生物瀝青調(diào)和瀝青結合料與混合料性能指標的相關性分析

周 杰曾夢瀾

(1.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082； 2.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082)

0 引言

瀝青路面因具有優(yōu)越的路用性能而在全世界范圍內(nèi)得到廣泛的應用。其中，通過原油蒸餾得到的石油瀝青是應用于瀝青路面中的主要結合料，但是石油瀝青具有不可再生性，且原油的加工過程會造成嚴重的環(huán)境污染。所以，探尋替代石油瀝青結合料的可再生鋪筑材料在當今的道路工程領域具有重大意義[1-2]。

在目前的環(huán)境背景下，由生物質能源制備而成的生物瀝青結合料應運而生，其具有可再生性，被認為是一種環(huán)境友好型的道路材料。與傳統(tǒng)石油瀝青相比，生物瀝青還具有分布廣泛、取材方便、價格便宜等諸多優(yōu)勢。若以生物瀝青作為石油瀝青的可持續(xù)替代品應用于道路工程領域，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益、社會效益以及生態(tài)效益[3-4]。

瀝青混合料屬于一種復合型的黏彈性材料，由粗細集料、礦粉、瀝青結合料和外加劑組成。其中，瀝青結合料作為礦質集料的膠結材料，也是混合料黏彈性質的根源所在，所以其對混合料的各項性能起到了至關重要的作用[5]。然而，與瀝青混合料的性能試驗相比，結合料的相關試驗更加準確、簡便，且受其他外界因素的影響較小。因此，通過結合料性能指標的試驗結果對相應的混合料性能指標進行合理的預估，不僅可以節(jié)省一定的人力和物質成本，還可以根據(jù)對瀝青混合料路用性能的不同要求來選擇相應的瀝青結合料。

國內(nèi)外研究者對瀝青結合料與混合料性能指標之間的相關性進行了廣泛的研究。其中，Sabouri等[6]進行了瀝青結合料的線形振幅掃描(LAS)試驗、動態(tài)剪切流變(DSR)試驗以及混合料的四點彎曲疲勞試驗，研究結果表明，與傳統(tǒng)的SHRP結合料疲勞指標(即疲勞因子)相比，在試驗中的所有應變水平下，LAS試驗結果與混合料的疲勞特性具有更好的相關性。Zeng等[7]采用建模技術建立了瀝青結合料與混合料流變性能之間的關系，研究結果表明，瀝青結合料與混合料復數(shù)模量之間的關系可以通過廣義冪函數(shù)進行數(shù)學建模，而二者相位角之間的關系則可通過一個改進的半正弦函數(shù)來建模。Blazejowski等[8]通過多級應力蠕變恢復(MSCR)試驗與車轍試驗，分析了瀝青結合料的不可恢復蠕變?nèi)崃俊⒉豢苫謴腿渥內(nèi)崃肯鄬Σ町惻c其混合料的抗車轍性能之間的相關性，分析結果表明，對于AC 16W型和AC WMS 16型混合料，相關性較明顯，特別是AC 16W型混合料；對于SMA 11型混合料，相關性則不明顯。劉黎萍等[9]研究了常用的瀝青結合料高溫性能指標與混合料高溫單軸貫入強度之間的相關性，試驗結果表明，不可恢復蠕變?nèi)崃康南嚓P性最好，軟化點、零剪切黏度、黏性蠕變勁度等指標的相關性較差，并且還發(fā)現(xiàn)改進車轍因子比車轍因子的相關性高。詹小麗等[10]對瀝青結合料低溫性能指標與混合料彎曲應變能進行了灰色關聯(lián)分析，分析結果表明，臨界開裂溫度與混合料彎曲應變的相關性最好，PG低溫分級、損失模量等流變指標的相關性次之，低溫針入度、延度等物理指標的相關性最差。宋小金等[11]研究了3種瀝青材料(瀝青、瀝青膠漿和瀝青混合料)之間動力性質的相關性，試驗結果表明，3種瀝青材料的模量之間存在冪函數(shù)關系；對于相位角來說，瀝青與瀝青膠漿、瀝青與瀝青混合料之間均存在正弦函數(shù)關系，瀝青膠漿與瀝青混合料之間則存在平方關系，且這些關系并不依賴于試驗的頻率(或加載時間)和溫度。

