咖啡殘渣改性瀝青路用性能探析

■許祥云

（宜春市公路事業(yè)發(fā)展中心，宜春 336000）

隨著咖啡飲用人數(shù)逐年遞增， 我國2021 年咖啡豆進口量同比增長104.3%，達(dá)到61770 t；且我國咖啡消費量還在以每年15%～20%的幅度快速增長，遠(yuǎn)超全球2%的平均增速[1]。 咖啡殘渣是咖啡沖泡后的固體廢物副產(chǎn)品，每生產(chǎn)1 kg 咖啡就會產(chǎn)生0.9 kg 咖啡殘渣[2]。現(xiàn)階段我國大量咖啡殘渣未經(jīng)利用就被送往垃圾填埋場進行填埋或焚燒，導(dǎo)致環(huán)境污染問題，因此亟需找到一種可大量使用咖啡殘渣的再利用方式。Suksiripattanapong 等[3]將咖啡殘渣用于路基填料， 結(jié)果表明在咖啡殘渣摻量為70%時，90 d 的無側(cè)限抗壓強度可達(dá)到2 MPa。 吉淳等[2]基于動態(tài)剪切流變儀對短期老化前后不同摻量的咖啡殘渣改性瀝青抗老化性能進行分析，研究顯示老化后的咖啡殘渣改性瀝青流變性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青，并推薦咖啡殘渣在瀝青中的摻量為9%。

綜上所述， 咖啡殘渣作為固體廢物副產(chǎn)品具有潛在的公路工程應(yīng)用價值，但關(guān)于咖啡殘渣改性瀝青的實際路用性能尚缺少研究。 為推進公路工程中碳中和政策的實際應(yīng)用，基于江西省某省道試驗路，通過電鏡掃描試驗獲取咖啡殘渣的微觀形貌，通過針入度、延度、軟化點、儲存穩(wěn)定性試驗對咖啡殘渣改性瀝青的路用性能進行分析，為咖啡殘渣在公路工程的實際應(yīng)用提供試驗數(shù)據(jù)支持。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

瀝青采用廣東佛山70＃ 基質(zhì)瀝青，表1 是瀝青的物理性能試驗結(jié)果。 咖啡殘渣來自垃圾處理站中的廚余垃圾，將咖啡殘渣在105℃下烘干至恒重。

表1 70# 基質(zhì)瀝青的物理性能

1.2 試驗方法

1.2.1 咖啡殘渣改性瀝青的制備

將加熱至流動狀態(tài)的70＃ 基質(zhì)瀝青倒入容器皿中，容器皿放入恒溫油浴鍋中恒溫至165℃。待溫度穩(wěn)定后， 分別加入瀝青質(zhì)量5%、10%、15%以及20%的咖啡殘渣， 之后在高速剪切機的剪切速度為4000 r/min 下剪切40 min。

1.2.2 試驗設(shè)計

（1）電鏡掃描試驗。 采用JSM-IT400 型號的掃描電鏡，將干燥后的咖啡殘渣進行研磨，在噴金后進行電鏡掃描觀察。

（2）針入度試驗。 依據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的T0604-2011，在溫度25℃，荷載100 g 以及貫入時間5 s 的試驗條件下測定不同摻量的咖啡殘渣改性瀝青的針入度。

（3）延度試驗。 依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的T0605-2011，在溫度10℃的試驗條件下測定不同摻量的咖啡殘渣改性瀝青的延度。

（4）軟化點試驗。 依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的T0606-2011，將裝有試樣的試樣環(huán)以及支架、 鋼球和定位環(huán)放入5℃的水槽中恒溫15 min，打開軟化點儀，使杯中水溫每分鐘上升5℃，直至試樣下墜與底板表面接觸，記錄試驗數(shù)值。

（5）儲存穩(wěn)定性試驗。依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的T0661-2011，將咖啡殘渣改性瀝青用0.3 mm 篩過篩， 注入盛樣管中50 g，將盛樣管一端密閉后放入163℃烘箱中靜置48 h，加熱結(jié)束后放入冰箱冷凍4 h，分別取盛樣管上部1/3 處和下部1/3 處進行軟化點試驗，用軟化點差值表征瀝青的儲存穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 電鏡掃描試驗

研究表明咖啡殘渣的粒徑在0.225 ～0.550 mm之間。 Sousa 等[4]基于比表面積分析儀的數(shù)據(jù)認(rèn)為，咖啡殘渣的總孔體積與比表面積小于新鮮咖啡，因此可以將咖啡殘渣視作一種無孔材料。 圖1 通過掃描電子顯微鏡（SEM）圖像的形式表征了咖啡殘渣的微觀形態(tài)特征。 可以看出，50 倍放大后的咖啡殘渣均勻分布，不存在顆粒團聚的現(xiàn)象。Mendes 等[5]的研究表明，咖啡殘渣的表面形態(tài)特征與其提取過程有關(guān)。 將圖像繼續(xù)放大至500 倍，可以看到咖啡殘渣表面無明顯的孔隙結(jié)構(gòu)。 此外，咖啡殘渣顆粒呈鋸齒狀、褶皺狀，并具有不規(guī)則的形狀和粗糙的表面。 這一表面特征可以使得咖啡殘渣與瀝青之間具有良好的粘結(jié)性能。

圖1 咖啡殘渣微觀形態(tài)

