曾夢(mèng)瀾， 潘浩志， 田　振， 朱艷貴

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙　410082)

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老化對(duì)生物瀝青改性瀝青結(jié)合料使用性能的影響

曾夢(mèng)瀾， 潘浩志， 田振， 朱艷貴

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙410082)

[摘要]通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，探討老化對(duì)生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的影響。分析顯示：老化降低結(jié)合料的殘留針入度比，這種影響在短期老化時(shí)較為顯著，長(zhǎng)期老化時(shí)可以忽略。老化提高結(jié)合料的軟化點(diǎn)，這種影響在短期老化時(shí)較為顯著，長(zhǎng)期老化時(shí)更加顯著。老化提高結(jié)合料的殘留延度比，這種影響在短期與長(zhǎng)期老化時(shí)效果均相當(dāng)顯著。老化提高結(jié)合料的針入度指數(shù)，這種影響在短期與長(zhǎng)期老化時(shí)均較為顯著。總體上，生物瀝青對(duì)改性瀝青結(jié)合料老化前后性能的比較沒有大的不良作用，在這個(gè)意義上生物瀝青改性瀝青結(jié)合料具有良好的抗老化性能。

[關(guān)鍵詞]道路工程； 改性瀝青； 生物瀝青； 使用性能； 老化影響

0前言

隨著公路和城市道路建設(shè)的快速發(fā)展，瀝青的消耗量日益增多。傳統(tǒng)的瀝青結(jié)合料是石油加工過程中的殘留物，由于石油資源屬于不可再生資源，隨著石油資源的日益減少以及石油價(jià)格的不斷攀升，尋找石油瀝青的替代品成為國(guó)內(nèi)外道路工程界的重要課題。

生物瀝青，作為一種可再生資源，來自于一些生物質(zhì)材料，比如動(dòng)物糞便、農(nóng)作物秸稈、植物油廢料等[1]。通過酸化、水解、分餾和氧化等一系列物理化學(xué)工藝即可制得生物瀝青[2]。生物瀝青具有可再生、環(huán)保無污染以及經(jīng)濟(jì)性。因此，如果能夠用生物瀝青來部分或全部替代石油瀝青，不僅對(duì)生態(tài)環(huán)境起到保護(hù)的作用，也將促進(jìn)瀝青路面服務(wù)水平和使用壽命的提高[3]。國(guó)外學(xué)者對(duì)生物瀝青進(jìn)行了廣泛的研究，F(xiàn)ini、Wen、Yang等學(xué)者分別研究了由動(dòng)物糞便、廢烹飪油、廢棄木材加工而成的生物瀝青，Mills-Beale研究了由豬糞制成的生物瀝青改性瀝青的老化性能[4-8]。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)生物瀝青開展了深入的研究，廖曉峰、周南陽(yáng)、汪海年等重點(diǎn)研究了植物瀝青改性瀝青的路用性能，取得了一定進(jìn)展[9-11]。

瀝青的老化是瀝青在混合料熱拌、施工及使用過程中受到溫度、光照、空氣和降水等外界環(huán)境因素的影響以及車輛荷載的作用而發(fā)生揮發(fā)、氧化等一系列不可逆的物理變化和化學(xué)變化。瀝青的老化是影響瀝青路面使用性能的一個(gè)重要因素，直接導(dǎo)致瀝青路面使用壽命的縮短。本文通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，以生物瀝青作為改性劑，將生物瀝青以不同比例加入基質(zhì)石油瀝青，探討老化對(duì)生物瀝青改性瀝青結(jié)合料使用性能的影響。

1試驗(yàn)材料

① 基質(zhì)瀝青。

基質(zhì)瀝青采用50號(hào)A級(jí)道路石油瀝青，基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)見表1。

② 生物瀝青。

生物瀝青采用蓖麻油植物瀝青，其原料為蓖麻子，由煉制蓖麻油后殘余的下腳油再經(jīng)過蒸餾、氧化等物理化學(xué)工藝處理，最后得到的廢料即為植物瀝青。這種蓖麻油植物瀝青在常溫條件下為黑色固體，與傳統(tǒng)石油瀝青基本一致，只在顏色上稍顯偏淡。

