DC-Ⅰ型混合植物沥青混合料路用性能评价及改善

董泽蛟， 杨 晨， 栾 海， 肖桂清(.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院， 黑龙江 哈尔滨 50090； .吉林省交通规划设计研究院， 吉林 长春 00； .天津市市政工程设计研究院， 天津 00457)

沥青作为路面材料的重要组成部分，年消耗量巨大，然而生产沥青的原料——石油属于不可再生资源.因此，研发新型替代材料、减少石油沥青的使用显得尤为重要，是保证道路工程可持续发展的重要措施之一.近年来植物沥青成为沥青替代材料的研究热点之一，它可以从生物质及其残留物中(如市政庭院废物[1]，猪粪[2-4]，草木[5-6]，咖啡和茶叶残留物等[7-8])提取或经过热化学液化处理(高温裂解)得到，可作为一种沥青改性剂或部分代替物[9].

由于植物沥青来源广泛并且加工工艺多变，其化学性质非常复杂，据统计包含300多种化学物质[10-11]，复杂多样的化学物质必然对植物沥青混合料的路用性能产生较大的影响.Mohammad等[12]对由松木木屑植物油制备而成的植物沥青进行了路用性能测试，认为掺入该植物沥青能够在一定程度上改善混合料的水敏感性及低温抗裂性能，同时其高温抗车辙性能与传统石油沥青混合料相似，体现出优良的路用性能.Yang等[13]通过APA试验、弯曲疲劳试验、动态模量试验和间接拉伸试验来评估植物沥青混合料的路用性能，结果表明相较于石油沥青混合料，植物沥青混合料有较好的疲劳性能，而两者抗车辙性能和拉伸强度无明显差别.

不同来源的植物沥青性能差异较大，同一来源不同批次且加工工艺略微调整后的植物沥青性能也会表现出明显的区别，该问题是制约植物沥青研究和推广应用的瓶颈.本文针对特定来源特定加工工艺且储量巨大的DC-Ⅰ型植物沥青进行研究，并对其进行物理改性，评价植物沥青混合料的路用性能，最后针对其不足之处提出改善措施.

1 试验部分

1.1 原材料

采用90#道路石油沥青和Ⅰ-C类SBS改性沥青，植物沥青为长春某公司生产的玉米加工过程中的副产品DC-Ⅰ型植物沥青，其生产工艺流程如图1所示.材料制备过程中改性剂选用SBS，并用硫粉作为稳定剂.各种沥青结合料的基本性能如表1所示.

图1 DC-Ⅰ型植物沥青生产工艺流程图Fig.1 Production process flow chart of DC-Ⅰ bio-asphalt

表1 各种沥青结合料的基本性能Table 1 Basic properties of different asphalt binders

1.2 材料制备

1.2.1混合植物沥青

分别将DC-Ⅰ型植物沥青和90#石油沥青加热至130～135℃和160～165℃，DC-Ⅰ型植物沥青的掺量为石油沥青质量的15%，然后将两者倒入自动恒温容器，控制温度为135～145℃，搅拌转速为(500±5) r/min，搅拌时间为30～40min，得到混合植物沥青BDC-Ⅰ.

1.2.2SBS改性混合植物沥青

参照BDC-Ⅰ的制备方法，增加DC-Ⅰ型植物沥青的掺量至石油沥青质量的45%，并掺入占混合植物沥青质量4.5%的SBS改性剂进行物理改性.具体步骤为：

(1)溶胀阶段：在150～160℃下以低转速(300r/min)搅拌30～40min，使SBS在沥青中充分溶胀.

(2)研磨剪切阶段：剪切速率为5000r/min，温度保持为175～180℃，剪切30～40min后，加入设定比例的稳定剂(硫粉)，继续剪切30～50min.

(3)成品发育阶段：在140～150℃下搅拌，转速设定为300r/min，充分发育20～30min，制得SBS改性混合植物沥青BMDC-Ⅰ.

1.2.3相容性评价

采用BRUKER原子力显微镜(AFM)观测上述90#石油沥青，BDC-Ⅰ，BMDC-Ⅰ以及Ⅰ-C类SBS改性沥青的微观形貌，检验植物沥青与SBS在基质沥青中的分布情况，结果如图2所示.