2.2 針入度試驗

針入度表征了瀝青抵抗變形的能力，由圖2 可以看出，隨著咖啡殘渣的摻量逐漸增大，針入度呈現(xiàn)下降的趨勢，這表明咖啡殘渣的加入提高了基質(zhì)瀝青的剛性，從而使得咖啡殘渣改性瀝青抵抗變形的能力有一定的提升。咖啡殘渣摻量在5%以內(nèi)，改性瀝青的針入度值滿足70＃ 基質(zhì)瀝青的技術(shù)要求范圍。 隨著咖啡殘渣摻量增加至10%及以上，改性瀝青的針入度進入《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中50＃ 基質(zhì)瀝青的技術(shù)要求范圍。 究其原因，咖啡殘渣是一種表面棱角性豐富、密度較小且比表面積較大的材料；在摻量較小時，咖啡殘渣在瀝青中呈分散狀態(tài)；隨著摻量增大，咖啡殘渣逐漸接近臨界體積分?jǐn)?shù)，在瀝青中形成骨架結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致瀝青剛度顯著提高。 如圖3 所示，Wu 等[6]通過大量的填料與改性劑的研究證明了這一點。

圖2 咖啡殘渣改性瀝青針入度值

圖3 填料臨界體積分?jǐn)?shù)示意圖

2.3 延度試驗

延度表征了瀝青的低溫抗裂能力，延度值越大瀝青的韌性越好。 由圖4 可知，隨著咖啡殘渣的摻量增大，改性瀝青的延度顯著下降，這表明咖啡殘渣的加入降低了瀝青的低溫性能。 隨著摻量達(dá)到15%及以上，咖啡殘渣改性瀝青的15℃延度小于規(guī)范要求。 究其原因，隨著摻量增大，咖啡殘渣在瀝青中接近臨界體積分?jǐn)?shù)；咖啡殘渣在瀝青中的分布并不均勻以及咖啡殘渣與瀝青剛度不一致，會導(dǎo)致改性瀝青在延度試驗拉伸過程中，發(fā)生應(yīng)力集中引發(fā)瀝青更早拉斷。 吉淳等[2]從微觀相貌的角度研究表明，咖啡殘渣較大的比表面積會引發(fā)改性瀝青相態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，過大的摻量會導(dǎo)致瀝青極易發(fā)生脆性斷裂。

圖4 咖啡殘渣改性瀝青延度值

2.4 軟化點試驗

瀝青的軟化點表征了瀝青在夏季高溫季節(jié)的抗變形能力， 軟化點值越大瀝青的高溫穩(wěn)定性越好。 由圖5 可知，隨著咖啡殘渣摻量的增大，改性瀝青的軟化點顯著增加。 5%摻量的咖啡殘渣同比基質(zhì)瀝青，其軟化點值提升4.2%。 隨著摻量增加，軟化點的值進一步增大。 Junqing 等[7]的研究表明，廢棄的碳材料同比商業(yè)碳材料，表面的鋸齒形態(tài)顯著增加。 而這一特性使得咖啡殘渣在添加至瀝青中后，瀝青的黏度顯著增加，進而提高了軟化點值。

圖5 咖啡殘渣改性瀝青軟化點值

2.5 儲存穩(wěn)定性試驗

瀝青的軟化點差值反映了改性瀝青在運輸過程中的離析程度，軟化點差值越大說明改性材料與瀝青的相容性越差。 由圖6 可知，隨著咖啡殘渣的摻量增加，改性瀝青的軟化點差值逐漸增大。 在咖啡殘渣摻量小于10%時，改性瀝青的軟化點差小于2.5℃，滿足規(guī)范要求。隨著摻量達(dá)到15%，軟化點差值大于《公路工程瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對聚合物改性瀝青的2.5℃的要求。 這是因為試樣在163℃的烘箱靜置的過程中，均勻分散在瀝青中的咖啡殘渣會逐漸沉淀至底部。 廢棄咖啡殘渣是廢棄碳材料中的一種，F(xiàn)eng 等[8]研究顯示不同粒徑的廢棄碳材料由于范德華力的影響，在摻量過大時極易形成團聚，從而使其在瀝青中易發(fā)生沉淀導(dǎo)致離析。

圖6 咖啡殘渣改性瀝青儲存穩(wěn)定性

3 結(jié)論

咖啡殘渣可用于瀝青的改性，但關(guān)于其改性瀝青的實際路用性能研究較少，本文通過電鏡掃描、針入度、延度、軟化點以及儲存穩(wěn)定性試驗，對咖啡殘渣的微觀形貌及其改性瀝青的路用性能進行分析，主要得到以下結(jié)論：

（1）咖啡殘渣的微觀形貌分布均勻，不存在顆粒團聚現(xiàn)象。 咖啡殘渣的表面無明顯的孔隙結(jié)構(gòu)，且呈現(xiàn)鋸齒狀、褶皺狀，并具有不規(guī)則的形狀和粗糙的表面。 咖啡殘渣的表面特征使得咖啡殘渣與瀝青之間的粘結(jié)性能良好。

（2）咖啡殘渣顯著提高了基質(zhì)瀝青的高溫性能，并降低了低溫性能。 咖啡殘渣在瀝青中的摻量小于5%時，針入度值與基質(zhì)瀝青同一等級。咖啡殘渣在瀝青中的摻量小于10%時，延度值與基質(zhì)瀝青同一等級。 隨著咖啡殘渣摻量增加，軟化點值逐漸增大。

（3）咖啡殘渣在瀝青中的摻量小于10%時，其儲存穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。 綜合三大指標(biāo)與儲存穩(wěn)定性試驗結(jié)果，推薦咖啡殘渣在瀝青中的摻量不超過10%。