掺水泥改性生物沥青及混合料性能研究

李军发

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

石油资源与生物资源都是从生物质原料中产生，两种资源的性能存在很多相似性，且生物资源具有清洁环保及可再生等优点。用生物资源替代石油资源不仅在技术上可行，而且符合可持续发展的要求[1-2]。生物油的来源大体可以分为两类，一类是农业或森林生产的废弃物，如玉米秸秆、废旧橡胶木、树皮；一类是动物的残留物，如猪、牛粪、废弃动物油脂[3]。使用生物沥青混合料铺筑道路的面层，能够降低道路成本、缓解石油资源日渐枯竭的压力，但是由于生物沥青自身性能的不足，导致其混合料强度低、高温性能不足、水损害严重，这些使用缺点很大程度地限制了生物沥青的推广应用。当前使用水泥替代部分或全部矿粉是减小水损害、提高沥青与集料黏附性的主要方法之一，也是国际公认的最有效方法。21世纪以来，各国沥青路面工程师和研究人员一直在研究生物油替代石油沥青的可行性。Brian Hill通过对生物改性沥青混合料进行了深入的探讨，论证了以木材、芒刺和玉米秸秆为基础的生物油替代石油沥青的可行性[4]。Daquan Sun利用废弃食用油渣制备出的生物沥青，并对其进行旋转黏度（RV）试验，结果表明此生物沥青的最佳黏度在70号基质沥青和SBS改性沥青之间[5]。Menglan Zeng等通过试验得出，在一定温度下，随着生物沥青含量的增加，改性沥青的渗透力会大大增加，软化点也会有轻微的下降，说明生物沥青具有促进软化、提高温度敏感性的作用[6]。Xu Yang等通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）试验，发现随着生物沥青的掺加，改性生物沥青会产生一些特殊的化学成分，进而提高了生物沥青混合料的低温性能[7]。郑晓光等探究了水泥填料对沥青混合料性能影响，研究表明掺加水泥使沥青混合料的水稳定性和高温稳定性都有了明显提高，而对沥青混合料的抗裂性尤其是低温抗裂性影响不大[8]。杜少文等探究了水泥对乳化沥青混合料的影响，研究表明随着水泥掺量的增加，乳化沥青混合料的力学性能和路用性能明显提高，提高了乳化沥青混合料的使用性能[9]。蒋应军、韩占闯等研究了水泥对冷再生混合料路用性能的影响，结果表明合理地改变水泥掺量可显著提升冷再生混合料的路用性能[10]。冯璐研究了不同水泥掺量下乳化沥青混合料的高温稳定性、水稳定性、低温性能和疲劳性能的影响，研究表明冷再生混合料的高温稳定性和水稳定性随水泥用量的增加而提高，而混合料低温抗裂性能和疲劳性能随水泥掺量的增加呈先增加后减小的趋势[11]。

目前国内外学者大都聚焦改性生物沥青性能方面的研究，很少对改性生物沥青混合料进行研究，也没有明确生物沥青的最佳掺量，且改性生物沥青混合料的高温性能不足一直是其难以推广应用的原因[12]。因此，本文基于改性生物沥青综合性能最优为原则，研究改性生物沥青中生物油的最佳掺量，同时，研究了水泥掺量对生物沥青混合料路用性能的影响。

1 原材料及改性生物橡胶沥青制备

1.1 原材料与技术标准

1.1.1 橡胶沥青

采用韩国双龙（S-OIL牌）A级70号道路石油沥青与40目胶粉自制橡胶沥青。先将沥青与掺量为20%的胶粉，在180℃下高速（5 000 r/min）搅拌1 h，并在180℃下发育2 h后，即制得橡胶沥青，其试验结果及标准要求见表1。

表1 橡胶沥青基本性质试验结果

1.1.2 生物沥青

生物沥青由渭南瑞源生物科技有限责任公司提供。生物沥青是在305℃、10.3 MPa和80 min的条件下，将牲畜粪便快速热裂解，并提炼而成。

1.1.3 矿料

本文所用的粗、细集料均为山西神池县石灰岩，矿粉为石灰岩矿粉，每档集料技术指标均满足要求。

1.1.4 水泥

水泥由礼泉海螺水泥有限责任公司提供，各项技术指标见表2。

表2 水泥基本技术指标

1.2 改性生物橡胶沥青的制备

因为生物油具有天然的分子极性，与橡胶粉具有较强的相互作用，所以能较好地与橡胶沥青相容。首先通过一个横向连接的振动钻装置将一定掺量的生物油与橡胶沥青混合在一起，然后在银石剪切机中以速率为2 000 r/min，温度为135℃的条件剪切1 h，在此条件下保持一定的时间以促进生物油和橡胶之间的相互作用。待剪切完成后将其放入搅拌器中，搅拌45 min左右，设置搅拌温度为155℃～165℃，设置搅拌速率为400～600 r/min，搅拌完成后，浇筑沥青模具。