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)Table1 Technicalpropertiesofbaseasphalt指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果規(guī)范要求針入度(25℃,5s,100g)/(0.1mm)43.740～60針入度指數(shù)PI-0.66-1.5～+1.0軟化點(diǎn)(R&B)/℃52.8≥4915℃延度/cm>100≥80閃點(diǎn)/℃270≥260溶解度/%99.6≥99.5密度(15℃)/(g·cm-3)1.040實(shí)測(cè)記錄RTFO試驗(yàn)后質(zhì)量變化/%0.02≤±0.8殘留針入度比/%63.6≥63殘留延度/cm13.5≥10

③ 改性瀝青的制備。

改性瀝青制備時(shí)，先將基質(zhì)瀝青和生物瀝青加熱到105 ℃，按照預(yù)定的比例混合，在攪拌機(jī)中以1 500 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌20 min。根據(jù)生物瀝青的物理性質(zhì)，生物瀝青加入量為瀝青總量的0、5%、10%、15%、20%、25%和30%。其中，基質(zhì)瀝青采用相同的加工過程，得到作為特例的零含量生物瀝青改性瀝青結(jié)合料試樣。

2實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)包括生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的性能試驗(yàn)與老化試驗(yàn)。

瀝青結(jié)合料的性能試驗(yàn)包括針入度、軟化點(diǎn)和延度試驗(yàn)，分別按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[12]中的相關(guān)方法進(jìn)行。針入度試驗(yàn)采用JTG E20規(guī)程T0604-2011“瀝青針入度試驗(yàn)”方法，試驗(yàn)溫度25 ℃，時(shí)間5 s，荷載100 g；軟化點(diǎn)試驗(yàn)采用JTG E20規(guī)程T0606-2011“瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)(環(huán)球法)”方法，試驗(yàn)水溫上升速率5 ℃/min；延度試驗(yàn)采用JTG E20規(guī)程T0605-2011“瀝青延度試驗(yàn)”方法，試驗(yàn)溫度15 ℃，拉伸速率5 cm/min。

瀝青結(jié)合料的老化試驗(yàn)主要是為性能試驗(yàn)準(zhǔn)備經(jīng)過老化的材料，包括旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱(RTFO)和壓力容器(PAV)試驗(yàn)。RTFO試驗(yàn)?zāi)M瀝青在混合料生產(chǎn)過程中發(fā)生的短期老化，PAV試驗(yàn)?zāi)M瀝青在路面使用過程中發(fā)生的長(zhǎng)期老化。RTFO試驗(yàn)采用JTG E20規(guī)程T0610-2011“瀝青旋轉(zhuǎn)薄膜加熱試驗(yàn)”方法，試驗(yàn)溫度163 ℃，時(shí)間85 min；PAV試驗(yàn)采用JTG E20規(guī)程T0630-2011“壓力老化容器加速瀝青老化試驗(yàn)”方法，使用RTFO試驗(yàn)殘留物，試驗(yàn)條件為溫度100 ℃、壓力2.1 MPa、時(shí)間20 h。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

生物瀝青改性瀝青老化前后的性能試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 生物瀝青改性瀝青結(jié)合料試驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果Table2 Testandcalculationresultsofbioasphaltmodifiedasphaltbinder類別生物瀝青含量/%針入度(25℃,5s,100g)/(0.1mm)軟化點(diǎn)(R&B)/℃15℃延度/cm針入度指數(shù)原狀瀝青結(jié)合料043.752.8152.9-0.83553.751.8134.1-0.591063.750.8115.4-0.411574.849.798.5-0.272085.948.574.4-0.202596.947.455.7-0.1530113.746.143.7-0.03RTFO試驗(yàn)后027.857.413.5-0.77531.856.715.8-0.651035.955.522.3-0.591539.955.820.3-0.372044.956.818.20.112550.557.815.80.603057.958.614.91.12PAV試驗(yàn)后019.760.95.2-0.74523.760.77.6-0.451027.760.39.4-0.221531.76011.0-0.012036.160.412.30.342540.561.212.50.753045.162.612.11.27

3試驗(yàn)結(jié)果分析

由表2可見：生物瀝青含量與老化階段(原狀未老化、RTFO短期老化、PAV長(zhǎng)期老化)都對(duì)改性瀝青結(jié)合料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)有影響，生物瀝青含量的影響擬另文探討，本文分析老化的影響。

