周俊杰 員 蘭

（新疆農業(yè)大學交通與物流工程學院，新疆 烏魯木齊 830052；新疆維吾爾自治區(qū)公路工程造價管理局，新疆 烏魯木齊 830099）

1 研究背景及研究意義

可持續(xù)性發(fā)展已成為許多學者關注的全球性問題中最重要的部分，瀝青作為路面結構的主要材料，是一種自然資源，其儲量隨著時間的流逝而枯竭，此外，在柔性路面施工過程中，瀝青在高溫下燃燒會產生對環(huán)境有害的氣體。這些問題導致研究人員尋找替代膠結料，該膠結料需滿足可以完全或部分替代一定比例的瀝青而不影響其物理和流變性能的要求。因此，許多學者為尋找可替代的膠結料進行了不同的研究。Aziz 對不同的材料進行了研究，得出的結論是：從生物油中獲得的材料，例如廢食用油，聚合物，塑料和橡膠，可以用于柔性路面替代瀝青的膠結料。已有的研究表明，將廢食用油添加到瀝青中可改善其流變特性，例如抗疲勞性和抗低溫開裂性。F.J.Navarro 的研究表明，在瀝青中添加橡膠可明顯改善其抗車轍、抗疲勞以及抗低溫開裂性能。

本文的研究目的是將廢食用油、廢舊輪胎橡膠和甘蔗渣灰等應用于瀝青行業(yè)，通過使用廢棄材料來替代瀝青，以盡量減少對自然資源的使用，從而最大程度地減少自然環(huán)境惡化并促進我國經濟發(fā)展。采用廢食用油、廢舊輪胎橡膠和甘蔗渣灰替代傳統(tǒng)瀝青，確定替代瀝青的最佳比例，從而達到經濟可行且環(huán)境友好的目的。

2 研究方法

2.1 材料選擇

在本文研究中，瀝青結合料選用克拉瑪依70#基質瀝青。采用的廢食用油（廢食用油）來自不同的餐廳，由于收集的廢食用油中含有不同雜質和懸浮顆粒，可通過離心設備將其沉降下來，然后通過濾紙將廢食用油中所有懸浮顆粒予以過濾。當瀝青中摻入廢食用油后，改性瀝青的pH 值呈現(xiàn)酸性時其表現(xiàn)出更好的物理和流變特性。因此，對不同餐廳收集的廢食用油進行過濾并分別測試pH 值，選擇pH 值最小的廢食用油進行后續(xù)試驗。

廢輪胎膠粉由不同形狀、大小的廢舊輪胎橡膠顆粒破碎磨細獲得。由于膠粉與瀝青之間僅發(fā)生物理反應，因此，為了使兩者充分反應，選用表面積較大的膠粉顆粒。隨著膠粉顆粒尺寸的減小，其表面積逐漸增大?；诖?，將廢膠粉通過不同的篩子，并選擇通過＃200 篩的顆粒進行進一步的實驗。

甘蔗渣灰從甘蔗工業(yè)獲得，是由甘蔗廢渣在高溫下燃燒，將焚燒物在球磨機中繼續(xù)磨碎至粉末，然后進一步通過不同的篩網，以獲得更小的顆粒從而使得甘蔗渣灰與瀝青反應更為充分。采用通過＃200 篩的甘蔗渣灰進行進一步實驗，即 甘蔗渣灰的平均大小為0.0075μm。同時，采用XRD 對甘蔗渣灰進行化學分析，結果表明，它含有大量的二氧化硅，因此其具有礦物性質。由于甘蔗渣灰的火山灰特性，它將改善瀝青的物理和流變性能。

2.2 試件制備

為了確定廢食用油，廢膠粉和甘蔗渣灰的最佳配合比來替代瀝青膠結料，在不影響物理性能的前提下進行了不同試驗。在制備不同比例的膠結料時，采用高速剪切機，將不同比例的廢膠粉摻入到基質瀝青中，升溫至150℃，并以900 轉/分鐘的速度繼續(xù)剪切約30 分鐘，隨后，降溫至135℃，加入廢食用油和甘蔗渣灰，以避免廢食用油在高溫下蒸發(fā)。

3 試驗方法

通過改變廢食用油、廢膠粉和甘蔗渣灰的比例制得不同改性瀝青，并通過試驗對基質瀝青與不同改性瀝青的低溫開裂性能、抗開裂性能和抗疲勞性能進行評價，最終確定廢食用油、廢膠粉和甘蔗渣灰的最佳配合比。

3.1 物理性能試驗

物理性能試驗包括針入度試驗和軟化點試驗，通過試驗確定用于替代一定比例瀝青膠結料的廢食用油、廢膠粉和甘蔗渣灰的最佳配合比。

采用針入度試驗用于評價瀝青材料的硬度，確定瀝青等級，從而進一步確定瀝青在不同氣候條件下的適用性。本研究根據(jù)規(guī)范要求共制備了75 個試樣，且每個試樣均為100g。試樣經25℃恒溫靜置處理，取出后置于針入度儀中，標準針落下灌入試樣5s，測得的數(shù)值單位精確至0.1mm。