2 生物沥青掺量对沥青胶浆性能影响

根据改性生物橡胶沥青流变特质，本文采用沥青三大指标、DSR试验、BBR试验进行性能评价。

2.1 生物沥青掺量对三大指标的影响

改性生物沥青三大指标随生物沥青掺量（质量分数）改变的影响见图1。

图1 不同生物沥青掺量对改性生物橡胶沥青三大指标的影响

由图1可知，沥青针入度、延度随生物沥青掺量的增加而逐渐增加，软化点则随其掺量增加而逐渐降低，且老化前、后沥青性能指标变化趋势基本一致，因此，得出生物沥青的掺入可明显改变橡胶沥青的黏稠度，增大橡胶沥青的可塑性。这是因为与常规沥青相比，生物沥青含水量较高、含氧量大、具有良好的流动性，与橡胶沥青结合后，使其黏度降低，针入度变大。

当生物沥青掺量增加到12%～16%时，针入度及延度的变化趋势最大，掺量16%以后，针入度变化趋势变缓，软化点降低趋势越来越大。说明合理掺量的生物沥青可降低橡胶沥青的黏稠度、提高其流动性，生物沥青超过一定量后，会降低沥青的高温稳定性。

2.2 生物沥青掺量对试验结果的影响

DSR试验是通过测定沥青的黏弹性性质，也就是通过两个指标来反映沥青性能：用疲劳因子G*·sinδ来反映材料耐疲劳性能，其值越小，说明材料抗疲劳能力越强。用车辙因子G*／sinδ来评价高温稳定性，物理意义是损失剪切柔量的倒数，数值越大则损失剪切柔量越小，弹性成分越多，抗车辙能力越强[13]。

动态剪切试验（DSR）以固定速率10 rad/s进行，考虑到夏季路面温度，本文选择70℃作为车辙因子试验温度，疲劳因子试验温度设定为25℃，DSR试验结果如图2所示。

图2 不同生物沥青掺量下改性生物橡胶沥青DSR测试结果

由图2可知，改性生物橡胶沥青的车辙因子及疲劳因子随生物沥青的掺入均有所降低。这是由于生物沥青富含大量的氧元素，使得生物油的稳定性比石油差很多，与橡胶沥青混合后，导致其强度下降，故而改性生物橡胶沥青的抗车辙性能有所降低。当生物沥青掺量超过16%时，车辙因子下降的更加明显，而疲劳因子降速变缓。这是因为过多掺量的生物沥青加快了橡胶沥青G*的降低趋势，进而明显加速降低了改性生物橡胶沥青的抗车辙性能；当生物沥青掺入量超过一定比例时，疲劳因子降速变缓，说明生物沥青不会一直改善橡胶沥青的抗疲劳性能，生物沥青存在最佳用量。

综上通过分析生物沥青掺量对抗车辙性能及疲劳性能的改善情况，可知生物沥青最佳掺量不宜超过16%。

2.3 生物沥青掺量对BBR试验结果的影响

BBR试验是美国重大公路研究项目成果之一，是用来测试分析沥青材料低温性能的试验方法。对测试结果弯曲劲度模量S、蠕变速率m进行分析，即可实现对沥青混合料低温性能的评价。该研究成果表明，弯曲劲度模量S的大小体现了沥青结合料的荷载抵抗能力，S越大，其脆性越大，路面开裂也更容易发生；蠕变速率m的大小则表征了沥青的低温应力抗积累能力，m值越大沥青结合料的低温抗裂性能越好[14]。本文选定试验温度为-12℃。通过气动加载方式对试样进行加载。改性生物橡胶沥青弯曲劲度模量S以及蠕变速率m试验结果如图3所示。