3.1殘留針入度比

針入度反映瀝青的粘稠程度，針入度越大稠度越小，反之越大。為了量化老化的影響，本文采用兩個(gè)殘留針入度比評(píng)價(jià)生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的老化性能，即短期老化殘留針入度比RP(RTFO)與長(zhǎng)期老化殘留針入度比RP(PAV)。RP(RTFO)定義為RTFO后針入度與原狀針入度的比值，與《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[13]中的定義相同，RP(PAV)定義為PAV后針入度與原狀針入度的比值。殘留針入度比反映老化對(duì)針入度的影響，殘留針入度比越大影響越小、越有利，反之越大、越不利。圖1為改性瀝青結(jié)合料殘留針入度比與生物瀝青含量的關(guān)系。

圖1　改性瀝青殘留針入度比與生物瀝青含量的關(guān)系Figure 1　Retained penetration of modified asphalt binder 　　　versus bioasphalt content

由圖1可見：改性瀝青結(jié)合料的短期老化殘留針入度比RP(RTFO)與長(zhǎng)期老化殘留針入度比RP(PAV)均隨著生物瀝青的含量增加而有所降低。當(dāng)生物瀝青的含量從0增加到30%時(shí)，短期老化殘留針入度比RP(RTFO)從63.6%到50.9%，降低了12.7%，長(zhǎng)期老化殘留針入度比RP(PAV)從45.1%到39.7%，僅降低5.4%。就殘留針入度比而言，老化對(duì)所用生物瀝青改性瀝青結(jié)合料有不利影響，降低材料相對(duì)稠度，這種影響在短期老化時(shí)較為顯著，長(zhǎng)期老化時(shí)可以忽略。

3.2軟化點(diǎn)變化

軟化點(diǎn)反映瀝青的高溫穩(wěn)定性，軟化點(diǎn)越高穩(wěn)定性越好，反之越差。為了量化老化的影響，本文采用兩個(gè)軟化點(diǎn)變化評(píng)價(jià)生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的老化性能，即短期軟化點(diǎn)變化DSP(RTFO)與長(zhǎng)期軟化點(diǎn)變化DSP(PAV)。DSP(RTFO)定義為RTFO后軟化點(diǎn)與原狀軟化點(diǎn)的差值，DSP(PAV)定義為PAV后軟化點(diǎn)與原狀軟化點(diǎn)的差值。軟化點(diǎn)變化反映老化對(duì)軟化點(diǎn)的影響，軟化點(diǎn)變化絕對(duì)值越大影響越大，反之越??；正值有利，反之不利。圖2為改性瀝青結(jié)合料軟化點(diǎn)變化與生物瀝青含量的關(guān)系。

圖2　改性瀝青軟化點(diǎn)變化與生物瀝青含量的關(guān)系Figure 2　Softening point change of modified asphalt binder 　　　versus bioasphalt content

由圖2可見：改性瀝青結(jié)合料的短期老化軟化點(diǎn)變化DSP(RTFO)與長(zhǎng)期老化軟化點(diǎn)變化DSP(PAV)均隨著生物瀝青的含量增加而提高。當(dāng)生物瀝青的含量從0增加到30%時(shí)，短期老化軟化點(diǎn)變化DSP(RTFO)從4.6 ℃到12.5 ℃，提高了7.9 ℃，長(zhǎng)期老化軟化點(diǎn)變化DSP(PAV)從8.1 ℃到16.5 ℃，提高了8.4 ℃。就軟化點(diǎn)變化而言，老化對(duì)所用生物瀝青改性瀝青結(jié)合料有有利影響，提高材料高溫穩(wěn)定性，這種影響在短期老化時(shí)較為顯著，長(zhǎng)期老化時(shí)更加顯著。

3.3殘留延度比

延度反映瀝青的塑性，延度越大塑性越好，反之越差。為了量化老化的影響，本文采用兩個(gè)殘留延度比評(píng)價(jià)生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的老化性能，即短期老化殘留延度比RD(RTFO)與長(zhǎng)期老化殘留延度比RD(PAV)。RD(RTFO)定義為RTFO后延度與原狀延度的比值，RD(PAV)定義為PAV后延度與原狀延度的比值。殘留延度比反映老化對(duì)延度的影響，殘留延度比越大影響越小，反之越大。圖3為改性瀝青結(jié)合料殘留延度比與生物瀝青含量的關(guān)系。

圖3　改性瀝青殘留延度比與生物瀝青含量的關(guān)系Figure 3　Retained ductility of modified asphalt binder 　　　versus bioasphalt content

