改性生物沥青混合料路用性能试验研究

宋昭睿

（山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250014）

0 引言

目前，我国经济社会发展已进入新常态，资源节约与可持续发展引起了广泛关注。 伴随着日趋减少的石油资源， 以石油为原料的道路沥青面临着严峻的材料制约和成本压力。因此，探寻可替代资源已成为当今世界的重要课题之一。

生物质资源是次于煤炭、 石油及天然气的第四大资源，它具有低成本、可再生、分布广泛及环境友好等特点［1］。 利用生物质资源替代道路沥青材料，可达到降低生产成本和减缓石油资源消耗的双重功效。近年来，国内学者已开始了生物质资源应用于道路沥青材料的研究，即将生物质热解油中的沥青组分（重质油）经过分离及深加工后，制成新型沥青材料，并将其定义为生物沥青［2－3］。 凃成与何敏等已分别对生物沥青共混石油沥青的热储存稳定性以及改性生物沥青的常规性能进行了研究［4－5］。 研究表明，生物沥青的常规性能存在以下缺陷：（1）高温下易老化，且老化速度随着时间延长而加快；（2）低温下易硬脆，延度指标较小；（3）成分复杂，稳定性较差，不适合长期放置［6－9］。为改善生物沥青的常规性能，将改性沥青与生物沥青按质量比3∶7 进行混掺，制得改性生物沥青，进而制成改性生物沥青混合料， 并对其进行水稳定性能、高温稳定性能及低温抗裂性能试验，综合分析不同改性沥青对生物沥青混合料路用性能的影响，以期为改性生物沥青在道路工程中的应用推广提供理论支撑。

1 试验材料

1.1 原材料

试验采用的石油沥青为秦皇岛70＃基质沥青，粗集料岩石类型为玄武岩， 细集料岩石类型为石灰岩，矿粉由石灰岩加工磨制而成，级配采用AC－13。70＃基质沥青技术指标如表1 所示，粗集料、细集料和矿粉的各项指标检测结果如表2～表4 所示，级配设计如表5 所示。

表1 基质沥青技术指标Tab.1 Technical specifications of matrix asphalt

表2 粗集料各项指标检测结果Tab.2 Test results of various indexes of coarse aggregate

表4 矿粉各项指标检测结果Tab.4 Test results of various indexes of mineral powder

表5 AC-13 级配设计Tab.5 AC-13 grading design

1.2 确定最佳沥青用量

采用马歇尔试验确定最佳沥青用量。 根据规范要求和实践经验，估计适宜的油石比，以估计的油石比为中值，按0.5%油石比为间隔，取5 个不同的油石比，分别制备混合料马歇尔试件［10－11］。确定SBS 改性生物沥青混合料最佳油石比为6.0%，SBR 改性生物沥青混合料最佳油石比为6.5%，基质沥青混合料最佳油石比为4.8%，生物沥青混合料最佳油石比为7.0%。

2 改性生物沥青性能研究

对改性生物沥青进行常规性能检测， 同时探究改性生物沥青布氏黏度随时间变化的情况。

2.1 常规性能检测

改性生物沥青常规性能检测的主要试验包括：针入度试验、延度试验、软化点试验及粘附性等级试验，其结果如表6 所示。

表6 改性生物沥青技术指标Tab.6 Technical index of modified biological asphalt

表3 细集料各项指标检测结果Tab.3 Test results of various indexes of fine aggregate

由表6 可知： 改性沥青与生物沥青按质量比例3∶7 掺混后，改性生物沥青的针入度值、延度值以及黏附性等级均有明显提高。这表明，改性沥青的添加有助于改善生物沥青低温下硬脆的缺陷， 增强沥青与矿料之间的黏结强度，降低生物沥青软化点，促使其针入度增加，影响生物沥青的高温性能。

2.2 布氏黏度

3 种沥青的布氏黏度测试结果如表7 所示。 由表7 可知，随着温度的升高，3 种沥青的布氏黏度变化均是先减后增，且存在一个极小值点，但改性生物沥青的变化幅度较小。 生物沥青的极小值点在140 ℃附近，原因是在此温度下，生物沥青内部出现结焦反应，原有结构体系发生破坏，体系内部小分子量有机物质聚合成大分子量有机物质，导致新生成的结构体系变硬，黏度增加。 特别在150 ℃～160 ℃范围内，反应更加剧烈，黏度增幅加大。 改性生物沥青的极小值点在150 ℃附近，说明与改性沥青掺混，可以减缓生物沥青高温下的老化速度，使结焦程度有所缓解。

表7 布氏黏度测试结果Tab.7 Test results of Brookfield viscosity

3 改性生物沥青混合料路用性能研究

3.1 水稳定性能研究

沥青路面水损坏是指沥青路面在水或冻融循环的作用下，由于汽车荷载的作用，进入路面空隙中的水受真空负压抽吸的反复循环作用， 逐渐渗入沥青与集料界面， 使沥青黏附性等级降低并逐渐丧失黏结力， 沥青膜从集料表面剥离， 沥青混合料掉粒松散，继而形成坑槽、推挤变形等现象［12－13］。

本文采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂强度试验2 种方法分别对改性生物沥青混合料、 生物沥青混合料及基质沥青混合料进行水稳定性能试验， 试验结果如表8 所示。

