何東坡 王晨宇

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

近年來，日常工作和生產(chǎn)中產(chǎn)生的生物資源引起了道路工作者的關(guān)注。生物資源來自于實(shí)際生產(chǎn)，并在經(jīng)過物理和化學(xué)處理后即可以制備具有混合料性能的生物瀝青，因此受到了廣泛的學(xué)術(shù)關(guān)注。最常見的生物資源是生物油。大多數(shù)生物油是從動(dòng)植物廢料(糞便，蔬菜秸稈等)的壓榨萃取和快速熱裂解中獲得的。生物油的主要成分是高分子碳化合物，易降解，對(duì)環(huán)境無污染，來源廣泛，為研究提供了廣泛的材料基礎(chǔ)。由于生物油是從各種廢物中提取的，且過濾過程并不復(fù)雜，因此生物瀝青的價(jià)格低于傳統(tǒng)復(fù)合瀝青的價(jià)格，生產(chǎn)成本約為每噸1 000元～2 000元。因此，在道路工程中使用生物油瀝青混合料意義重大，可以減少能源壓力，節(jié)省不可回收的能源并降低工程成本。

根據(jù)國內(nèi)外科學(xué)家的研究，生物瀝青在高溫下化學(xué)性能更佳。具有較大的粘附性，但生物瀝青的延展性較低，說明低溫下存在硬脆的缺陷，無法承受較大的塑性變形。為了提高生物油大量代替的瀝青在低溫下的分解能力，查閱資料，找到化學(xué)工業(yè)中常用的鄰苯二甲酸二辛酯(DOP)。在工業(yè)應(yīng)用中，DOP分子可以增加聚合物分子之間的距離，增加聚合物的粘度，并降低聚合物的加工溫度。將DOP加入SBS改性生物瀝青中，制備了改性瀝青混合料，研究了其路用性能。

1 原材料與配合比設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用盤錦生產(chǎn)的4%SBS改性瀝青。生物質(zhì)重油來源于黑龍江省巴彥縣農(nóng)村，原料為秸稈與木屑，經(jīng)過物化處理后，常溫下呈黑褐色固體。DOP(鄰苯二甲酸二辛酯)來自于山東優(yōu)索化工科技。粗集料采用石灰?guī)r碎石，集料規(guī)格分別為10 mm～20 mm碎石、5 mm～10 mm碎石、3 mm～5 mm碎石。 細(xì)集料采用機(jī)制砂，規(guī)格為0 mm～2.36 mm。填料采用石灰?guī)r礦粉。對(duì)原材料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)必要項(xiàng)目試驗(yàn)檢測，具體檢測結(jié)果如表1～表4所示。

表1 SBS改性瀝青基本性能指標(biāo)

表2 集料性能指標(biāo)

表3 DOP性能指標(biāo)

表4 生物油基本性能指標(biāo)

1.2 改性劑摻量的確定

結(jié)合相關(guān)研究資料表明，DOP作為改性劑對(duì)不同瀝青基團(tuán)的轉(zhuǎn)化影響的規(guī)律,推薦DOP添加量為2.5%～3%。SBS改性劑在實(shí)際鋪筑瀝青混合料路面時(shí)摻量一般為3%～5%。因此選取DOP/SBS改性生物瀝青中SBS的摻量為生物瀝青質(zhì)量的4%，DOP的摻量為生物瀝青質(zhì)量的2%。

1.3 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中選用AC-16級(jí)配，在級(jí)配范圍內(nèi)取中值，級(jí)配的組成見表5。

表5 級(jí)配取值

運(yùn)用馬歇爾試驗(yàn)來確定40%改性生物瀝青混合料的最佳油石比，瀝青所占比重按0.5%的間隔分為4%,4.5%,5%,5.5%和6%。通過馬歇爾擊實(shí)儀制備馬歇爾試驗(yàn)試件，對(duì)各個(gè)油石比下的馬歇爾試件的各項(xiàng)物理指標(biāo)進(jìn)行測定，測定結(jié)果如表6所示。并按照規(guī)范計(jì)算出最佳用油量。

