生物瀝青-巖瀝青復合改性瀝青混合料的使用性能

祝文強，曾夢瀾，吳國榮，夏穎林

(1.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082；2.江西省交通設計研究院有限責任公司，江西 南昌 330022)

0 引言

近年來，隨著經濟的高速發展，公路交通建設突飛猛進，新增的公路建設和后期養護等工作需耗費許多的石油瀝青。鑒于石油資源屬于不可更新資源且必將耗盡，故需探尋一種可再生黏結材料作為石油瀝青的替代品[1-2]。

生物瀝青作為一種由生物質能源經快速裂解技術得到的類似石油瀝青的可再生材料，引起國內外專家的廣泛重視。Wen等研究了HMA生物瀝青混合料的路用性能。研究表明，生物瀝青的摻入改善了瀝青混合料的低溫抗裂性，但同時對混合料的動態壓縮模量、抗車轍性能和抗疲勞性能均產生不利影響[3]。Hajj等采用生物瀝青為再生劑，制備了再生瀝青混合料。為研究生物瀝青的摻入對混合料路用性能產生的效應，分別在瀝青混合料中摻入0%，15%，50%的RAP，利用動態模量和TSRST試驗分析評價了混合料的使用性能。試驗結果表明，生物瀝青的摻入顯著改善了RAP混合料的水穩定性和低溫抗裂性[4]。石油瀝青低溫性能的提高得益于生物瀝青的加入，但同時降低了高溫穩定性和抗老化性能，限制了生物瀝青加入的質量比例，難以達到大幅縮減使用石油瀝青的目的[3-6]。因此研究如何提高生物瀝青的高溫穩定性等性能，將成為生物瀝青得以運用的關鍵。

巖瀝青是一種以固體形態存在于自然界中的瀝青類物質，它形成于石油在巖石的縫隙中，歷經溫度、壓力、氧化和細菌等因素長達億萬年的共同作用。Ameri等采用伊朗巖瀝青為改性劑，摻入4%，8%，12%的伊朗巖瀝青對PG64-22和PG58-22兩種基質石油瀝青進行改性，然后對其進行PG分級。試驗結果顯示，伊朗巖瀝青的加入能明顯提高石油瀝青的高溫性能，然而對低溫性能產生不利影響[7]。巖瀝青的路用性能優良，但僅采用巖瀝青對瀝青進行改性存在著一定局限性，巖瀝青改性降低了瀝青的低溫性能[7-11]。

生物瀝青作為一種生物質能源，在替代石油瀝青方面具有很大的優勢，但其在高溫性能方面的缺陷制約生物瀝青的進一步使用；巖瀝青是一種高溫穩定性良好的天然瀝青，具有優良的路用性能，有望彌補生物瀝青的缺陷。本研究擬選用兩種改性效果互補的生物瀝青和巖瀝青作為改性劑對石油瀝青進行復合改性，制備復合改性劑摻量為0～60%的復合改性瀝青混合料，研究復合改性劑的摻入對瀝青混合料路用性能的影響，確定復合改性劑適宜的摻量范圍，對可再生鋪筑材料的研究具有重要的意義。

1 試驗材料

1.1 原材料

(1)基質瀝青

基質瀝青采用A級70#石油瀝青，技術指標[12]見表1。

表1 石油瀝青技術指標

(2)生物瀝青

生物瀝青選用蓖麻油植物瀝青，是由蓖麻油經一系列的生產工藝制備而成，外觀上與石油瀝青十分相似，常溫下是深色固體。

(3)巖瀝青

巖瀝青采用歐洲巖瀝青，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[13]。

表2 巖瀝青技術標準Tab.2 Technical criterion of rock-asphalt

本研究采用不同粒徑的石灰巖作為粗細集料，粗、細集料依照《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2015)[14]進行試驗檢測，得到的主要指標均符合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)[12]的規定。

1.2 復合改性瀝青的制備

把巖瀝青依照設定的質量百分比加入至石油瀝青中，然后倒入攪拌機中，在攪拌機中設置好參數，時間為30 min，溫度為155～165 ℃，轉速為1 500 r/min，攪拌完成后停止。接下來采用高速剪切機進行剪切，時間為1 h，溫度為155～165 ℃，轉速為3 000 r/min，剪切完成后停止。靜置一段時間，在瀝青的溫度下降至145 ℃時，摻入設定質量的生物瀝青，時間為0.5 h，轉速為1 500 r/min，攪拌完成后停止，至此制備完成。本研究的復合改性劑加入量分別占瀝青總質量的0%，15%，30%，45%及60%。其中復合改性劑含量為0%的作為平行試驗的對照組，制備過程完全相同。通過試驗測得0%摻量的復合改性瀝青25度針入度為62.1/0.1 mm，以此針入度作為生物瀝青-巖瀝青復合改性瀝青制樣成功的標準，最終得到不同摻量復合改性劑時巖瀝青與生物瀝青摻配比例及針入度值見表3。

