植物基生物沥青混合料水稳定性研究

张月云

摘 要：为探究植物基生物质重油对沥青混合料水稳定的影响，基于表面能理论，通过躺滴法获取SK90#基质沥青及其与生物质重油混合的生物沥青的表面自由能，并计算两种沥青与已知表面能参数的集料之间粘附功。同时，分别通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，从宏观角度分析生物质重油对沥青混合料水稳定性的影响。结果表明：植物基生物质重油能在一定程度上提高沥青的表面能及其与集料之间的粘附功；添加生物质重油后，沥青混合料的残留稳定度和劈裂强度比均有所提高。

关键词：植物基生物质重油；水稳定性；表面能；浸水马歇尔；冻融劈裂

中圖分类号：U414 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）15-0043-02

Abstract： In order to investigate the effect of plant based biomass heavy oil on the water stability of asphalt mixture， the surface free energy （SFE）of SK90# matrix asphalt and its bio-asphalt mixed with biomass heavy oil was obtained by lying drop method based on surface energy theory. The adhesion work between the two asphalts and the aggregates with known surface energy parameters is calculated. At the same time， the effects of biomass heavy oil on the water stability of asphalt mixture were analyzed from the macro point of view by immersion Marshall test and freeze-thaw splitting test respectively. The results show that the plant based biomass heavy oil can improve the surface energy of asphalt and its adhesion to aggregate to a certain extent， and the residual stability and splitting strength ratio of asphalt mixture are improved after adding biomass heavy oil.

Keywords： plant based biomass heavy oil； water stability； surface free energy； immersion Marshall； freeze-thaw splitting

1 概述

大量的农作物秸秆、滞销蔬菜等植物基材料被弃置，不仅会导致资源浪费，还会造成一定程度的环境污染。通过收集植物基材料，采用物理化学方法提炼出生物质重油，并将其掺配到沥青结合料中，是解决上述问题的有效途径[1-2]。

目前，评价沥青混合料水稳定性的方法主要有浸水马歇尔、冻融劈裂以及浸水车辙等试验方法，但这些方法普遍存在理论依据不充分、现场再现性差等问题[3]。因此，寻求一种理论依据更充分，更接近现场水损害实际情况的评价方法十分必要。近年来，国内外学者提出基于表面自由能理论来表征沥青与集料的粘附性，进而评价沥青混合料水稳定性[4-5]。

因此，本文采用接触角法，得到生物质重油掺加前后沥青的表面能，并分别与已知表面能参数的集料计算出沥青-集料体系的粘附功。同时，在同一级配下分别对两种沥青对应的混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，并分析宏观指标（残留稳定度、劈裂强度比）与粘附功的相关性。

2 理论分析

3 试验设计

本试验采用KRUS的DSA1型接触角仪测定蒸馏水、甘油、甲酰胺等3种试液与沥青之间的接触角。试验前，向SK90#基质沥青中掺入占沥青质量8%的植物基生物质重油制得生物沥青，再分别将适量的基质沥青和生物沥青滴于载玻片表面，将载玻片置平加热后，制得表面光滑的沥青试样。此外，本文依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）的规范要求，分别对同一级配和集料类型下两种不同沥青（SK90#基质沥青和生物沥青）的混合料进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。

4 结果及分析

4.1 沥青表面自由能计算

通过三种试液的表面能参数及其与沥青之间的接触角，根据公式（3）求得两种沥青结合料的表面自由能及其分量值，结果如表1所示。

需要说明的是，为减少试验误差，每种试液分别在各沥青试样表面不同位置测试5次，求取平均值作为该试液与沥青的接触角值。此外，由于液体和沥青材料表面自由能对温度较为敏感，接触角试验应确保处于25±0.5℃环境进行。

由表1可知，掺加生物质重油后，沥青的总表面能和非极性分量显著增大，增加幅度分别为65.2%和80.9%，而极性分量有所降低。其中，生物质重油掺加后，沥青中酸极性分量降低最为显著，下降幅度高达96.6%，而碱极性分量减小了17.1%。由上述试验结果可推测，生物质重油能有效改善沥青结合料的内聚性能，进而有利于沥青-集料体系整体抗水损害性能的提高。

4.2 沥青-集料粘附功计算

为便于分析植物基生物质重油对沥青混合料粘附性的影响，选用同一种石灰岩集料，利用公式（3）计算集料与不同沥青之间的粘附功。结果如表2所示。

相同级配条件下，生物沥青-集料的粘附功值相比机制沥青-集料体系的粘附功更大，生物质重油掺加后粘附功增加幅度为10.3%。试验结果表明，生物沥青的抗剥落能力相比基质沥青更强，其沥青混合料对水损害的敏感性相对要小。其原因可能是，植物基生物质重油中富含沥青轻质组分，适量的生物质重油有效地改善了沥青的膠体结构，使得其中的沥青质、胶体等大分子成分充分地分散，进而增强了沥青于集料之间的粘附强度。

4.3 水稳定性宏观试验结果

两种沥青混合料对应的浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验所得结果如图1所示。残留稳定度和劈裂强度比分别为上述两种试验所得的沥青混合料水稳定性宏观指标，其值越大，表明沥青混合料的水稳定性更好。

由图1可知，生物沥青混合料浸水马歇尔残留稳定度满足规范要求（>75%），其残留稳定度较SK90#基质沥青混合料提高5.23%。由冻融劈裂试验结果可知，生物沥青混合料劈裂强度比也满足规范要求（>70%），其残留强度比相对SK90#基质沥青混合料提高11.16%。水稳定性宏观指标变化均表明，生物沥青混合料较SK90#基质沥青混合料具有更好的宏观水稳定性。

此外，比较表2与图1所示结果可知，生物沥青-集料体系粘附功与生物沥青混合料水稳定性指标表现出一致的变化趋势，说明基于表面自由能理论的粘附指标可用于评价植物基生物沥青混合料的水稳定性。

5 结束语

（1）掺加植物基生物质重油后，沥青的总表面能和非极性分量值显著增大，而极性分量减小。

（2）对同一集料而言，相比基质沥青，生物沥青与集料的粘附功更大。

（3）同一级配和集料类型下，生物沥青混合料的残留稳定度和劈裂强度比均比基质沥青混合料大，表明前者具有更好的水稳定性。

（4）掺加生物质重油前后，沥青-集料的粘附功与水稳定性宏观指标的变化趋势一致，表明表面能理论适用于对生物质沥青混合料水稳定性的评价。

参考文献：

[1]王海峰.生物改性沥青老化过程中的流变性能研究[J].中外公路，2016，36（3）：269-272.

[2]张佳运，郭易木，童天志.生物柴油残渣对老化沥青物理性能的影响[J].石油沥青，2014，28（4）：11-15.

[3]Ge Z S，Zhang. Simulation test of dynamic water pressure for warm mix asphalt [J].Advanced Materials Research，2012，（5）：2800-2803.

[4]Bhasin A，Masad E，Little D N，et al. Limits on adhesive bond energy for improved resistance of hot-mix asphalt to moisture damage [J]. Transportation Research Record，2006，19（70）：3-13.

[5]陈燕娟，高建明，陈华鑫.基于表面能理论的沥青-集料体系的粘附特性研究[J].东南大学学报，2014，44（1）：183-187.

[6]邱国全.沥青混合料水稳定性评价研究[J].科技创新与应用，2012（18）：137.