4可知，RVA的各項(xiàng)性能指標(biāo)相關(guān)系數(shù)R2均≥0.96，說明該模型能夠有效擬合瀝青試驗(yàn)結(jié)果。因此，可通過改變響應(yīng)值來優(yōu)化自變量。根據(jù)材料所用地區(qū)的氣候條件，選擇相應(yīng)的高溫或低溫指標(biāo)作為響應(yīng)值，其他指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求即可。通過表4結(jié)果可得到最佳制備工藝為15.7%廢膠粉+9.8%植物油+63.1 min的剪切時(shí)間，并按前文制備出最佳優(yōu)化方案下的RVA，其性能制備如下頁表5所示。

2.5" 混合料性能

圖8所示為基質(zhì)瀝青混合料和RVAM的60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度和-10 ℃破壞拉伸應(yīng)變結(jié)果。由圖8可知，RVAM的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料，其動(dòng)穩(wěn)定度約為基質(zhì)瀝青混合料的132%。這一現(xiàn)象證明了RVA的試驗(yàn)結(jié)果，即適當(dāng)摻量下的廢膠粉和植物油可以有效提高RVAM的高溫穩(wěn)定性。此外，RVAM的破壞拉伸應(yīng)變大于基礎(chǔ)瀝青混合料且能提高近37%。結(jié)果表明，廢膠粉和植物油顯著改善了RVAM的低溫抗裂性能。

3" 結(jié)語

（1）廢膠粉與植物油的摻入對(duì)RVA的高低溫性能有顯著改善作用。其中，廢膠粉能有效提高RVA的高溫性能，而植物油能改善其低溫性能。

（2）基于響應(yīng)面法，RVA的性能指標(biāo)與廢膠粉摻量、植物油摻量和剪切時(shí)間呈二次函數(shù)模型關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)R2均≥0.96。RVA的最佳性能為廢膠粉摻量和植物油摻量分別為15.7%和9.8%，剪切時(shí)間為63.1 min。

（3）RVAM的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料，可為新型道路建設(shè)環(huán)保材料的選擇提供參考，在后續(xù)工作應(yīng)繼續(xù)開展RVA的微觀性能試驗(yàn)，解釋廢膠粉、植物油和瀝青的作用機(jī)理。

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20240314