表3 巖瀝青與生物瀝青的摻配比例Tab.3 Blending ratio of rock-asphalt and bio-asphalt

2 混合料設計與使用性能試驗

2.1 混合料設計

瀝青混合料的配合比設計依據《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)[12]進行。選擇AC-20C的瀝青混合料進行研究，表4顯示了該混合料的級配。在石油瀝青中分別加入5種不同質量的復合改性劑制成復合改性瀝青結合料，集配選取AC-20C，制備復合改性瀝青混合料。

表4 AC-20C瀝青混合料級配Tab.4 Gradation of asphalt mixture AC-20C

為明確不同摻量復合改性瀝青混合料的拌和及壓實溫度，分別測得不同摻量復合改性瀝青135 ℃，150 ℃及175 ℃的黏度，并繪制了黏溫曲線，通過黏溫曲線得出了復合改性瀝青混合料的拌和及壓實溫度。在明確的拌和及壓實溫度下制作不同摻量的復合改性瀝青混合料相應瀝青用量的馬歇爾試件。通過Marshall配合比設計方法并參考相關文獻確定了摻量為0%，15%，30%，45%和60%改性瀝青混合料的最佳瀝青用量依次為4.6%，4.7%，4.9%，5.1%和5.2%[15-16]。

2.2 混合料使用性能試驗

在Marshall設計方法得出的最佳瀝青用量下，制備改性瀝青混合料及研究其路用性能。主要包括：高溫穩定性、低溫抗裂性以及水穩定性，試驗依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)[17]的相關規定進行。

3 試驗結果與分析

3.1 高溫穩定性

在高溫條件下，瀝青混合料抵抗流動變形的能力稱為高溫穩定性，對于空氣的溫度達到25～30 ℃以上，瀝青路表面的溫度達到40～50 ℃以上，可以認定為“高溫”[18]。夏季高溫時間長，在汽車荷載作用下容易發生車轍變形等瀝青路面病害。本研究采用實驗室常用的車轍試驗及Marshall穩定度試驗評價瀝青混合料的高溫穩定性。

圖1 不同摻量復合改性AC-20C的Marshall試驗指標Fig.1 Marshall test indicators of co-modified AC-20C with different contents

圖2 不同摻量復合改性AC-20C的動穩定度Fig. 2 Dynamic stabilities of co-modified AC-20C with different contents

圖1顯示，隨著復合改性劑摻量的增大，復合改性瀝青混合料的穩定度和Marshall模數先降低至谷值后逐漸增大，谷值對應的摻量為最不利摻量，復合改性瀝青混合料的流值一直減小。復合改性劑摻量為15%，30%，45%和60%的復合改性瀝青混合料穩定度分別是0%摻量瀝青混合料的76%，94%，107%和119%，當摻量約為35%時，復合改性瀝青混合料的穩定度與0%摻量瀝青混合料的水平相當；復合改性劑摻量為15%，30%，45%和60%的復合改性瀝青混合料Marshall模數分別是對照組基質瀝青混合料的79%，125%，176%和206%，當摻量約為20%時，復合改性瀝青混合料的Marshall模數與對照組基質瀝青混合料的水平相當；摻量為15%，30%，45%和60%的復合改性瀝青混合料的流值分別比對照組基質瀝青混合料降低了3.3%，25%，39%和42%。所述表明:復合改性劑摻量不超過最不利摻量時，其摻入將會降低瀝青混合料的高溫穩定性，但下降幅度不大。然后隨著復合改性劑摻量的繼續增大，瀝青混合料的高溫穩定性逐漸得到提高。

圖2顯示，隨著復合改性劑摻量的增大，復合改性瀝青混合料的動穩定度先降低至谷值后逐漸提高，谷值對應的摻量為最不利摻量。復合改性劑摻量為15%，30%，45%和60%的復合改性瀝青混合料的動穩定度分別是0%摻量瀝青混合料的39%，112%，357%和640%，當摻量約為25%時，復合改性瀝青混合料的動穩定度與0%摻量瀝青混合料的水平相當，且摻量越多，動穩定度提高速率越快。這表明復合改性劑摻量約為25%時，改性瀝青混合料的抗車轍能力與0%摻量瀝青混合料的水平基本相當，當復合改性劑摻量的繼續加大，混合料的抗車轍能力得到增強，且摻量越多，增強越顯著。