本研究以生物瀝青調(diào)和瀝青為研究對象，通過室內(nèi)試驗對其結合料與混合料的主要性能指標進行了測試，并且對相關指標之間的相關性進行了分析，為建立瀝青結合料與混合料性能指標之間的普適性關系提供參考依據(jù)，并為生物瀝青調(diào)和瀝青技術的進一步理論研究以及未來在道路工程領域的廣泛應用奠定基礎。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

1.1.1基質瀝青

采用50#道路石油瀝青作為基質瀝青，其基本性質如表1所示。其中，各試驗項目的測試結果均滿足相應規(guī)范(JTG F40—2004)[12]的要求。

1.1.2生物瀝青

本研究采用蓖麻油生物瀝青，其屬于植物類生物瀝青，為蓖麻子提煉蓖麻油過程中產(chǎn)生的廢料經(jīng)過一系列處理工藝后所得到，在常溫條件下具有與普通石油瀝青相似的外觀特征，只是顏色較淡。其基本性質如表2所示。

1.1.3礦質集料

粗集料、細集料以及礦粉均采用石灰?guī)r，其基本性質如表3～表5所示。其中，各試驗項目的測試結果同樣滿足相應規(guī)范(JTG F40—2004)[12]的要求。

表1 基質瀝青的基本性質Table1 Basicpropertiesofbaseasphalt試驗項目針入度(25℃)/0.1mm軟化點/℃延度(15℃)/cm閃點/℃溶解度/%RTFOT后質量變化/%殘留針入度比(25℃)/%殘留延度(15℃)/cm測試結果43.752.8>10027099.60.0263.613.5規(guī)范要求40～60≥49≥80≥260≥99.5≤±0.8≤±0.8≥10

表2 生物瀝青的基本性質Table2 Basicpropertiesofbioasphalt試驗項目密度/(g·m-3)閃點/℃溶解度/%RTFOT后質量變化/%測試結果0.99024087.49-3.6

表3 粗集料的基本性質Table3 Basicpropertiesofcoarseaggregates試驗項目表觀相對密度吸水率/%壓碎值/%磨耗損失(洛杉磯法)/%堅固性/%軟石含量/%針片狀顆粒含量/%粒徑大于9.5mm粒徑小于9.5mm測試結果2.7080.4521.320.13.11.18.412.7規(guī)范要求≥2.50≤3.0≤28≤30≤12≤5≤15≤20

表4 細集料的基本性質Table4 Basicpropertiesoffineaggregates試驗項目表觀相對密度吸水率/%砂當量/%堅固性(>0.3mm部分)/%測試結果2.6830.9178.34.6規(guī)范要求≥2.50實測≥60≤12

表5 礦粉的基本性質Table5 Basicpropertiesofmineralpowder試驗項目表觀密度/(t·m-3)含水量/%親水系數(shù)塑性指數(shù)/%測試結果2.7200.20.762.3規(guī)范要求≥2.50≤1<1<4

1.2 調(diào)和瀝青的制備

首先將基質瀝青與生物瀝青在105 ℃的環(huán)境下加熱1 h，然后根據(jù)選定的比例將二者在高溫下共混，為確?；|瀝青與生物瀝青能夠均勻混合，將其在電動攪拌機中以1 500 r/min的轉速攪拌20 min。本研究共制備了5種不同摻量的生物瀝青調(diào)和瀝青，即0%、5%、10%、15%、20%(生物瀝青與瀝青總量之比)。其中，作為對比的0%摻量生物瀝青調(diào)和瀝青(即基質瀝青)也采用相同的加工工藝。

1.3 混合料的制備

采用級配相同的集料分別與5種不同摻量的生物瀝青調(diào)和瀝青制備出瀝青混合料，級配類型為AC-20C，其級配曲線如圖1所示。對于每種摻量的調(diào)和瀝青，采用布洛克菲爾德黏度計(Brookfield)旋轉法分別測定其在6個不同溫度(105、120、135、150、165、180 ℃)下的表觀黏度，并繪制相應的黏溫曲線，根據(jù)等黏度原則確定瀝青混合料制備時的拌合與壓實溫度范圍。對5種不同生物瀝青摻量(0%、5%、10%、15%、20%)的瀝青混合料進行馬歇爾設計，通過對標準馬歇爾試件性能參數(shù)的測定，確定了每個摻量下的最佳瀝青用量，即4.5%、4.6%、4.7%、4.9%、5.0%。