图2 4种沥青结合料的表面形貌Fig.2 Topographic images of four asphalt binders

由图2(b)可看出，混合植物沥青BDC-Ⅰ在微观上表面平整光滑，植物沥青均匀分散于90#石油沥青中，2种沥青之间没有出现明显的界面过渡区，与图2(a)中均质的90#石油沥青相似，表明DC-Ⅰ型植物沥青与90#石油沥青相容性良好，未发生离析现象.此外，在BDC-Ⅰ和90#沥青表面均观测到了较为明显的“蜂形”结构，而近年来多数研究认为“蜂形”结构的主要成分是蜡晶体[14-16].与图2(a)对比可发现，图2(b)中相对较少的“蜂形”结构表明植物沥青的掺入减少了石油沥青中的蜡含量，这同样对两者的相容性起到了改善作用.

由图2(c)可见，掺入SBS改性剂后，BMDC-Ⅰ的“蜂形”结构明显减少，说明SBS改性剂降低了沥青中沥青质与其轻组分之间极性的差异，改性沥青中蜡含量进一步减少，增强了石油沥青与植物沥青的相容性，沥青的性质更加稳定.SBS物理改性后沥青的微观形态仍然表现出有规律的分布，这与SBS吸附沥青中的小分子组分形成网络结构以及沥青中大分子组分的增加密切相关，同时这种网络结构和大分子组分均匀地分布在沥青中.由此可看出DC-Ⅰ型植物沥青和SBS在90#石油沥青中分散均匀，与石油沥青相容性均较好.

2 混合料性能

2.1 配合比设计

混合植物沥青BDC-Ⅰ作为基质沥青使用时，一般用在路面的下面层，故选定AC-25为其对应混合料级配类型，并与90#石油沥青对比；SBS改性混合植物沥青BMDC-Ⅰ作为改性沥青时，一般用在路面的中上面层，故选定AC-20为其对应的混合料级配类型，并与Ⅰ-C类SBS改性沥青对比.

2.1.1级配确定

为减少试验过程中数据的变异性，根据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》对粗细集料进行筛分，根据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》(以下简称《施工规范》)要求，确定AC-20与AC-25级配分布，结果如表2所示.

表2 AC-20与AC-25混合料级配Table 2 Gradation of AC-20 and AC-25mixtures

2.1.2确定最佳沥青用量

根据上文所确定的级配，以0.5%为变化间隔取5种沥青掺量，进行马歇尔试验以得到最佳沥青用量.在最佳沥青掺量下，测试各沥青混合料的物理力学指标，结果如表3所示.

从表3可以看出，采用同一种级配时，SBS改性混合植物沥青BMDC-Ⅰ的最佳沥青掺量大于Ⅰ-C类SBS改性沥青，同样，混合植物沥青BDC-Ⅰ的最佳沥青掺量也略大于90#沥青.掺加植物沥青的混合料毛体积相对密度略小于Ⅰ-C类SBS改性沥青和90#沥青混合料，这一方面是由于DC-Ⅰ型植物沥青本身密度偏小，减小了同等条件下混合料的毛体积相对密度；另一方面是因为DC-Ⅰ型植物沥青具有一定水溶性，利用表干法测试其混合料毛体积相对密度时，试件在浸水过程中部分植物沥青溶于水，导致混合料试件水中质量偏小，而表干质量偏大，从而导致混合料的毛体积相对密度偏小.

表3 最佳沥青掺量下沥青混合料的物理力学指标Table 3 Physical and mechanical parameters of asphalt mixtures at optimal asphalt content

从表3还可以看出，在力学性能方面，采用BMDC-Ⅰ混合料稳定度明显小于Ⅰ-C类SBS改性沥青混合料的稳定度，但前者与BDC-Ⅰ混合料的稳定度相差不大，其原因在于高掺量的植物沥青使得BMDC-Ⅰ沥青混合料的高温性能有所降低，但是SBS改性剂的掺入缓解了这种降低作用，使得BMDC-Ⅰ在宏观上表现出与低掺量未改性的BDC-Ⅰ类似的性质.两种植物沥青混合料其他指标如空隙率、沥青饱和度以及流值等均满足《施工规范》的要求.另外，从表3中还可发现，BDC-Ⅰ混合料与90#沥青混合料各项指标相当，而BMDC-Ⅰ混合料的物理力学指标与Ⅰ-C类SBS改性沥青混合料相差略大，说明植物沥青的掺量对改性沥青性能影响较大，即使掺入诸如SBS等改性剂应用时也需控制其掺量.