綜上所述，復合改性瀝青混合料的Marshall穩定度、Marshall模數和動穩定度隨著復合改性劑摻量的增加均先降低至谷值后逐漸增加，且摻量越多增速越快，谷值對應的摻量為最不利摻量。表明當復合改性劑摻量超過最不利摻量時，復合改性瀝青混合料的高溫穩定性得到提升，且摻量越大，提升效果越明顯。這是由于生物瀝青與巖瀝青對瀝青混合料產生的不同影響，復合改性劑在最不利摻量范圍內，生物瀝青降低了瀝青混合料的高溫穩定性，當復合改性劑占比提高，巖瀝青的占比也逐步提高，復合改性瀝青混合料的高溫穩定性得到穩步提高。

3.2 水穩定性

瀝青混合料的水穩定性是指瀝青結合料和集料形成黏附層后，在有水分侵蝕的情況下，混合料抵抗水分對瀝青結合料進行置換而引起瀝青剝離的能力。采用水穩定性不良的混合料鋪筑的路面常常會出現松散、掉粒現象，最終引起瀝青路面產生坑槽和推擠變形等病害[18]。擬進行浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來研究混合料的水穩定性。

圖3顯示，摻入復合改性劑后，復合改性瀝青混合料的浸水殘留穩定度明顯下降。采用1%消石灰代替部分礦粉后再進行浸水Marshall試驗，試驗結果見圖3，對照組石油瀝青混合料的浸水殘留穩定度為97.7%，分別加入了15%，30%，45%和60%復合改性劑的混合料浸水殘留穩定度依次為85.1%，88.2%，91.4%和95.2%。圖中顯示，消石灰的使用可使復合改性瀝青混合料的浸水殘留穩定度得到明顯提高，且均滿足瀝青混合料水穩定性的檢驗技術要求[12]。

圖3 不同摻量復合改性AC-20C的浸水殘留穩定度Fig.3 Immersion residual stabilities of co-modified AC-20C with different contents

圖4顯示，摻入復合改性劑后，復合改性瀝青混合料的凍融劈裂殘留強度比同樣迅速下降。采用1%消石灰代替部分礦粉后再進行凍融劈裂試驗，試驗結果見圖4，加入了15%，30%，45%和60%復合改性劑的混合料凍融劈裂強度比從對照組石油瀝青混合料的96.0%依次下降至73.0%，75.9%，78.3%和80.3%。圖中顯示，摻入1%消石灰后，復合改性瀝青混合料的凍融劈裂殘留強度比明顯增強，復合改性劑摻量超過25%時，符合瀝青混合料施工技術規范中關于水穩定性的規定[12]。

圖4 不同摻量復合改性AC-20C的凍融間接拉伸強度比Fig.4 Freeze-thaw indirect tensile strength ratios of co-modified AC-20C with different contents

綜上所述，復合改性瀝青混合料的浸水Marshall殘留穩定度和凍融劈裂強度比相對于對照組基質瀝青混合料的顯著降低，表明復合改性劑的摻入降低了瀝青混合料的水穩定性。這是由于生物瀝青的水穩定性較差，即使復合改性劑中巖瀝青對混合料的水穩定性有正面影響，也難以消除生物瀝青對混合料的水穩定性產生的不利影響。以消石灰替代1%的礦粉，水穩定性得到顯著提高，復合改性劑摻量超過25%時，符合瀝青混合料施工技術規范關于水穩定性的規定[12]。

3.3 低溫抗裂性

路面的橫向開裂多數是由于瀝青路面的溫度收縮裂縫引起的，在寒冷區域比較常見。瀝青路面產生低溫開裂的原因有兩種：一種是因為溫度急劇降低，混合料層的抗拉強度不足以承受面層溫縮產生的應力，從而致使路面橫向開裂；第二種是因為溫度疲勞裂縫，混合料經歷長期的溫度循環作用，其應力松弛能力逐漸下降，極限拉伸應變變小，當溫度應力超過瀝青混合料容許拉應力時，瀝青路面將產生溫度收縮裂縫。本研究擬進行小梁低溫彎曲試驗對混合料的低溫性能進行評價。