采用軟化點試驗對瀝青結合料的溫度敏感性進行評價。這些環(huán)固定在一個金屬支架的圓孔中，該支架放置在水溫保持在5℃的燒杯中，并以每分鐘升溫5℃的速度對其加熱，記錄試樣軟化下墜至接觸底部的平均溫度。

3.2 旋轉黏度試驗

采用旋轉黏度試驗對不同類型的瀝青結合料進行評價。將瀝青試樣倒入盛揚容器中，然后放入適宜的轉子。每組瀝青試樣的試驗溫度為135℃和160℃，試驗時間為30min。

3.3 改性瀝青

在不影響瀝青性能的情況下，瀝青試樣的物理性能和旋轉黏度試驗結果作為選擇廢食用油，廢膠粉和甘蔗渣灰最佳配比的依據(jù)，將此最佳配比的改性劑加入到基質瀝青中制備改性瀝青。同時，為了研究改性劑對基質瀝青的改性效果，對基質瀝青和改性瀝青的抗車轍性能、抗疲勞性能以及抗低溫開裂性能進行評價。

4 性能評價試驗

4.1 動態(tài)剪切流變儀法（DSR）

采用DSR 試驗對不同瀝青結合料的粘彈性進行評價。此試驗得到瀝青材料的復數(shù)剪切模量及其相位角，不僅可以評價瀝青的性能分級等級，還能評價其抗車轍和抗疲勞性能。將未老化和老化后的瀝青試樣分別置于直徑為8mm 或25mm 的金屬試驗板上，對試件施加正弦振蕩荷載，振蕩頻率范圍在0 Hz 至100 Hz 之間。

4.2 旋轉薄膜烘箱老化試驗（RTFO）

本文采用RTFO 試驗對瀝青結合料進行短期老化，評價基質瀝青與改性瀝青的短期老化性能。將不同的瀝青試樣放在玻璃瓶中，并置于旋轉薄膜烘箱中，在163℃環(huán)境下老化80min。

4.3 壓力老化試驗(PAV)

PAV 試驗可通過對瀝青加熱和加壓20h，來模擬瀝青在道路上服役過程中的長期老化（即7-10 年）。將經過RTFO 短期老化的瀝青殘留物放入盛樣盤中，然后置于PAV 設備中，在其中施加高溫和高壓。將經過短期老化和長期老化的瀝青進行DSR 試驗，并分別評價基質瀝青和改性瀝青老化后的抗車轍和抗疲勞性能。

4.4 彎曲梁流變儀法 (BBR)

采用BBR 試驗對瀝青的抗低溫開裂性能進行評價。將PAV 老化的瀝青試樣倒入BBR 模具中，成型后脫模放入恒溫水槽中保溫，而后置于BBR 支架上進行加載，記錄試驗數(shù)據(jù)。

5 結果與討論

5.1 物理性能試驗結果

為了確定可用替代瀝青的廢食用油、廢膠粉和甘蔗渣灰的最佳用量，對不同改性瀝青進行了物理性能試驗，試件重量為200g。

在第一組試驗中，如表1 所示，采用不同百分比的廢食用油（0%，5%，10%，15%，20%）代替瀝青。根據(jù)試驗結果可知，廢食用油占比升高，混合瀝青的軟化點隨之降低，且其針入度值隨之增大。這是由于瀝青和廢食用油都是碳氫化合物，并且它們的結合能在混合后降低。

表1 廢用物油替代瀝青的物理性能試驗結果

在第二組試驗中，廢食用油的用量采用5%，并加入不同百分比的廢膠粉。試驗結果如表2 所示，隨著廢膠粉用量的增加，針入度值逐漸減小，且軟化點呈上升趨勢。這是由于廢膠粉較難溶于瀝青，且兩者之間僅發(fā)生物理反應。從前兩組的試驗結果可以得到，當廢食用油用量為5%，混合瀝青的針入度值較低且軟化點較高，因此，用于替代瀝青的廢食用油的最佳值為5%。

表2 廢用物油+廢膠粉替代瀝青的物理性能試驗結果

在第三組試驗中，采用不同百分比的甘蔗渣灰對第二組瀝青方案進行改性。根據(jù)甘蔗渣灰的化學性質與火山灰材料相似可以表明，它同樣可以提高瀝青試樣的硬度。第三組試驗是在第二組試驗中廢食用油和廢膠粉的基礎上，加入不同比例的甘蔗渣灰改性劑，廢食用油與廢膠粉作為替代瀝青的成分，試驗結果如表3 所示。根據(jù)表3 可知，由于甘蔗渣灰的火山灰特性，改性瀝青的針入度值與甘蔗渣灰的用量呈反比，即甘蔗渣灰用量越大，改性瀝青的針入度越小。

表3 甘蔗渣灰改性劑和廢用物油+廢膠粉替代瀝青的物理性能試驗結果

第三組試驗的結果表明，在所有試樣中，材料用量為5%廢食用油、15%廢膠粉和8%甘蔗渣灰顯示出較好的物理性能，即最佳配合比。同時應該注意，替代瀝青的成分為廢食用油和廢膠粉，而甘蔗渣灰僅起到改性作用。