2.2 路用性能验证

根据上文得到的混合植物沥青及SBS改性混合植物沥青对应混合料的最佳沥青掺量，验证各种沥青混合料的路用性能，通过车辙试验、小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验分别评价混合料的高温性能、低温性能以及水稳定性.

2.2.1高温稳定性

高温稳定性是指高温条件下沥青混合料在长期使用过程中承受车辆荷载的反复作用，抵抗车辙、推移、拥包等永久变形,从而保证路面平整性的能力.本文根据JTG E20—2011《公路沥青及沥青混合料试验规程》采用沥青混合料车辙试验(T 0719-2011)来评价沥青混合料的高温稳定性，试验结果如图3所示.

图3 不同类型沥青混合料动稳定度Fig.3 Dynamic stabilities of different types of asphalt mixtures

动稳定度和车辙深度是评价沥青混合料抵抗高温永久变形的关键指标.图3将45min和60min的车辙变形量也一并列出来，以间接比较各沥青混合料的抗车辙性能.从图3中可以看出，采用BMDC-Ⅰ和Ⅰ-C类SBS改性沥青的AC-20混合料动稳定度相当，且二者车辙变形量也相差不大，说明2种改性沥青均具有较好的高温抗车辙性能，并且性能相近.而对比采用BDC-Ⅰ和90#石油沥青的AC-25混合料的高温稳定性后发现，前者(BDC-Ⅰ)动稳定度几乎是后者(90#)的2倍，说明加入植物沥青后可以使沥青混合料的高温稳定性得到大幅提高，且前者的60min变形量较45min变形量增加不大，说明在60min内其车辙变形基本处于稳定状态；而后者的60min变形量较45min 变形量增加较大，且明显大于前者，即采用同一种级配(AC-25)时，BDC-Ⅰ混合料的高温稳定性比90#石油沥青混合料的高温稳定性有大幅提高，说明在基质沥青中掺入一定量的DC-Ⅰ型植物沥青可以提高基质沥青的高温稳定性.其根本原因在于适量植物沥青的掺入可减少基质沥青中蜡晶体的含量，使得BDC-Ⅰ沥青在高温时黏度较90#石油沥青增大，从而可与集料更好地粘附；另外，由于混合料试件成型时温度过高，导致植物沥青产生一定程度的老化，同样使其黏度比基质沥青增加，从而提高了混合料抵抗高温变形的能力.

2.2.2低温抗裂性

面层低温缩裂是由于气温骤降造成的面层收缩，在有约束的沥青层内产生温度应力，当温度应力超过沥青混合料的抗弯拉强度时即出现裂缝.本文采用沥青混合料弯曲试验(T 0715-2011)来评价其低温性能，试验结果如表4所示.

表4 小梁弯曲试验结果Table 4 Results of beam bending test

沥青混合料的抗弯拉强度越大，表明其抗裂性能越好；最大破坏弯拉应变越大，表明混合料的抗变形能力和应力松弛能力越好.从表4中可以看出，BMDC-Ⅰ沥青混合料的抗弯拉强度、极限拉应变以及弯曲劲度模量均小于Ⅰ-C类SBS改性沥青混合料.试验过程中观察到浸水会对沥青混合料产生不利影响，特别是在高沥青掺量的情况下.而BDC-Ⅰ沥青混合料和90#石油沥青混合料情况类似，不同的是BDC-Ⅰ沥青混合料的极限拉应变大于90#石油沥青混合料的破坏应变，并且两者均满足《施工规范》的要求.掺加15%植物沥青的BDC-Ⅰ增加了沥青混合料的极限拉应变，而BMDC-Ⅰ尽管掺加了45%植物沥青并且又进行了SBS改性，其混合料低温性能仍难以满足《施工规范》的要求，说明适量的植物沥青可在一定程度上改善混合料的低温性能，但若其掺量过大，反而会对混合料低温性能带来不利影响，即使采用聚合物改性剂对其进行改性，也难以获得良好的路用性能.