由圖3可見：改性瀝青結(jié)合料的短期老化殘留延度比RD(RTFO)與長(zhǎng)期老化殘留延度比RD(PAV)均隨著生物瀝青的含量增加而上升。當(dāng)生物瀝青的含量從0增加到30%時(shí)，短期老化殘留延度比RD(RTFO)從8.8%到34.1%，上升了25.3%，長(zhǎng)期老化殘留延度比RD(PAV)從3.4%到27.7%，上升24.3%。就殘留延度比而言，老化對(duì)所用生物瀝青改性瀝青結(jié)合料有有利影響，提高材料相對(duì)塑性，這種影響在短期與長(zhǎng)期老化時(shí)效果均相當(dāng)顯著。

3.4針入度指數(shù)變化

針入度指數(shù)反映瀝青的溫度敏感性，針入度指數(shù)越大感溫性越小，反之越大。針入度指數(shù)的計(jì)算方法有多種，本文采用針入度指數(shù)的提出者Pfeiffer和van Doormaal給出的計(jì)算方法[15]，即公式(1)、式(2)：

(1)

其中：

(2)

式中：PI為針入度指數(shù)，無量綱；P為針入度，0.1 mm；Tp為針入度試驗(yàn)溫度，℃；TRB為軟化點(diǎn)，℃。公式(1)、式(2)的優(yōu)點(diǎn)是針入度指數(shù)的計(jì)算只需要常規(guī)條件下的針入度及軟化點(diǎn)，無需測(cè)試多個(gè)溫度下的針入度。生物瀝青改性瀝青老化前后針入度指數(shù)計(jì)算結(jié)果也見表2。

為了量化老化的影響，本文采用兩個(gè)針入度指數(shù)變化評(píng)價(jià)生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的老化性能，即短期針入度指數(shù)變化DPI(RTFO)與長(zhǎng)期針入度指數(shù)變化DPI(PAV)。DPI(RTFO)定義為RTFO后針入度指數(shù)與原狀針入度指數(shù)的差值，DPI(PAV)定義為PAV后針入度指數(shù)與原狀針入度指數(shù)的差值。針入度指數(shù)變化反映老化對(duì)針入度指數(shù)的影響，針入度指數(shù)變化絕對(duì)值越大影響越大，反之越??；正值有利，反之不利。圖4為改性瀝青結(jié)合料針入度指數(shù)變化與生物瀝青含量的關(guān)系。

圖4　改性瀝青針入度指數(shù)變化與生物瀝青含量的關(guān)系Figure 4　Penetration index change of modified asphalt 　　　binder versus bioasphalt content

由圖4可見：改性瀝青結(jié)合料的短期老化針入度指數(shù)變化DPI(RTFO)與長(zhǎng)期老化針入度指數(shù)變化DPI(PAV)均基本隨著生物瀝青的含量增加而提高。當(dāng)生物瀝青的含量從0增加到30%時(shí)，短期老化針入度指數(shù)變化DPI(RTFO)從0.05到1.15，提高了1.1，長(zhǎng)期老化針入度指數(shù)變化DPI(PAV)從0.09到1.30，提高了1.21。就針入度指數(shù)變化而言，老化對(duì)所用生物瀝青改性瀝青結(jié)合料有有利影響，降低材料溫度敏感性，這種影響在短期與長(zhǎng)期老化時(shí)均較為顯著。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，以蓖麻油下腳油制備的生物瀝青作為改性劑，將生物瀝青以0～30%的比例加入基質(zhì)石油瀝青，探討RTFO短期與PAV長(zhǎng)期老化對(duì)生物瀝青改性瀝青結(jié)合料使用性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果與結(jié)果分析顯示：

① 老化降低生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的殘留針入度比，降低材料相對(duì)稠度，這種影響在短期老化時(shí)較為顯著，長(zhǎng)期老化時(shí)可以忽略。

② 老化可以提高生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的軟化點(diǎn)，提高材料高溫穩(wěn)定性，這種影響在短期老化時(shí)較為顯著，長(zhǎng)期老化時(shí)更加顯著。

③ 老化可以提高生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的殘留延度比，提高材料相對(duì)塑性，這種影響在短期與長(zhǎng)期老化時(shí)效果均相當(dāng)顯著。