5.2 流變性能試驗結果

5.2.1 旋轉黏度試驗結果

基于5.1 中第三組的試驗方案，對其進行旋轉黏度試驗，試驗結果如表4 所示。根據(jù)表4 可以看出，廢膠粉和甘蔗渣灰的增加對改性瀝青的黏度有升高的效果。

表4 第三組試驗的旋轉黏度試驗結果

5.2.2 DSR 試驗結果

⑴ 抗車轍性能

采用DSR 試驗對未老化和短期老化的不同瀝青進行抗車轍性能的評價。未老化瀝青與短期老化瀝青的抗車轍標準在最高溫度下分別為1.0kPa 和G*/sinδ>2.2 kPa。不同溫度下基質瀝青和改性瀝青的復數(shù)模量結果如圖1 和圖2 所示，未老化的原始和改性瀝青在64℃下均達到了抗車轍標準。而對于短期老化后的瀝青，基質瀝青在70℃時失效，而改性瀝青在76°C 時失效，表明經過RTFO 短期老化后的改性瀝青顯示出更好的抗車轍性能，這是由于改性瀝青中高含量的橡膠和蔗渣灰分改善了瀝青性能。

圖1 70#基質瀝青與70#5W15TR8B 改性瀝青的復數(shù)模量

圖2 RTFO 老化后70#基質瀝青與70#5W15TR8B 改性瀝青的復數(shù)模量

⑵ 抗疲勞性能

在任何特定溫度下，評價耐疲勞性的標準是G*sinδ不得超過5000 kPa。G *sinδ在不同溫度下的結果如圖3 所示，改性瀝青在10℃的溫度下仍能抵抗疲勞開裂，說明改性瀝青中的廢食用油和廢膠粉有助于提高其抗疲勞性能。

圖3 PAV 老化后70#基質瀝青與70#5W15TR8B 改性瀝青的G*sinδ

5.2.3 低溫開裂性能

將PAV 老化的基質和改性瀝青試件分別進行BBR 試驗，并在不同溫度下的進行試驗，即-6℃，-12℃，-18℃，-22℃，以確定試件的低溫開裂溫度，并將結果進行對比。結合圖4 和圖5 可知，改性瀝青的抗低溫開裂能力優(yōu)于基質瀝青。本文可以明顯看出，廢食用油和廢膠粉都有提高耐低溫開裂性能的作用。

圖4 70#基質瀝青與70#5W15TR8B 改性瀝青的蠕變勁度

圖5 70#基質瀝青與70#5W15TR8B 改性瀝青的蠕變速率

5.2.4 老化作用的影響

瀝青路面在服役過程中會發(fā)生老化現(xiàn)象，從而導致路面的耐久性和強度都有所減低。瀝青的過度老化會導致結合料與骨料之間的粘合力下降，從而導致表層材料損失并減弱瀝青混合料的強度。因此，為保證路面的使用壽命，需對瀝青結合料的老化進行評價。采用殘留針入度比對瀝青的老化程度進行評價，即將瀝青材料短期老化后的針入度值與未老化的針入度值進行比較，結果如表5 所示。

表5 70#和70#5W15TR8B 殘留針入度比對比結果

從表中結果可以看出，改性瀝青在老化后仍顯示出較高的殘留針入度比，即表明短期老化后的改性瀝青硬化的趨勢較小。因此，可以得出，相較于基質瀝青，改性瀝青的抗老化性能較高，從而延長了其老化時間。

6 結論

本文是通過瀝青廢棄材料代替一定比例的瀝青來減少柔性路面的建造和維護過程的基質瀝青的比例。本研究不僅可以降低自然資源的過度使用，還能減小處理廢棄材料對環(huán)境產生的不良影響。本文結論如下：

（1）以甘蔗渣灰為改性劑，廢食用油和廢膠粉作為替代瀝青的組成，針對不同替代比例的瀝青進行了一系列物理性能試驗，包括針入度試驗和軟化點試驗，以獲得最佳配合比。

（2）在保證瀝青性能的前期下，廢棄材料可替代瀝青的最佳配合比為5%的廢食用油，15%的廢膠粉，以及用作改性劑的8%的甘蔗渣灰。

（3）廢棄材料（廢食用油、廢膠粉和甘蔗渣灰）可替代瀝青的最大比例為20%，同時不影響瀝青的性能。

（4）基質瀝青中摻入廢食用油、廢膠粉和甘蔗渣灰可提高瀝青結合料的流變性能。

（5）根據(jù)DSR 試驗結果，改性瀝青的復數(shù)模量（G*）相較于基質瀝青有明顯提高，因此，改性瀝青的抗車轍性能更好。

（6）根據(jù)BBR 試驗結果可知，與基質瀝青相比，改性瀝青的剛度較小且蠕變率較大，因此，改性瀝青表現(xiàn)出更好的抗低溫開裂性能。

（7）與基質瀝青相比，改性瀝青的抗車轍能力更為優(yōu)越。

（8）通過對改性瀝青的化學分析表明，瀝青與廢膠粉和甘蔗渣灰之間發(fā)生物理反應，而與廢食用油發(fā)生化學反應。