2.2.3水稳定性

本文所用的DC-Ⅰ型植物沥青本身具有一定的亲水性，但在沥青性能的测试中未表现出水溶性，而混合料水稳定性是否满足要求成为关键.一方面，混合料中沥青与水的接触面加大，水的影响凸显出来；另一方面，沥青与集料及矿粉的相互作用可能会导致植物沥青的水溶性问题再次出现.所以本文对植物沥青混合料进行浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验，以检验其水稳定性，试验结果如图4，5所示.

图4 浸水马歇尔试验结果Fig.4 Results of immersion Marshall test

图5 冻融劈裂试验结果Fig.5 Results of freeze-thaw splitting test

从图4中可以明显看出，在未浸水前，各沥青混合料马歇尔稳定度均满足路用性能要求，但浸水后BMDC-Ⅰ沥青混合料的残留稳定度只有8.1%，BDC-Ⅰ沥青混合料的残留稳定度也只有35.3%，难以满足路用性能要求.说明DC-Ⅰ型植物沥青受水的影响明显，其掺入较大地影响了混合料的水稳定性，这与DC-Ⅰ型植物沥青的亲水性密切相关.在浸水过程中，部分植物沥青从混合料中析出而进入水环境中，导致混合料中沥青含量减少，沥青膜厚度减小，降低了沥青胶浆与集料的黏附性，对沥青混合料的水稳定性带来极大的不利影响.

从图5可以看出，BMDC-Ⅰ沥青混合料冻融劈裂强度比只有1.8%.结合上文，SBS改性剂的使用改善了高掺量植物沥青的部分性能，使得BMDC-Ⅰ混合料和Ⅰ-C类SBS改性沥青混合料在未冻融前的劈裂强度fs基本无差别；但在冻融循环后两者劈裂强度差异巨大，即SBS改性剂的加入并没有改善高掺量植物沥青带来的水稳定性损失；类似的，使用植物沥青掺量为15%的BDC-Ⅰ混合料冻融劈裂强度比只有35.9%，也没有达到要求.冻融劈裂试验包括真空饱水、冻融和高温水浴3个过程.试件在浸水过程中同样会有植物沥青部分溶于水，导致沥青与集料黏附性降低，冻融劈裂强度比显著减小，说明掺DC-Ⅰ型植物沥青的混合料水稳定性有所降低.

综上，DC-Ⅰ型植物沥青的掺入，可在一定程度上改善或保持沥青混合料的高低温性能，但由于其亲水性使得混合料的水稳定性存在一定问题，且与植物沥青掺量关联较大，需要在控制植物沥青掺量的前提下，寻找新的途径来改善植物沥青混合料的水稳定性.

3 改善植物沥青混合料水稳定性的措施

沥青混合料水稳定性不足通常是由沥青与集料的黏附性差所致，试验发现，掺加植物沥青的沥青混合料水稳定性不足主要是由于植物沥青本身具有一定水溶性引起.以BDC-Ⅰ与90#石油沥青分别成型马歇尔试件，然后将试件在相同条件下浸水20d后观察.结果发现，BDC-Ⅰ混合料马歇尔试件在水中浸泡20d后，水体中出现泛黄现象，而90#基质沥青混合料马歇尔试件在同等条件下浸泡后基本无变化，其原因在于DC-Ⅰ型植物沥青具有一定的水溶性，溶于水后部分漂浮在水面上，呈现出微黄色，正是由于植物沥青具有水溶性，使得其混合料水稳定性不足.

针对植物沥青的水溶性问题，本次试验选用3种外掺剂Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ对植物沥青进行化学改性(主要发生酯化反应)后，同样以15%的掺量加入到90#石油沥青当中，得到的沥青混合料与90#石油沥青混合料作对比(级配同表2)，进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，结果分别如图6，7所示.

