DOP对SBS改性生物沥青混合料的路用性能研究★

2021-06-11何东坡王晨宇

山西建筑 2021年12期

何东坡王晨宇

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

近年来，日常工作和生产中产生的生物资源引起了道路工作者的关注。生物资源来自于实际生产，并在经过物理和化学处理后即可以制备具有混合料性能的生物沥青，因此受到了广泛的学术关注。最常见的生物资源是生物油。大多数生物油是从动植物废料(粪便，蔬菜秸秆等)的压榨萃取和快速热裂解中获得的。生物油的主要成分是高分子碳化合物，易降解，对环境无污染，来源广泛，为研究提供了广泛的材料基础。由于生物油是从各种废物中提取的，且过滤过程并不复杂，因此生物沥青的价格低于传统复合沥青的价格，生产成本约为每吨1 000元～2 000元。因此，在道路工程中使用生物油沥青混合料意义重大，可以减少能源压力，节省不可回收的能源并降低工程成本。

根据国内外科学家的研究，生物沥青在高温下化学性能更佳。具有较大的粘附性，但生物沥青的延展性较低，说明低温下存在硬脆的缺陷，无法承受较大的塑性变形。为了提高生物油大量代替的沥青在低温下的分解能力，查阅资料，找到化学工业中常用的邻苯二甲酸二辛酯(DOP)。在工业应用中，DOP分子可以增加聚合物分子之间的距离，增加聚合物的粘度，并降低聚合物的加工温度。将DOP加入SBS改性生物沥青中，制备了改性沥青混合料，研究了其路用性能。

1 原材料与配合比设计

1.1 试验材料

试验选用盘锦生产的4%SBS改性沥青。生物质重油来源于黑龙江省巴彦县农村，原料为秸秆与木屑，经过物化处理后，常温下呈黑褐色固体。DOP(邻苯二甲酸二辛酯)来自于山东优索化工科技。粗集料采用石灰岩碎石，集料规格分别为10 mm～20 mm碎石、5 mm～10 mm碎石、3 mm～5 mm碎石。细集料采用机制砂，规格为0 mm～2.36 mm。填料采用石灰岩矿粉。对原材料进行配合比设计必要项目试验检测，具体检测结果如表1～表4所示。

表1 SBS改性沥青基本性能指标

表2 集料性能指标

表3 DOP性能指标

表4 生物油基本性能指标

1.2 改性剂掺量的确定

结合相关研究资料表明，DOP作为改性剂对不同沥青基团的转化影响的规律,推荐DOP添加量为2.5%～3%。SBS改性剂在实际铺筑沥青混合料路面时掺量一般为3%～5%。因此选取DOP/SBS改性生物沥青中SBS的掺量为生物沥青质量的4%，DOP的掺量为生物沥青质量的2%。

1.3 配合比设计

试验中选用AC-16级配，在级配范围内取中值，级配的组成见表5。

表5 级配取值

运用马歇尔试验来确定40%改性生物沥青混合料的最佳油石比，沥青所占比重按0.5%的间隔分为4%,4.5%,5%,5.5%和6%。通过马歇尔击实仪制备马歇尔试验试件，对各个油石比下的马歇尔试件的各项物理指标进行测定，测定结果如表6所示。并按照规范计算出最佳用油量。

表6 不同油石比下各项物理指标

根据试验结果，按照JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范的要求，最佳油石比的确定过程包括确定OAC1和OAC2。首先，求取相应于密度最大值、稳定度最大值、目标空隙率(或中值)、沥青饱和度范围中值的油石比，取四者的平均值作为OAC1。如果在所选择的油石比范围未能涵盖沥青饱和度的要求范围，取前三者的平均值作为OAC1。对于所选择试验的油石比范围，密度或稳定度没有出现峰值时，直接以目标空隙率所对应的油石比OAC1，但需验证其位于OACmin～OACmax范围内。其次，以各项指标均符合技术标准(不含VMA)的油石比范围OACmin～OACmax的中值作为OAC2。最后，将OAC1和OAC2的中位数作为目标值。这个目标值即为最佳油石比OAC，并结合施工经验、设计目标等级、交通与气候条件，最终确定40%改性生物沥青混合料的OAC=5.4%。按最佳油石比制备马歇尔试件进行试验，混合料的各项技术指标见表7。

表7 最佳油石比下混合料技术指标

2 路用性能试验结果分析

2.1 高温性能

高温车辙试验中将制备好的板状试件放入60 ℃的恒温室中保温5 h，试验轮与试件表面的接触压强0.7 MPa，试验时间1 h。试验结束后通过求得的沥青混合料动稳定度值来评价沥青混合料的高温稳定性。实验结果见表8。

表8 高温稳定性能结果

选取的参考值是改性沥青混合料规范值。表8表明沥青混合料的高温性能满足技术规范中炎热的夏季区域2-2的规范要求。DOP的添加表明对改性生物沥青的高温性能有破坏作用，这与对改性生物复合沥青的高温性能的研究结果一致。没有DOP掺量的改性生物沥青混合料与 2.5% DOP掺量的改性生物沥青混合料相比，其动稳定度降低了16.7%，表明DOP的添加显著削弱了复合生物沥青混合料的高温性能。

2.2 低温性能

采用低温小梁弯曲试验来评价三种沥青混合料的低温抗裂性能，试验采用规格为长250 mm±2.0 mm，宽30 mm±2.0 mm，高35 mm±2.0 mm的小梁，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm/min，对小梁跨中部位施加集中荷载，直至试件破坏，计算试件破坏时的抗弯拉强度、最大弯拉应变及弯曲劲度模量。试验结果如表9所示。

表9 低温稳定性能结果

与不加DOP改性生物沥青混合料相比，加DOP的改性生物沥青混合料的极限拉应变提高了17.1%，表明DOP的掺入提高了改性生物沥青混合料的低温抗裂性能，且影响显著。没有加入DOP的改性生物沥青混合料的低温性能依然能满足混合料的施工要求。

2.3 水稳定性能

用于评估沥青混合料水稳定性的测试方法包括浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验。浸水马歇尔试验通过浸入水中的混合料的力学性能的削弱程度来评估沥青混合物的水稳定性。冻融劈裂试验首先将混合料进行冷冻再融冻，然后进行劈裂试验，并使用分裂强度比评估混合料的水稳定性。实验结果如表10所示。

表10 水稳定性能试验结果

根据浸水马歇尔试验，掺有DOP的改性生物沥青混合物和不含DOP的改性生物沥青混合物的残余稳定度均符合《施工技术规范》的要求。与不加DOP的改性生物沥青混合料相比，含2.5%DOP的改性生物沥青混合料的残余稳定度提高了7.8%，表明添加DOP显著改善了生物沥青混合料的水稳性能。根据冻融劈裂试验，不含DOP的改性生物沥青混合料的冻融强度比低于DOP改性生物沥青混合料的冻融强度比，但降低幅度较小。在冻融循环条件下冻融劈裂强度比均大于标准值，与0%DOP改性的生物沥青混合料相比，2.5%DOP改性的生物沥青混合料的冻融劈裂强度比提高了3.1%，说明DOP的添加有利于改善生物沥青混合料水稳定性能。