圖1 AC-20C級配曲線Figure 1 Grading curve of AC-20C

1.4 試驗方法

在本研究中，所有性能指標的室內(nèi)試驗均根據(jù)交通運輸部JTG E20-2011規(guī)范[13]中相應的試驗方法開展。其中，根據(jù)T0604—2011試驗方法開展針入度試驗；根據(jù)T0606—2011試驗方法開展軟化點試驗；根據(jù)T0625—2011試驗方法開展旋轉黏度試驗；根據(jù)T0605—2011試驗方法開展延度試驗；根據(jù)T0628—2011試驗方法開展流變性質試驗；根據(jù)T0627—2011試驗方法開展彎曲蠕變勁度試驗；根據(jù)T0709—2011試驗方法開展馬歇爾穩(wěn)定度試驗；根據(jù)T0719—2011試驗方法開展車轍試驗；根據(jù)T0715—2011試驗方法開展彎曲試驗；根據(jù)T0716—2011試驗方法開展劈裂試驗；根據(jù)T0713—2000試驗方法開展單軸壓縮試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 高溫性能指標相關性分析

本研究所采用的高溫性能指標為瀝青結合料的軟化點、當量軟化點T800、PG連續(xù)分級高溫UT、60 ℃黏度以及瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度?；谏餅r青調(diào)和瀝青結合料與混合料高溫性能指標的實驗室測試結果，下面進行相關性分析。

圖2展示了瀝青結合料的軟化點與其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度之間的相關性。從圖2中可以看出，隨著瀝青結合料的軟化點的升高，其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度均逐漸增大，并呈現(xiàn)出線性相關，相關系數(shù)R2分別為0.9499和0.9346，說明生物瀝青調(diào)和瀝青結合料的軟化點與其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度之間具有良好的線性相關性。

圖2 軟化點與馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度的相關性Figure 2 Correlation between softening point and Marshall stability，dynamic stability

圖3展示了瀝青結合料的當量軟化點T800與其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度之間的相關性。從圖3中可以看出，隨著瀝青結合料的當量軟化點T800的升高，其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度也逐漸增大，同樣呈現(xiàn)出線性相關，相關系數(shù)R2分別為0.8952和0.9683。與圖2中軟化點的相應擬合結果相比，當量軟化點T800與馬歇爾穩(wěn)定度之間的相關系數(shù)R2較小，而與動穩(wěn)定度之間的相關系數(shù)R2較大，說明就生物瀝青調(diào)和瀝青而言，軟化點與馬歇爾穩(wěn)定度的線性相關性更好，而當量軟化點T800與動穩(wěn)定度的線性相關性更好。

圖3 當量軟化點T800與馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度的相關性Figure 3 Correlation between T800 and Marshall stability，dynamic stability

圖4展示了瀝青結合料的PG連續(xù)分級高溫UT與其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度之間的相關性。從圖4中可以看出，隨著瀝青結合料的PG連續(xù)分級高溫UT的升高，其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度逐漸增大，兩組線形關系的相關系數(shù)R2分別為0.8948和0.9674。值得注意的是，PG連續(xù)分級高溫UT的相關系數(shù)R2與圖3中當量軟化點T800的相應擬合結果非常接近，說明PG連續(xù)分級高溫UT和當量軟化點T800在數(shù)據(jù)上相互支撐，二者對瀝青混合料高溫性能指標的預估具有一致性。

圖4 PG連續(xù)分級高溫UT與馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度的相關性Figure 4 Correlation between UT and Marshall stability，dynamic stability

瀝青結合料的黏度在一定程度上表征了其混合料抵抗流動變形的能力，體現(xiàn)了抗車轍的本質，并且是一個被廣泛用于評價瀝青結合料高溫性能的技術指標[14]。在我國，瀝青路面盛夏季節(jié)的表面溫度高達50～70 ℃。所以，瀝青的60 ℃黏度指標能夠反映路面的真實使用狀況。