图6 化学改性混合植物沥青混合料浸水马歇尔试验结果Fig.6 Immersion Marshall test results of blending bio-asphalt mixture by chemical modification

图7 化学改性混合植物沥青混合料冻融劈裂试验结果Fig.7 Freeze-thaw splitting test results of blending bio-asphalt mixture by chemical modification

从图6，7中可以看到，不同外掺剂的改性效果差异明显.根据图6浸水马歇尔试验结果，可看出外掺剂Ⅰ的改性效果最佳，其混合料40min稳定度已超过90#石油沥青混合料，虽然其48h稳定度及残留稳定度略小于后者，但也满足《施工规范》的要求，并且与图4相比，其残留稳定度是改性前BDC-Ⅰ沥青混合料的2.36倍，说明其水稳定性显著改善.相比之下，外掺剂Ⅱ，Ⅲ改性的混合料效果较外掺剂Ⅰ略差，虽然未满足《施工规范》的要求，但与图4相比，较改性前BDC-Ⅰ沥青混合料的残留稳定度也有大幅提高，分别为改性前BDC-Ⅰ沥青混合料的1.97倍和2.14倍.究其原因在于3种外掺剂均在不同程度上与植物沥青发生了酯化反应，从而减少了植物沥青中醇羟基等亲水性基团，降低了植物沥青的水溶性，最终使得混合料水稳定性得以改善.

从图7可以看出，在3种外掺剂中，经过外掺剂Ⅰ改性的混合植物沥青混合料冻融劈裂强度最高，虽不及90#石油沥青混合料，但满足《施工规范》对于基质沥青混合料冻融劈裂强度比大于75%的要求，并且与图5相比，其劈裂强度比是改性前BDC-Ⅰ沥青混合料的2.27倍；经过外掺剂Ⅱ，Ⅲ处理的混合植物沥青混合料未冻融及冻融后的劈裂强度均较小，但与图5相比，其劈裂强度比要大于外掺剂Ⅰ的改性效果，分别为改性前BDC-Ⅰ沥青混合料的2.53倍和2.29倍，其中外掺剂Ⅱ改性后的混合料劈裂强度比与90#石油沥青混合料相当.3种外掺剂改性的混合植物沥青混合料的劈裂强度比均较改性前大幅提高，进一步证明3种外掺剂均能降低植物沥青的亲水性，从而达到改善混合料水稳定性的目的.

总体来看，对于DC-Ⅰ型植物沥青而言，部分化学改性植物沥青已能达到基质沥青混合料的水稳定性要求，较物理改性植物沥青BMDC-Ⅰ及混合植物沥青BDC-Ⅰ混合料的水稳定性有明显改善.因此植物沥青的化学改性应是未来研究的重点.

4 结论

(1)通过AFM发现，DC-Ⅰ型植物沥青能够均匀地分散于基质沥青中，经SBS改性后(BMDC-Ⅰ)也能分散均匀，与90#石油沥青相容性较好.

(2)采用BMDC-Ⅰ的AC-20混合料动稳定度略优于Ⅰ-C类SBS改性沥青混合料，采用BDC-Ⅰ的AC-25混合料动稳定度和极限拉应变较90#石油沥青混合料均增加，说明掺加一定量的DC-Ⅰ型植物沥青后，混合料高、低温性能均得到改善，其中低温性能改善效果较小.

(3)使用BMDC-Ⅰ的AC-20混合料和使用BDC-Ⅰ的AC-25混合料残留稳定度和劈裂强度比均无法满足《施工规范》要求，物理改性过程中SBS的加入并没有改善高掺量DC-Ⅰ型植物沥青带来的水稳定性不足的问题，水稳定性不足是影响DC-Ⅰ型植物沥青应用的一大难题.

(4)3种外掺剂对DC-Ⅰ型植物沥青化学改性的效果明显，其中以外掺剂Ⅰ最优，用其改性后的混合料水稳定性达到了沥青混合料路用性能要求.

综上所述，DC-Ⅰ型植物沥青的掺入对混合料的高温性能有所改善，对其低温性能影响不大，但明显降低了其水稳定性，且与DC-Ⅰ型植物沥青的掺量关系密切.后续应采用化学改性的处理方式解决DC-Ⅰ型植物沥青应用时出现的混合料水稳定性不足的问题.

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