圖5顯示，隨著復合改性劑摻量的增大，復合改性瀝青混合料的彎拉應變先增加至峰值后逐漸降低，峰值對應的為最佳摻量。摻量為15%，30%，45%和60%的復合改性瀝青混合料破壞彎拉應變分別是對照組基質瀝青混合料的108%，98%，81.6%和72.2%。圖6顯示，復合改性瀝青混合料的低溫勁度模量隨復合改性劑摻量的增加先降低后升高。摻量為15%，30%，45%和60%的復合改性瀝青混合料的低溫勁度模量分別是對照組基質瀝青混合料的94%，98%，118%和142%。綜上所述，復合改性劑的摻量在最佳摻量范圍內，瀝青混合料的低溫抗裂性得到改善，反之，復合改性劑的摻入對瀝青混合料的低溫抗裂性產生不利影響，摻量不超過40%時滿足冬溫區的相應技術要求[12]。這是由于生物瀝青與巖瀝青對瀝青混合料產生的不同影響，復合改性劑在最佳摻量范圍內，生物瀝青提高了瀝青混合料的低溫抗裂性，隨著復合改性劑摻量的增加，巖瀝青的占比也逐步提高，對復合改性瀝青混合料的低溫抗裂性產生不利影響。

圖5 不同摻量復合改性AC-20C的破壞彎拉應變Fig.5 Failure flexural strains of co-modified AC-20C with different contents

圖6 不同摻量復合改性AC-20C的破壞彎拉勁度模量Fig.6 Failure flexural stiffness moduli of co-modified AC-20C with different contents

3.4 復合改性劑推薦摻量范圍

本研究探究的生物瀝青-巖瀝青復合改性瀝青混合料不限定在某個區域，但需要確定復合改性劑的適宜摻量范圍。假設生物瀝青-巖瀝青復合改性瀝青混合料的應用所在地區是夏炎熱冬溫潮濕區，同時本次改性的目的是尋求一種可替代道路石油瀝青的可再生鋪筑材料，因此不必將提高石油瀝青的各類性能作為改性的主要目的，將生物瀝青-巖瀝青復合改性瀝青混合料以普通瀝青混合料的技術標準推薦復合改性劑的適宜摻量范圍更為凸顯本次研究的意義。按照規范JTG F40—2004，普通瀝青混合料的動穩定度宜大于或等于1 000次/mm，浸水馬歇爾試驗殘留穩定度宜大于或等于80%，凍融劈裂試驗殘留強度比宜大于或等于75%，低溫彎曲破壞應變宜大于或等于2 000 με[12]。故而，推薦復合改性劑的適宜摻量范圍是25%～40%，且適應不同性能要求時，復合改性劑適宜摻量范圍的可適當放寬。

4 結論

本研究以70#石油瀝青作為基質瀝青，生物瀝青和巖瀝青為改性劑，在保持瀝青的25 ℃針入度不變時，制備了復合改性劑摻量為0%，15%，30%，45%和60%的生物瀝青-巖瀝青復合改性瀝青結合料，設計了級配為AC-20C的瀝青混合料進行使用性能試驗。研究得出的主要結論如下：

(1)復合改性瀝青混合料的Marshall穩定度、Marshall模數和動穩定度隨著復合改性劑摻量的增大均先降低至谷值后逐漸增加，且摻量越多增速越快，谷值對應的摻量為最不利摻量，即當復合改性劑摻量超過最不利摻量時，復合改性瀝青混合料的高溫穩定性得到提升，且摻量越大，提升效果越明顯。

(2)復合改性瀝青混合料的浸水Marshall殘留穩定度和凍融劈裂強度比相對于對照組基質瀝青混合料的顯著降低，即復合改性劑的加入削弱了混合料的水穩定性。以消石灰替代1%的礦粉后，水穩定性得到顯著提高，復合改性劑摻量超過25%時，符合瀝青混合料施工技術規范中關于水穩定性的規定。

(3)隨著復合改性劑摻量的增大，復合改性瀝青混合料的彎拉應變先增加至峰值后逐漸降低，峰值對應的摻量為最佳摻量，即復合改性劑的摻量在最佳摻量范圍內，瀝青混合料的低溫抗裂性得到改善，反之，復合改性劑的摻入對瀝青混合料的低溫抗裂性產生不利影響，摻量不超過40%時滿足冬溫區的相應技術要求。

(4)歸納總結生物瀝青-巖瀝青復合改性瀝青混合料的路用性能，在夏炎熱冬溫潮濕區，確定復合改性劑的適宜摻量范圍為25%～40%，且適應不同性能要求時，復合改性劑適宜摻量范圍的可適當放寬。