圖5展示了瀝青結合料的60 ℃黏度與其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度之間的相關性。從圖5中可以看出，隨著生物瀝青摻量的增加，瀝青結合料的60 ℃黏度呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，而其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度均逐漸減小，說明生物瀝青調(diào)和瀝青結合料的60 ℃黏度與其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度之間不具有線性關系。通過數(shù)據(jù)擬合可以看出，兩組關系均呈現(xiàn)出二次相關，動穩(wěn)定度對應的相關性較好，相關系數(shù)R2達到0.9415，馬歇爾穩(wěn)定度對應的相關系數(shù)R2則僅為0.7312。就生物瀝青調(diào)和瀝青而言，瀝青結合料的60 ℃黏度不能夠通過線形關系預估其混合料的高溫性能指標，二者之間存在拋物線關系。

圖5 60 ℃黏度與馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度的相關性Figure 5 Correlation between viscosity at 60 ℃ and Marshall stability，dynamic stability

2.2 低溫性能指標相關性分析

本研究所采用的瀝青結合料低溫性能指標為延度、當量脆點T1.2、PG連續(xù)分級低溫LT，其中，延度是在15 ℃的試驗環(huán)境下所測得；對于瀝青混合料，則采用彎曲試驗中小梁試件破壞時最大彎拉應變。基于生物瀝青調(diào)和瀝青結合料與混合料低溫性能指標實驗室測試結果，下面進行相關性分析。

圖6展示了瀝青結合料的延度與其混合料的最大彎拉應變之間的相關性。從圖6中可以看出，隨著瀝青結合料的延度的增大，其混合料的最大彎拉應變逐漸減小，呈現(xiàn)出線性相關，相關系數(shù)R2為0.8405。但二者對低溫性能的評價結果相反，即隨著生物瀝青摻量的增加，結合料的延度逐漸減小，低溫性能降低，而混合料的最大彎拉應變逐漸增加，低溫性能得到提高，其主要原因為生物瀝青調(diào)和瀝青中含有一些雜質成分，使得試件在延度試驗的拉伸過程中出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象[15]，從而導致其調(diào)和瀝青的延度隨著生物瀝青摻量的增加而逐漸減小，所以拿延度作為生物瀝青調(diào)和瀝青低溫性能評價指標的可行性有待進一步驗證。

圖6 延度與最大彎拉應變的相關性Figure 6 Correlation between ductility and maximum flexural-tensile strain

圖7展示了瀝青結合料的當量脆點T1.2與其混合料的最大彎拉應變之間的相關性。從圖7中可以看出，隨著瀝青結合料的當量脆點T1.2的降低，其混合料的最大彎拉應變逐漸增大，相關系數(shù)R2為0.870 2，說明生物瀝青調(diào)和瀝青結合料的當量脆點T1.2與其混合料的最大彎拉應變之間存在較好的線性相關性，可以通過結合料的當量脆點T1.2在一定程度上預估其混合料的最大彎拉應變。

圖7 當量脆點T1.2與最大彎拉應變的相關性Figure 7 Correlation between T1.2 and maximum flexural-tensile strain

圖8展示了瀝青結合料的PG連續(xù)分級低溫LT與其混合料的最大彎拉應變之間的相關性。從圖8中可以看出，隨著瀝青結合料的PG連續(xù)分級低溫LT的降低，其混合料的最大彎拉應變逐漸增大，相關系數(shù)R2為0.895 1。與圖7中當量脆點T1.2的相應擬合結果相比，PG連續(xù)分級低溫LT與最大彎拉應變之間的相關系數(shù)R2較大，說明就生物瀝青調(diào)和瀝青而言，PG連續(xù)分級低溫LT與最大彎拉應變的線性相關性更好。然而從總體上來看，與高溫性能指標線形關系中的相關系數(shù)R2相比，低溫性能指標中所得到的相關系數(shù)R2相對較小。

圖8 PG連續(xù)分級低溫LT與最大彎拉應變的相關性Figure 8 Correlation between LT and maximum flexural-tensile strain

2.3 針入度與混合料性能指標的相關性分析

針入度是一項重要的性能指標，也是劃分瀝青標號的依據(jù)之一，目前我國依然采用針入度分級系統(tǒng)。通過針入度試驗可以在高溫性能、低溫性能以及感溫性能3個方面對瀝青進行綜合評價，因此，針入度也被認為是一項綜合性的指標[16]。在本研究中，針入度是在25 ℃的標準試驗條件下所測得。瀝青混合料性能指標包括高溫性能指標(馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度)、低溫性能指標(最大彎拉應變)以及力學性能指標(劈裂強度、抗壓回彈模量)。其中，力學性能試驗均在15 ℃的試驗環(huán)境下開展?；谏餅r青調(diào)和瀝青結合料針入度指標與混合料性能指標的實驗室測試結果，下面進行相關性分析。