图3 不同生物沥青掺量下改性生物橡胶沥青BBR测试结果

由图3可知，改性生物橡胶沥青的S值随生物沥青掺量的增加而减小，当生物沥青掺量超过一定量后，S值下降趋势明显变缓；改性生物橡胶沥青的m值随生物沥青掺量的增加而增大，当生物沥青掺量超过一定量后，S值上升趋势明显变缓，且S、m值随生物沥青掺量变化的拐点同为16%。这表明橡胶沥青的硬度变小，弹性形变能力增强都与生物沥青的掺入有关，生物沥青的掺入有效地降低了低温条件下路面温缩应力的聚集，进而低温抗裂性能得到提高。同时，由图3掺量16%的拐点可知，当生物沥青的掺加达到一定量时，对改性生物橡胶沥青低温抗裂性能的提升并不显著。

综上可知，生物沥青的最佳掺量为16%。

3 水泥掺量对混合料路用性能影响

试验级配采用沥青路面最常用的AC-16悬浮密实型级配（见表3），改性生物橡胶沥青中生物沥青掺量为16%，水泥掺量（占沥青混合料的质量百分数）设定为0、2%、4%以及6%。

表3 AC-16混合料级配

3.1 高温性能

60℃条件下，对不同水泥掺量的沥青混合料进行高温抗车辙试验，分析不同水泥用量下对改性生物橡胶沥青混合料高温稳定性的影响，试验结果见表4。

表4 车辙试验结果

由表4试验结果可看出，水泥剂量的掺入可大大提高改性生物橡胶沥青混合料的高温性能，当水泥掺量为2%时，动稳定度得到明显的提高，远高于沥青混合料规范要求，并且混合料高温性能随水泥剂量的增加而提高，说明水泥可显著提升改性生物橡胶沥青混合料的抗车辙性能。这主要是因为沥青呈弱酸性（含有少量亚砜与羧酸），沥青混合料中均匀分布的水泥颗粒与沥青发生化学反应，相互交织形成的水泥沥青胶浆，可以较大程度地降低沥青的感温性，从而促使沥青混合料在高温状态下的劲度模量值减小程度变低，使其在车辆荷载作用下形变量减小，故而提升改性生物橡胶沥青混合料抗车辙性能。很好地弥补了改性生物沥青混合料高温性能不足的问题。

水泥掺量并不是越多越好，当水泥掺量超过4%后，水泥剂量对混合料抗车辙性能的提升效果明显降低，故推荐水泥掺量为3%～4%。

3.2 低温性能

进行低温小梁弯曲试验，试验温度为-10℃，分析不同水泥掺量对沥青混合料低温性能的影响，试验结果见表5。

表5 低温小梁弯曲实验结果

由表5试验结果可知，当水泥掺量为0%～4%时，随着水泥掺量的增加，沥青混合料的弯拉强度变化不明显；当水泥掺量为4%～6%时，沥青混合料的弯拉强度略有降低，因此可得水泥对沥青混合料的低温抗裂性能影响并不明显，可以用部分水泥或全部替代矿粉，考虑到水泥材料的经济性及对其他路用性能的影响，建议水泥掺量为3%～4%。

3.3 水稳定性能

进行冻融劈裂实验，分析不同水泥掺量对AC-16沥青混合料水稳定性能的影响，试验结果见表6。

表6 冻融劈裂实验结果

由表6试验结果可知，虽然冻融循环前的劈裂强度变化不大，但冻融劈裂强度比（TSR）随着水泥掺量的增加而显著提高，因此掺加水泥能显著提高沥青混合料的水稳定性。其原因是由于沥青呈弱酸性（含有少量亚砜与羧酸），而水泥为碱性材料，水泥与沥青接触会发生化学反应，形成的化合物具有较强的吸附性，进而增大了胶浆与集料的黏结力。由此也就提高了沥青混合料的水稳定性。

4 结论

a）生物沥青能改善橡胶沥青的各项性能，降低了橡胶沥青的黏度，显著地提升了橡胶沥青的低温抗裂性和抗疲劳性能，当生物沥青掺量为16%时，改性生物橡胶沥青综合性能最优。

b）掺加水泥可以显著提升生物沥青混合料的抗车辙性能而对其低温抗裂性能无显著影响，很好地弥补了改性生物沥青混合料高温性能不足的问题。

c）合理掺量的水泥可以提升沥青胶浆的黏附作用，进而有利于提升改性生物沥青混合料的水稳定性。

d）全面分析水泥掺量对沥青混合料路用性能的影响，推荐水泥掺量为3%～4%。