④ 老化可以提高生物瀝青改性瀝青結(jié)合料的針入度指數(shù)，降低材料溫度敏感性，這種影響在短期與長(zhǎng)期老化時(shí)均較為顯著。

⑤ 雖然生物瀝青對(duì)改性瀝青結(jié)合料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)有不同的影響，但對(duì)老化前后性能的比較沒有大的不良影響．在這個(gè)意義上，生物瀝青改性瀝青結(jié)合料具有良好的抗老化性能。

[參考文獻(xiàn)]

[1]曹衛(wèi)東，張曉波，戚新龍，等．生物瀝青的研究進(jìn)展[J].石油瀝青，2014，28(5)：1-5.

[2]汪海年，高俊鋒，尤占平，等．路用生物瀝青研究進(jìn)展[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，36(7)：55-60.

[3]馬峰，任欣，傅珍．美國(guó)生物瀝青混合料路用性能的研究與應(yīng)用[J].公路，2015(3).

[4]Fini E H，Kalberer E W，Shahbazi A，et al．Chemical Characterization of Biobinder from Swine Manure：Sustainable Modifier for Asphalt Binder[J]．Journal of Materials in Civil Engineering，2011，23(11)：1506-1513．

[5]Wen H，Bhusal S，Wen B．Laboratory Evaluation of Waste Cooking Oil-based Bioasphalt as an Alternative Binder for Hot Mix Asphalt[J]．Journal of Materials in Civil Engineering，2013，25(10)：1432-1437．

[6]Yang X，You Z，Dai Q．Performance Evaluation of Asphalt Binder Modified by Biooil Generated from Waste Wood Resources[J]．International Journal of Pavement Research and Technology，2013，6(4)：431-439．

[7]Yang X，You Z，Dai Q，et al．Mechanical Performance of Asphalt Mixtures Modified by Biooils Derived from Waste Wood Resources[J]．Construction and Building Materials，2014，51(2)：424-431．

[8]Mills-Beale J，You Z，F(xiàn)ini E，et al．Aging Influence on Rheology Properties of Petroleum-Based Asphalt Modified with Biobinder[J]．Journal of Materials in Civil Engineering，2014，26(2)：358-366．

[9]廖曉鋒，雷茂錦，陳忠達(dá)，等．生物結(jié)合料共混瀝青的路用性能試驗(yàn)研究[J]．材料導(dǎo)報(bào)B：研究篇，2014，28(1)：144-149.

[10]周南陽(yáng)，葛嵐，周宇弘，等．植物瀝青在道路工程中的應(yīng)用研究[J].公路與汽運(yùn)，2012(6)：97-101.

[11]汪海年，高俊鋒，趙欣，等．基于DSR和RV的生物瀝青結(jié)合料流變特性研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，42(6)：26-33．

[12]JTG E20-2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[13]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[14]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001：200-212．

[15]Pfeiffer J Ph，van Doormaal P M．The Rheological Properties of Asphaltic Bitumens[J]．Journal of the Institute of Petroleum，1936，22：414-440.

Aging Effects on Performance of Asphalt Binder Modified with Bioasphalt

ZENG Menglan， PAN Haozhi， TIAN Zhen， ZHU Yangui

(College of Civil Engineering， Hunan University， Changsha， Hunan 410082， China)

[Abstract]Laboratory tests were carried out to investigate effects of aging on the performance of asphalt binder modified with bioasphalt.Analyses indicate that aging decreases retained penetration of the binder；and the effect is significant in short term aging but negligible in long term aging.Aging increases softening point of the binder；and the effect is significant in both short and long term agings.Aging increases retained ductility of the binder；and the effect is very significant in short and long term agings.Aging increases penetration index of the binder；and the effect is significant in both short and long term agings.In general，bioasphalt has little adverse influence on comparison between properties before and after aging of the binder；and in this sense，the asphalt binder modified with bioasphalt possesses satisfactory aging resistance.

[Key words]road engineering； modified asphalt； bioasphalt； performance； aging effect

[中圖分類號(hào)]U 414.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674—0610(2016)02—0028—05

[作者簡(jiǎn)介]曾夢(mèng)瀾(1954—)，男，湖南漢壽人， 博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事道路工程研究。

[基金項(xiàng)目]湖南省交通運(yùn)輸廳科技進(jìn)步與創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(201110)

[收稿日期]2016—01—22