圖9展示了瀝青結合料的針入度與其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度之間的相關性。從圖9中可以看出，隨著瀝青結合料的針入度的增大，其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(wěn)定度均逐漸減小，相關系數(shù)R2分別為0.942 9和0.942 2，展現(xiàn)出良好的線性相關性，且二者的相關系數(shù)R2十分接近，說明通過結合料的針入度對其混合料各項高溫性能指標的預估具有相近的準確度。

圖9 針入度與馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度的相關性Figure 9 Correlation between penetration and Marshall stability，dynamic stability

圖10展示了瀝青結合料的針入度與其混合料的最大彎拉應變之間的相關性。從圖10中可以看出，隨著瀝青結合料的針入度的增大，其混合料的最大彎拉應變逐漸增大，相關系數(shù)R2為0.8543，線性相關性較好，但低于圖9中針入度與混合料高溫性能指標的相應擬合結果，說明就生物瀝青調(diào)和瀝青而言，針入度與混合料高溫性能指標的線性相關性優(yōu)于與低溫性能指標的線性相關性。

圖10 針入度與最大彎拉應變的相關性Figure 10 Correlation between penetration and maximum flexural-tensile strain

圖11展示了瀝青結合料的針入度與其混合料的劈裂強度、抗壓回彈模量之間的相關性。從圖11中可以看出，隨著瀝青結合料的針入度的增大，其混合料的劈裂強度先減小后緩慢提高，而抗壓回彈模量則逐漸減小，說明生物瀝青調(diào)和瀝青結合料的針入度與其混合料的劈裂強度之間不存在線性相關性，通過數(shù)據(jù)擬合可知，二者之間呈二次相關，相關系數(shù)R2為0.881 0。對于抗壓回彈模量來說，其與針入度之間線性相關性很好，相關系數(shù)R2高達0.977 6，且大于圖9和圖10中針入度與混合料高低溫性能指標之間相應的線形擬合結果。

圖11 針入度與劈裂強度、抗壓回彈模量的相關性Figure 11 Correlation between penetration and splitting strength，compression modulus of resilience

3 結論

為探討生物瀝青調(diào)和瀝青結合料與混合料性能指標之間的相關性，本研究制備了5種不同生物瀝青摻量的調(diào)和瀝青結合料和相應的AC-20C型瀝青混合料，通過室內(nèi)試驗對其結合料與混合料的主要性能指標進行了測試，并且對相關指標之間的相關性進行了分析，主要結論歸納如下：

a.生物瀝青調(diào)和瀝青結合料的軟化點、當量軟化點T800、PG連續(xù)分級高溫UT與其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度之間具有良好的線性相關性。且軟化點與馬歇爾穩(wěn)定度的線性相關性更好，當量軟化點T800與動穩(wěn)定度的線性相關性更好，PG連續(xù)分級高溫UT和當量軟化點T800對瀝青混合料高溫性能指標的預估具有一致性。

b.生物瀝青調(diào)和瀝青結合料的60 ℃黏度與其混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、動穩(wěn)定度之間不具有線性關系，而呈二次相關。就生物瀝青調(diào)和瀝青而言，瀝青結合料的60 ℃黏度不能夠通過線形關系預估其混合料的高溫性能指標。

c.生物瀝青調(diào)和瀝青結合料的當量脆點T1.2、PG連續(xù)分級低溫LT與其混合料的最大彎拉應變之間具有較好的線性相關性，且PG連續(xù)分級低溫LT與最大彎拉應變的線性相關性更好。

d.生物瀝青調(diào)和瀝青結合料的延度與其混合料的最大彎拉應變之間呈線性相關，但二者對低溫性能的評價結果相反。因此，以延度作為生物瀝青調(diào)和瀝青低溫性能評價指標的可行性有待進一步驗證。

e.相比于低溫性能指標，生物瀝青調(diào)和瀝青結合料的針入度與其混合料高溫性能指標之間的線性相關性更好。對于力學性能指標來說，針入度與抗壓回彈模量之間線性相關性很好，而與劈裂強度之間則呈二次相關。