表8 水稳定性能测试结果Tab.8 Test results of water stability

由表8 可知： 不同种类沥青对水稳定性能的影响不同。改性生物沥青黏附性等级为5 级。生物沥青中加入改性沥青，增强了沥青与集料间的黏结作用，增加了沥青膜厚度， 避免了路面残留水分对沥青与集料界面的冲刷。 SBS、SBR 改性生物沥青混合料的残留稳定度为82.3%和82.5%，满足技术规范要求。所以，与生物沥青混合料相比，改性生物沥青混合料具有优越的抗水损性能。 从冻融劈裂试验测试结果看，生物沥青混合料的冻融劈裂强度比只有1.0%，而改性生物沥青混合料的冻融劈裂强度在50%以上；经历冻融循环后，改性生物沥青混合料的马歇尔试件未出现碎裂和发胀现象，虽然其TSR＜75%，仍未达到技术规范要求，但已有较大提升。 这表明，改性沥青与生物沥青共混有利于提升混合料的水稳定性能。

3.2 高温稳定性能研究

选用最佳油石比对4 种不同沥青混合料进行高温车辙试验，试验结果如表9 所示。

表9 车辙试验测试结果Tab.9 Results of wheel tracking test

由表9 可知：与生物沥青混合料相比，改性生物沥青混合料动稳定度值较小，特别是SBR 改性生物沥青混合料。 由于改性沥青与生物沥青共混后，使得沥青在高温时黏度降低，改善了原生物沥青混合料在常温下硬脆的特性，但会产生一定的塑性变形，增加产生车辙的可能性。 SBR 改性生物沥青的软化点偏低，只有44.3℃，而SBS 改性生物沥青的软化点为54.6℃。车辙试验温度要求60℃，此时试验温度超过改性生物沥青的软化点，必会影响混合料的高温稳定性，导致其动稳定度值下降。试验时间为45～60min 时，改性生物沥青混合料变形量较大，车辙现象明显，为生物沥青混合料变形量的3.1～4.7 倍， 这会导致混合料的动稳定度值过低，但提高了低温抗裂性。 因此，需要适当调整改性生物沥青的配比和沥青种类，保证混合料既有较高的高温稳定性，又有较好的低温抗裂性能。

3.3 低温抗裂性能研究

沥青路面在低温下易开裂， 冬季气温急剧变化产生的温度应力不断叠加后，产生累积效应，当达到容许极限时，就会在路面结构的薄弱部位开裂，使积累的能量得到释放［13-14］。为防止沥青路面出现裂缝，应保证沥青混合料有较高的低温强度及变形能力。经对4 种不同沥青混合料进行低温性能测试， 测试结果如表10 所示。

表10 低温弯曲试验测试结果Tab.10 Results of low temperature bending test

由表10 可知：（1）SBS、SBR 改性生物沥青混合料的抗弯拉强度分别比生物沥青混合料提高了33.5%和75.1%，但与基质沥青混合料相差不大。这说明改性生物沥青混合料在低温环境下具有较大的抗弯拉强度。 其原因是，改性沥青与生物沥青共混后，其内部的化学结构发生改变， 改善了生物沥青的硬脆特性，其低温抗裂性能也有所提升。 （2）SBS、SBR 改性生物沥青混合料的极限弯拉应变均达到技术规范要求，分别比生物沥青混合料提高了85.9%和91.5%。这表明改性生物沥青混合料在低温环境下可容许更大的拉应变量，可向路面层提供更大的变形，防止面层底部裂缝的发生， 但是其极限弯拉应变只是勉强达到要求，与基质沥青混合料相比仍有差距。 （3）观察测试后的小梁试件图， 改性生物沥青混合料小梁试件仍保持完整状态。这说明裂缝只在内部产生，未发展至试件表面。 而生物沥青混合料试件表现出脆性破坏，裂缝贯穿了整个试件，原因是改性生物沥青低温塑性和感温性能较好，对温度变化不敏感，故混合料可适应低温环境。（4）低温下试件的刚度与沥青混合料弯曲劲度模量成正比，刚度越小，低温抗裂性能就越好。虽然改性生物沥青、生物沥青混合料的低温试验测试结果符合此规律， 但两种改性生物沥青混合料低温试验测试结果表明，SBS 改性生物沥青混合料的极限弯拉应变略低于SBR 改性生物沥青混合料，其劲度模量却明显小于SBR 改性生物沥青混合料。 如果利用弯曲劲度模量的普遍规律来评价改性生物混合料的低温抗裂性能，会得出SBS 改性生物沥青混合料的低温抗裂性能更优的错误结论，说明只采用弯曲劲度模量来评价改性生物沥青混合料的低温性能并不合理，存在一定的局限性。

4 结语

实验证明， 改性沥青的添加能够有效预防水对沥青与集料界面的侵蚀，提高混合料冻融劈裂强度。但改性生物沥青混合料的动稳定度要比生物沥青混合料低很多，且改性生物沥青的软化点低，针入度值大，导致混合料在高温下黏度降低，影响高温性能。因此，要提高混合料的高温性能，可适当增加改性生物沥青高温下的黏度。生物沥青与改性沥青共混后，有助于改善生物沥青混合料的低温性能， 具有良好的低温抗裂性。

总而言之，与生物沥青混合料相比，改性生物沥青混合料具有良好的高温稳定性能和低温抗裂性能，其中低温抗裂性尤为突出，但其水稳定性能指标中的劈裂强度比还有待提高。