表6 不同油石比下各項(xiàng)物理指標(biāo)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，按照J(rèn)TG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的要求，最佳油石比的確定過程包括確定OAC1和OAC2。首先，求取相應(yīng)于密度最大值、穩(wěn)定度最大值、目標(biāo)空隙率(或中值)、瀝青飽和度范圍中值的油石比，取四者的平均值作為OAC1。如果在所選擇的油石比范圍未能涵蓋瀝青飽和度的要求范圍，取前三者的平均值作為OAC1。對(duì)于所選擇試驗(yàn)的油石比范圍，密度或穩(wěn)定度沒有出現(xiàn)峰值時(shí)，直接以目標(biāo)空隙率所對(duì)應(yīng)的油石比OAC1，但需驗(yàn)證其位于OACmin～OACmax范圍內(nèi)。其次，以各項(xiàng)指標(biāo)均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(不含VMA)的油石比范圍OACmin～OACmax的中值作為OAC2。最后，將OAC1和OAC2的中位數(shù)作為目標(biāo)值。這個(gè)目標(biāo)值即為最佳油石比OAC，并結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)目標(biāo)等級(jí)、交通與氣候條件，最終確定40%改性生物瀝青混合料的OAC=5.4%。按最佳油石比制備馬歇爾試件進(jìn)行試驗(yàn)，混合料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表7。

表7 最佳油石比下混合料技術(shù)指標(biāo)

2 路用性能試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高溫性能

高溫車轍試驗(yàn)中將制備好的板狀試件放入60 ℃的恒溫室中保溫5 h，試驗(yàn)輪與試件表面的接觸壓強(qiáng)0.7 MPa，試驗(yàn)時(shí)間1 h。試驗(yàn)結(jié)束后通過求得的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度值來評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 高溫穩(wěn)定性能結(jié)果

選取的參考值是改性瀝青混合料規(guī)范值。表8表明瀝青混合料的高溫性能滿足技術(shù)規(guī)范中炎熱的夏季區(qū)域2-2的規(guī)范要求。DOP的添加表明對(duì)改性生物瀝青的高溫性能有破壞作用，這與對(duì)改性生物復(fù)合瀝青的高溫性能的研究結(jié)果一致。沒有DOP摻量的改性生物瀝青混合料與 2.5% DOP摻量的改性生物瀝青混合料相比，其動(dòng)穩(wěn)定度降低了16.7%，表明DOP的添加顯著削弱了復(fù)合生物瀝青混合料的高溫性能。

2.2 低溫性能

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)來評(píng)價(jià)三種瀝青混合料的低溫抗裂性能，試驗(yàn)采用規(guī)格為長250 mm±2.0 mm，寬30 mm±2.0 mm，高35 mm±2.0 mm的小梁，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min，對(duì)小梁跨中部位施加集中荷載，直至試件破壞，計(jì)算試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變及彎曲勁度模量。試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 低溫穩(wěn)定性能結(jié)果

與不加DOP改性生物瀝青混合料相比，加DOP的改性生物瀝青混合料的極限拉應(yīng)變提高了17.1%，表明DOP的摻入提高了改性生物瀝青混合料的低溫抗裂性能，且影響顯著。沒有加入DOP的改性生物瀝青混合料的低溫性能依然能滿足混合料的施工要求。

2.3 水穩(wěn)定性能

用于評(píng)估瀝青混合料水穩(wěn)定性的測試方法包括浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)。浸水馬歇爾試驗(yàn)通過浸入水中的混合料的力學(xué)性能的削弱程度來評(píng)估瀝青混合物的水穩(wěn)定性。凍融劈裂試驗(yàn)首先將混合料進(jìn)行冷凍再融凍，然后進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，并使用分裂強(qiáng)度比評(píng)估混合料的水穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 水穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)浸水馬歇爾試驗(yàn)，摻有DOP的改性生物瀝青混合物和不含DOP的改性生物瀝青混合物的殘余穩(wěn)定度均符合《施工技術(shù)規(guī)范》的要求。與不加DOP的改性生物瀝青混合料相比，含2.5%DOP的改性生物瀝青混合料的殘余穩(wěn)定度提高了7.8%，表明添加DOP顯著改善了生物瀝青混合料的水穩(wěn)性能。根據(jù)凍融劈裂試驗(yàn)，不含DOP的改性生物瀝青混合料的凍融強(qiáng)度比低于DOP改性生物瀝青混合料的凍融強(qiáng)度比，但降低幅度較小。在凍融循環(huán)條件下凍融劈裂強(qiáng)度比均大于標(biāo)準(zhǔn)值，與0%DOP改性的生物瀝青混合料相比，2.5%DOP改性的生物瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比提高了3.1%，說明DOP的添加有利于改善生物瀝青混合料水穩(wěn)定性能。

3 結(jié)論

1)改性生物瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性隨DOP的加入降低，但性能指標(biāo)仍滿足規(guī)范要求。2)加入DOP能顯著提高改性生物瀝青混合料的低溫抗裂性和水穩(wěn)定性能。